As estripulias do genoma

O termo ‘genoma’ exerce em muitos um grande fascínio. Em termos biológicos, o genoma é o conjunto de todas as moléculas de DNA (ácido desoxirribonucleico) de um organismo, cada uma dessas moléculas constituindo um cromossomo, juntamente com outras moléculas, como as proteínas. As moléculas de DNA são componentes fundamentais dos processos de produção de proteína pelas células dos organismos vivos e são, também, hereditários, ou seja, transmitidos de uma geração à outra. Portanto, participam de processos fundamentais para a manutenção da vida. Além disso, alterações nessas moléculas podem estar, muitas vezes, ligadas a disfunções e doenças.

Desde a publicação da sequência do genoma humano em 2001, as promessas acerca das possibilidades de conhecimento e resolução dos problemas humanos, desde doenças a traços do comportamento, criaram uma falsa percepção de que o sequenciamento do genoma representaria a chave para abrir as portas da natureza humana. Mais de 15 anos depois, percebemos que, apesar dos avanços no conhecimento que temos a respeito da organização e do funcionamento do genoma, muitas perguntas ainda estão sem resposta. Longe de ser surpreendente, isso é natural e esperado, dado que processos patológicos ou características comportamentais envolvem muitos outros níveis de organização da matéria viva do que apenas o conhecimento da sequência de nucleotídeos que forma o genoma.

Apesar de não se chegar à abertura das portas da natureza humana, como certas expectativas exageradas propunham, é correto dizer que, a partir do sequenciamento do primeiro genoma, uma nova era se iniciou nas ciências da vida. Esta era foi denominada ‘genômica’. Inaugurada pelo sequenciamento de organismos modelo e caracterizada por um esforço internacional no sequenciamento do genoma dos mais variados organismos vivos, essa era baseou-se fortemente na crença de que o conhecimento das sequências genômicas nos permitiriam entender melhor a natureza dos organismos e da própria vida. Se considerarmos apenas os eucariotos, hoje já contamos com centenas de genomas sequenciados, dentre eles mais de 250 genomas de animais, mais de 150 genomas de fungos e um pouco mais de 100 genomas de plantas. Entre os procariotos, um número ainda maior de genomas já foram sequenciados, principalmente devido ao menor tamanho e à menor complexidade de organização do genoma desses organismos. Com o avanço das tecnologias de sequenciamento de DNA e o desenvolvimento de técnicas de análise de grandes quantidades de dados moleculares, aliadas a drástica redução nos custos, esse número tem aumentado a cada ano.

Com tanta informação disponível a respeito dos genomas de vários organismos, hoje sabemos que muitas das nossas expectativas em relação à organização e ao funcionamento do genoma estavam equivocadas. Por exemplo, hoje sabemos que apenas 1 a 2% do genoma humano está envolvido na produção de proteínas, ou seja, a maior parte do genoma está envolvida em outras atividades, algumas das quais sequer conhecemos. Sabemos, também, que não há uma correlação direta entre o tamanho do genoma, ou mesmo entre o número de genes, e a complexidade morfológica e funcional dos organismos. Por exemplo, enquanto o genoma humano possui aproximadamente 21.000 genes envolvidos na produção de proteínas, o genoma do camundongo possui 22.000 e o do arroz possui mais de 39.000. Assim, à medida que sequenciamos mais genomas, percebemos que não teremos acesso direto e simples a tal ‘informação’ ali contida. E ficamos extasiados frente à complexidade de organização e funcionamento do genoma, como pais abismados frente às estripulias dos filhos traquinos.

Talvez a descoberta mais fascinante dessa ‘nova era’ tenha sido a percepção de que, ao longo da evolução, o genoma de diversas linhagens, tanto de plantas quanto de animais, passou por eventos de duplicação completa (em inglês, whole genome duplications, WGD). Nesses eventos, todo o genoma de um organismo é duplicado, incluindo aí, por exemplo, a duplicação de todos os genes, assim como de todas as regiões entre eles. Hoje, sabemos que mais de 50% dos genomas sequenciados de diversas espécies de plantas apresentam evidências claras de pelo menos um evento de duplicação completa. As consequências desses eventos de duplicação completa de genoma ainda são objeto de estudo. Muitas hipóteses propostas correlacionam, por exemplo, esses eventos de duplicação completa de genoma com a origem e evolução das plantas com flores. Mas, ainda não sabemos o suficiente a esse respeito.

Entre animais, no entanto, o número de duplicações completas de genoma já identificadas é bem menor. Em muitos casos, essas duplicações são muito antigas, o que dificulta sobremaneira não apenas a sua identificação, mas também a compreensão das consequências desse fenômeno para a evolução animal. Por exemplo, algumas evidências indicam que a origem dos cordados, grupo que inclui os vertebrados, está ligada a dois eventos de duplicação completa de genoma. Contudo, por tratar de evento que teria acontecido entre 550 e 450 milhões de anos atrás, essa hipótese, proposta na década de 1970, ainda é motivo de controvérsias. Já a duplicação completa do genoma identificada no ancestral comum dos peixes ósseos (teleósteos) é um evento incontroverso. Esse é um dos mais importantes grupos de peixes, representando hoje 96% das espécies de peixes viventes.

Recentemente, novos eventos de duplicação completa do genoma foram identificados. A partir do sequenciamento do genoma da aranha doméstica comum (Parasteatoda tepidariorum) e da sua comparação com outros genomas já sequenciados de linhagens aparentadas, cientistas identificaram a existência de uma duplicação genômica completa no ancestral comum dos aracnídeos, grupo de animais que abriga, dentro outros, as aranhas, escorpiões e ácaros. Essa duplicação, inclusive, parece ser independente da duplicação já identificada na linhagem dos caranguejos-ferradura, como mostra a Figura 2. Os artrópodes, grupo ao qual pertencem os aracnídeos e os caranguejos-ferradura, compõem o maior filo de animais existentes, e a identificação desses eventos de duplicação completa do genoma reacende questões importantes a respeito das consequências desses eventos para a diversificação dos animais.

Figura 2 – (A) Árvore gênica comparando os genes duplicados nas aranhas, escorpiões e caranguejos-ferradura. Os dados apoiam a existência de duas duplicações completas do genoma (WGD), uma no ancestral comum das aranhas e escorpiões e outra no ancestral comum dos caranguejo-ferradura. As duplicações completas do genoma estão representadas na figura por círculos. (B) Caranguejo-ferradura do mangue, Carcinoscorpius rotundicauda (Fonte: Wikipedia, Amada44 – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16039510); (C) Aranha doméstica comum, Parasteadoda tepidariorum (Fonte: Spiders.us, http://www.spiders.us/image/parasteatoda-tepidariorum-23/); (D) Escorpião marron, Centruroides sculpturatus (Fonte: Wikipedia, Musides, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7115801).

A identificação desses vários eventos de duplicação completa do genoma transforma, de maneira significativa, a imagem inicial que possuíamos do genoma, movendo-nos de uma visão estática para uma visão do genoma como algo muito mais dinâmico e fluido. O sequenciamento do genoma dos vários organismos vivos, além de trazer algumas das respostas para os problemas humanos a respeito das bases genéticas das mais variadas doenças ou do desenvolvimento de tratamentos para os mais diversos males, acabou por trazer também muitas outras perguntas, ainda sem resposta. Apesar de hoje sabermos muito mais a respeito das relações entre o genoma humano e suas intricadas correlações com as nossas características fenotípicas, o universo desconhecido que descortinamos é significativamente maior.

Talvez essa seja a grande beleza do fazer ciência: na busca de respostas acerca do mundo natural que nos cerca, novas perguntas se apresentam, renovando constantemente o nosso olhar sobre a natureza e sobre nós mesmos. Não seria diferente com o genoma. Ao buscarmos respostas para outras questões, nos deparamos com um universo dinâmico de duplicações completas do genoma, que remodelam a estrutura e o funcionamento do genoma das linhagens nas quais esses eventos acontecem. As consequências evolutivas desses fenômenos, os mecanismos que levam a tal evento, ou os mecanismos envolvidos no modo como a célula lida com uma quantidade duplicada de material genético ainda são largamente desconhecidos.

O genoma é traquino, mas por tantas estripulias ninguém esperava!

Ana Maria Rocha de Almeida

Instituto de Humanidades, Artes e Ciências Prof. Milton Santos (UFBA)

California State University East Bay (CSUEB)

Para saber mais:

Adams, K.L.; Wendel, J.F. 2005. Polyploidy and genome evolution in plants. Current Opinion in Plant Biology, 8(2): 135-141.

Dehal, P.; Boore, J.L. 2005. Two round of whole genome duplication in the ancestral vertebrate. PLoS Biol 3(10): e314.

De Peer, Y.V.; Maere, S.; Meyer, A. 2009. The evolutionary significance of ancient genome duplications. Nature Reviews Genetics, 10:725-732.

Salman-Minkov, A.; Sabath, N.; Mayrose, I. 2016. Whole-genome duplication as a key factor in crop domestication. Nature 2: 1-4.

Figura 1: (Fonte: NPR, National Public Radio – iStockphoto: http://www.npr.org/tags/160599550/genome)