Tem cheiro (e gosto) de evolução no ar

Em 1931, um químico chamado Arthur L. Fox utilizava em seu laboratório um produto químico em pó chamado feniltiocarbamida (abreviado como PTC). Acidentalmente, deixou um pouco do produto escapar enquanto o manipulava. Fox e seu colega, C.R. Noller, ingeriram um pouco do ar contendo PTC. Noller salientou o quão amargo era o pó e Fox ficou surpreso pois, apesar de estar muito mais próximo do produto, não sentiu nenhum gosto. Ambos experimentaram o pó novamente e Noller insistiu que ele era extremamente amargo enquanto Fox reiterava que não sentia nenhum sabor. Intrigado com a diferença, Fox distribuiu cristais de PTC a seus amigos e familiares e perguntou se eles sentiam algum gosto. Algumas pessoas, como Fox, não sentiam gosto algum; outros o descreviam com amargo. Rapidamente, o relato de Fox atraiu atenção de geneticistas que mostraram que a sensibilidade ao PTC tinha um componente genético – as pessoas tinham uma maior probabilidade de sentir o gosto de PTC se outros membros de sua família também o sentiam.

Mais de 70 anos após a observação de Fox, foi descoberto que mutações em um único gene, TAS2R38, explicava grande parte da variação na percepção do gosto do PTC. Os alelos AVI e PAV (nomes dados devido aos aminoácidos em três posições da proteína que apresentam variação) são os mais frequentemente observados. A maioria dos homozigotos AVI/AVI não sente o gosto amargo do PTC, enquanto a maioria dos heterozigotos AVI/PAV e homozigotos PAV/PAV o sente. Algumas exceções foram observadas, indicando que há também influência de outros genes e/ou fatores ambientais, mas a herança da sensibilidade de PTC está tão próxima de uma herança mendeliana que vem sendo usada como exemplo clássico em salas de aula até hoje.

O gene TAS2R38 codifica um quimiorreceptor que se liga a glucosinolatos, uma família de compostos com gosto amargo, a exemplo daqueles encontrados em plantas do gênero Brassica (brócolis, couve-flor, couve-de-bruxelas, couve, mostarda, nabo e rabanete). Quimioreceptores gustatórios e olfatórios são as proteínas responsáveis pela primeira etapa de uma cascata de reações que resulta na percepção de gostos e cheiros. Quando moléculas se ligam aos receptores é gerado um impulso nervoso que é interpretado pelo sistema nervoso para determinar a resposta apropriada (continuar mastigando ou cuspir, por exemplo). Um gosto amargo leve ou moderado é esperado em uma grande diversidade de alimentos. No entanto, compostos com um amargor intenso são geralmente rejeitados por humanos e outros animais, pois o gosto amargo é associado com a presença de toxinas. Assim, a sensibilidade a diferentes sabores tem uma relação intuitiva com a escolha dos alimentos. Como a escolha dos alimentos influencia a sobrevivência, será que a seleção natural age sobre essa característica?

Fisher, Ford e Huxley pensaram nessa conexão em 1939 e, após observarem as reações dos chimpanzés ao beberem uma solução com PTC, descreveram que os chimpanzés também apresentavam diferenças na sensibilidade ao PTC. Eles levantaram a hipótese de que dois alelos, um conferindo a sensibilidade e outro não, tiveram uma única origem antes da separação de humanos e chimpanzés e que a seleção teve um papel importante na manutenção desses alelos nas duas espécies. Com ferramentas mais modernas, como sequenciamento de DNA, Wooding e colegas fizeram a mesma pergunta de Fisher, Ford e Huxley, comparando indivíduos sensíveis e não sensíveis de várias populações humanas. Eles encontraram uma diversidade que indica que a seleção natural favoreceu a manutenção dos alelos diferentes, concordando com a conclusão anterior de Fisher e colaboradores. No entanto, a hipótese de uma única origem dos alelos foi refutada, pois as sequências de DNA dos chimpanzés sensíveis eram diferentes da sequência de humanos sensíveis.

Assim como os receptores gustatórios, os olfatórios se ligam a moléculas voláteis que fornecem pistas sobre o que comer, quando reproduzir, onde está o predador, entre outros fatores. Os receptores estão associados a características que podem estar sob seleção, e isso os tornou modelos para estudos sobre evolução e divergência das espécies. As vias de sinalização são bastante conservadas em vertebrados e invertebrados, mas as famílias de receptores são diferentes e surgiram independentemente. Os genes que codificam receptores olfatórios têm uma alta taxa de mudança evolutiva: não somente sua sequência muda muito rapidamente, como também há grande variação no número de genes que codificam receptores olfatórios em genomas de diferentes espécies. Essas rápidas mudanças são decorrentes de duplicações de genes da mesma família, criando genes redundantes e funcionalmente independentes. Esses genes sofrem mutações que podem resultar em proteínas diferentes que se ligam a novas moléculas voláteis, o que leva ao “nascimento” de novos genes. Outros genes são funcionalmente inativados por mutações. Um tipo de mutação cria um sinal de terminação prematura da proteína e impede a tradução dos RNAs mensageiros em proteínas funcionais, o que leva à “morte” dos genes. Esses genes interrompidos que não podem gerar uma proteína completa são chamados de pseudogenes. Os processos de nascimento e morte de genes explicam em grande parte a diferença no repertório de receptores olfatórios entre as espécies.

Em alguns vertebrados que dependem menos da percepção dos cheiros para sua sobrevivência, famílias inteiras de receptores olfatórios se tornaram dispensáveis. Por exemplo, a expansão do sistema visual de macacos do velho mundo foi acompanhada de uma perda de função de muitos receptores olfatórios. Isso parece ser um padrão geral em vertebrados – o desenvolvimento de outros sentidos como visão, ecolocalização e eletrorrecepção coincidem com um repertório menor de receptores olfatórios. Para se ter uma ideia, roedores (ratos e camundongos) possuem mais de mil genes que codificam receptores olfatórios, enquanto que primatas têm menos de 400 genes funcionais; as sequências que se parecem com receptores olfatórios são, em sua maioria, pseudogenes e não são funcionais.

Insetos também usam seus sistemas gustatórios e olfatórios para orientar seus comportamentos alimentares. Moscas, por exemplo, buscam seus alimentos por pistas dadas por moléculas voláteis e determinam a qualidade do alimento pelas moléculas solúveis, usando os receptores gustatórios em suas peças bucais e pernas. Comparações da mosca Drosophila melanogaster com uma prima próxima, a Drosophila sechellia, trouxeram novas informações sobre a natureza e evolução dos quimiorreceptores. D. melanogaster é uma mosca cosmopolita, enquanto D. sechellia, sua prima especialista, é endêmica das ilhas Seicheles e depende exclusivamente de uma fruta chamada morinda para sua alimentação e reprodução. Observou-se que, em D. sechellia, vários receptores olfatórios e gustatórios se tornaram pseudogenes, perdendo sua função, o que é condizente com a especialização da mosca. Um achado quase acidental, no entanto, mostrou que a percepção dos odores pode ser ainda mais complexa do que se acreditava. D. melanogaster é atraída pelo ácido acético, o qual é detectado pelo receptor IR75a. O mesmo gene em D. sechellia tem um sinal de parada prematuro (códon de parada), e acreditava-se que, como pseudogene, não produziria uma proteína funcional. Essa hipótese era corroborada pelo fato de D. sechellia não sentir nenhuma atração pelo ácido acético. No entanto, para surpresa dos pesquisadores, foi descoberta uma proteína completa codificada por esse gene em D. sechellia. Esse gene zumbi (antes dado como morto em D. sechellia) codifica uma proteína encontrada apenas em neurônios sensoriais. Surpreendentemente, a maquinaria de tradução ignora o sinal de parada e continua a produção da proteína. E não é só isso, devido a mutações específicas em sua sequência, o receptor de D. sechellia não detecta ácido acético, mas outros compostos químicos. Outros receptores zumbis foram encontrados no repertório de receptores de espécies de Drosophila e isso levanta uma suspeita de que pseudogenes em outras espécies ainda possam ser funcionais. Portanto, enquanto os nossos pseudogenes não forem investigados a fundo, não podemos julgar tão rapidamente as crianças que não gostam de brócolis, mesmo aquelas não sensíveis ao PTC.

Tatiana Torres (Instituto de Biociências, USP)

Para saber mais:

Wooding, S (2006) Phenylthiocarbamide: A 75-year adventure in genetics and natural selection. Genetics, 172: 2015-2023.

Bear DM, J Lassance JM, Hoekstra HE, Datta SD (2016) The Evolving Neural and Genetic Architecture of Vertebrate Olfaction. Current Biology, 26: R1039–R1049.

Prieto-Godino LL, Rytz R, Bargeton B, Abuin L, Arguello JR, Dal Peraro M, Benton R (2016) Olfactory receptor pseudo-pseudogenes. Nature, 539:93-97.