Fertilização em animais e plantas: as semelhanças são muito mais do que meras coincidências

Estudo recente revela que plantas e animais utilizam mecanismos semelhantes para garantir que a fertilização ocorra de maneira adequada, dando origem a um zigoto viável.

A reprodução sexuada tem um papel importante na manutenção das linhagens evolutivas da grande maioria dos animais e das plantas. Através da reprodução sexuada, gametas se fundem para a produção de um novo organismo que possui uma mistura do material genético dos pais. Durante a reprodução sexuada, a fusão dos gametas materno e paterno, ou fertilização, é uma etapa essencial para a produção de um zigoto viável, e é controlada, em plantas e animais, por vários mecanismos que aumentam as chances de que esse processo ocorra de forma adequada. Sabemos bastante a respeito dos processos que regulam a fertilização em animais, porém, muitos dos mecanismos envolvidos na fertilização de plantas ainda são desconhecidos. Na grande maioria dos animais, a fertilização resulta na penetração de apenas um gameta masculino (esperma) no gameta feminino (óvulo), fenômeno chamado de monospermia. Alguns grupos animais, incluindo pássaros, répteis e anfíbios, exibem polispermia fisiológica, fenômeno no qual vários gametas masculinos são capazes de penetrar o gameta feminino. No entanto, mesmo durante a polispermia fisiológica, apenas o núcleo de um único gameta masculino é capaz de fundir com o núcleo do óvulo, garantindo assim a reconstituição do genoma da espécie e a formação de um zigoto viável. Continue Lendo “Fertilização em animais e plantas: as semelhanças são muito mais do que meras coincidências”

As cobras também cospem!

Estudo publicado essa semana na revista Science sugere que a capacidade de cuspir veneno, criando assim um projétil de defesa bastante efetivo, evoluiu por convergência em três grupos distintos de cobras cuspidoras e que essa evolução parece estar intrinsecamente ligada à emergência dos hominíneos na África e Ásia.

É muito tentador pensar na natureza como um lugar idílico, um paraíso onde as plantas e os animais vivem em constante harmonia. Sem dúvidas, a beleza do mundo natural é encantadora e não pretendo aqui argumentar o contrário. Mas, desde Darwin, a ideia de que os organismos vivos estão em constante luta pela sobrevivência, na qual apenas os mais aptos sobreviverão, ou seja, aqueles mais capazes de obter recursos para sua manutenção, se tornou um conceito central no pensamento biológico, e essa noção está na base de um dos mais importantes mecanismos evolutivos, a seleção natural. E quanto mais estudamos o mundo natural, mais nos damos conta de que muito do que achamos fascinante evoluiu em contextos de predação, defesa ou competição. E um desses fenômenos é a evolução da peçonha.

A utilização de peçonha para defesa, competição ou predação é usualmente associada a insetos (como abelhas e vespas), a aracnídeos (como aranhas e escorpiões), ou a répteis (como as cobras). Diferentemente dos animais venenosos, que apenas produzem ou acumulam toxinas, animais peçonhentos possuem também um mecanismo ativo de liberação ou inoculação do veneno. Com poucas exceções, como as aves, exemplos de animais peçonhentos são encontrados em praticamente todos os grupos animais, até mesmo dentre os mamíferos (consulte aqui o Guia de Bolso dos animais peçonhentos do Brasil). Talvez o exemplo de mamífero peçonhento mais conhecido seja o ornitorrinco, espécie na qual os machos possuem, nas patas posteriores, esporões com veneno que são utilizados usualmente para defesa de território ou competição por fêmeas durante o período reprodutivo. Outro exemplo curioso entre os mamíferos é o dos musaranhos. Capazes de transferir o veneno de várias maneiras, os musaranhos usualmente utilizam seu veneno para imobilizar pequenas presas e preservá-las frescas por mais tempo. Já dentre os primatas, o Nycticebus é o único gênero venenoso conhecido até hoje. Nesses primatas, o veneno é produzido por uma glândula no braço e é ativado quando misturado à saliva. Esses animais lambem suas glândulas de veneno, tornando sua mordida venenosa.

Só no Brasil são notificados em torno de 100 mil acidentes com animais peçonhentos por ano, dentre os quais as cobras, aranhas e escorpiões são os principais envolvidos.  Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), anualmente em torno de 2 milhões de pessoas são envenenadas por picadas de cobras, e dentre elas mais de 100.000 morrem por consequência. Entre os sobreviventes, aproximadamente 300.000 pessoas sofrem amputações ou desenvolvem deficiência física permanente como resultado de acidentes ofídicos. Envenenamento por picada de cobra é considerado uma doença negligenciada, como tantas outras que afetam primariamente as regiões tropicais do globo. Mas, ao contrário de outras doenças sérias, o tratamento de pacientes com soro antiofídico é altamente eficaz e capaz de prevenir morte ou sequelas mais graves. 

Em cobras, a utilização de veneno está primariamente ligada à predação, e a composição química desses venenos varia significativamente não apenas entre as diferentes espécies, mas também em populações geograficamente distintas da mesma espécie. Essas diferenças químicas resultam de diversos mecanismos, muitos dos quais estão relacionados a modificações nos padrões de expressão gênica nas glândulas de veneno ou em modificações nas proteínas do veneno em si, e não necessariamente a diferenças nas sequências dos genes que codificam para essas proteínas tóxicas. Desde 1996, a explicação mais aceita para as diferenças na composição dos venenos de populações geograficamente distintas de cobras da mesma espécie é a dieta. E essa explicação, apoiada por muita evidência empírica, faz sentido: as cobras utilizam o veneno primariamente para predação, imobilizando e digerindo a presa. E a população de presas varia na sua susceptibilidade ao veneno em diferentes regiões. Isso sugere que a variação geográfica da composição do veneno reflete a seleção natural de cobras mais eficientes em se alimentar das presas locais.

Mas, enquanto a maioria das cobras utiliza veneno para predação, três grupos de cobras, chamadas de cobras cuspidoras, são capazes de utilizar o veneno como um projétil de defesa. E um estudo publicado essa semana na revista Science revelou os mecanismos evolutivos que explicam a repetida evolução desse comportamento nesses grupos aparentados de cobras, as Elapidae. Curiosamente, esse comportamento evoluiu de maneira independente nas cobras cuspidoras africanas (Naja: subgênero Afronaja), nas cobras cuspidoras asiáticas (Naja: subgênero Naja) e nas cobras cuspidoras da espécie Hemachatus haemachatus. O comportamento de cuspir o veneno parece não ter papel na captura de presa, mas sim na defesa da cobra contra predadores. Essas cobras são capazes de projetar o seu veneno a uma distância de até 2.5 metros e buscam atingir o olho do agressor. O veneno dessas cobras é capaz de causar intensa dor ocular, inflamação e até cegueira, e parece bioquimicamente distinto do veneno de outras Elapidae.

Os resultados dos métodos de filogenética molecular e calibração com fósseis sugerem que o comportamento de cuspir se originou na linhagem africana em torno de 6,7-10,7 milhões de anos atrás, enquanto na linhagem asiática o comportamento de cuspir se originou em torno de 2,5-4,2 milhões de anos atrás (Figura 1a). Os pesquisadores não foram capazes de determinar com precisão a origem desse comportamento no terceiro grupo. Por meio de transcriptômica e proteômica das glândulas de veneno, os pesquisadores caracterizaram as proteínas presentes no veneno de cada um dos grupos de cobras cuspidoras, assim como de espécies de cobras não-cuspidoras. Curiosamente, a composição do veneno de todas as cobras estudadas é dominada por toxinas do grupo 3FTX, enquanto em muitas das espécies estudadas as fosfolipases A2 são o segundo grupo de proteínas em abundância. Apesar das similaridades entre os venenos, a composição dos venenos das cobras cuspidoras é distinta não apenas das cobras não-cuspidoras, mas também entre si (Figura 1b).

Figura 1: Evolução do comportamento de cuspir nas Elapidae. (A) Evolução independente do comportamento de cuspir nos três grupos de cobras cuspidoras (setas vermelhas) e a datação desses eventos nos três grupos. (B) Comparação da composição dos venenos de várias espécies cuspidoras e não cuspidoras de elapideas. A composição dos venenos das cobras cuspidoras diferencia-se não apenas das cobras não-cuspidoras, mas também entre si, com exceção de uma única espécie de cobra cuspidora, a Naja philippinensis (*), cujo veneno é puramente neurotóxico. [Fonte: modificado de Kazandjian e colaboradores (2021), Science]

O veneno das cobras cuspidoras é abundante em um tipo particular de proteína 3FTX com efeito citotóxico, um dos principais componentes ativos desses venenos, apesar de a ação isolada desse componente do veneno ser incapaz de recapitular o efeito citotóxico do veneno como um todo, sugerindo assim uma ação sinergética entre componentes distintos. Para entender em maior detalhe a função dos diferentes componentes dos venenos de cobras cuspidoras, e da sua capacidade de causar dor intensa, os pesquisadores realizaram testes de ativação de neurônios sensoriais com as diferentes frações do veneno. Os resultados apontam para a ação sinérgica entre o componente citotóxico e as fosfolipase A2. Na presença dessas fosfolipases, o efeito citotóxico dos 3FTX é significativamente amplificado. E, ao estudar a fosfolipase A2 no veneno das elapideas, os pesquisadores descobriram que fosfolipase A2  é significativamente mais abundante nos venenos das cobras cuspidoras quando comparado ao das cobras não-cuspidoras. Além disso, as fosfolipase A2 de cobras cuspidoras são, em geral, mais ativas do que aquelas das cobras não-cuspidoras. E, curiosamente, apesar das semelhanças funcionais entre as fosfolipase A2 das cobras cuspidoras, essas proteínas apresentam claras diferenças entre os três grupos de cobras cuspidoras.

É possível também que o ato de elevar o corpo acima do chão, associado à expansão lateral do corpo, tão comumente associado às imagens de najas (Figura 2), tenha sido uma etapa importante, ou um comportamento precursor, na evolução do comportamento de cuspir. Assim, a semelhança no comportamento, na morfologia, e até mesmo na similaridade entre as propriedades funcionais dos venenos das cobras cuspidoras é mais um exemplo de convergência evolutiva.

Figura 2Naja naja exibindo comportamento conhecido como ‘hooding’, no qual a cobra levanta o corpo do chão e expande lateralmente o corpo. [Fonte: Pavan Kumar N, WikipediaCC BY-SA 3.0]

Mas a razão pela qual a habilidade de cuspir veneno evoluiu independentemente nesses três grupos de cobras, ao invés da injeção  do veneno através da mordida, como acontece com a maioria das outras espécies de cobras peçonhentas, ainda não é completamente compreendida. No entanto, os autores propõem uma hipótese fascinante para explicar esse fenômeno. A evolução das cobras cuspidoras africanas ocorreu pouco depois da divergência dos hominínios da linhagem dos bonobos e chimpanzés, o que coincide com a emergência do bipedismo, o crescimento do cérebro, o uso de ferramentas e a ocupação das savanas. De forma semelhante, a evolução desse comportamento no grupo de cobras cuspidoras asiáticas coincide com a chegada do Homo erectus na Ásia. Assim, a evolução independente do comportamento de cuspir nesses três grupos de cobras pode ser mais um dos legados de Lucy.

Ao longo dos últimos 75 milhões de anos, a evolução dos primatas, principalmente sua neurobiologia e seu comportamento, parece ter sido influenciada pela evolução das cobras, e vice-versa. E a luta pela existência imposta pela evolução dos hominínios tanto na África como na Ásia pode ter sido a principal força motriz da evolução desse comportamento nas cobras cuspidoras. E, quem diria que cuspir seria um comportamento favorecido pela seleção natural e tão arraigado na história dos nossos ancestrais!

Ana Almeida

California State University, East bay

Para saber mais:

Ferraz CR. Et al. 2019. Multifunctional Toxins in Snake Venoms and Therapeutic Implications: From Pain to Hemorrhage and Necrosis. Frontiers in Ecology and Evolution. https://doi.org/10.3389/fevo.2019.00218

Headland TH, Greene HW. 2011. Hunter-gatherers and other primates as prey, predators, and competitors of snakes. PNAS 108(52): E1470-E1474.

Stayton C.T. 2015. What does convergent evolution mean? The interpretation of convergence and its implications in the search for limits to evolution. Interface Focus 5: 20150039. http://dx.doi.org/10.1098/rsfs.2015.0039.

Ward-Smith H, Arbuckle K, Naude A, Wüster W. 2020. Fangs for the Memories? A Survey of Pain in Snakebite Patients Does Not Support a Strong Role for Defense in the Evolution of Snake Venom Composition. Toxins 12(3), 201; https://doi.org/10.3390/toxins12030201

Westhoff G, Tzschätzsch K, Bleckmann H. 2005. Spitting behaviour of two species of spitting cobras. Journal of Comparative Physiology A 191: 873–881.

Pandemia na era da cibernética

Modelagem do movimento urbano em diversas metrópoles nos Estados Unidos revela padrões de comportamento de diferentes grupos sociais e pode ajudar no desenvolvimento de políticas de saúde pública mais equitativas durante a atual pandemia

Desde 1992, o Gil já cantava: “Antes longe era distante / Perto, só quando dava / Quando muito, ali defronte / E o horizonte acabava / Hoje lá trás dos montes, den de casa, camará”. Na música Parabolicamará, Gil utilizou a imagem da antena parabólica para simbolizar a interconectividade do mundo digital e a difusão da parabólica pelo Brasil, influenciando não apenas a paisagem urbana, mas também os padrões de comportamento social. O desconhecido podia agora ser acessado por meio digital, do conforto e segurança do lar. As distâncias, antes quase intransponíveis, podiam agora ser virtualmente percorridas em questão de segundos. E a antena parabólica foi apenas o começo dessa era de globalização digital: internet, computadores portáteis, celulares, carros e casas inteligentes permeiam o cotidiano de todos nós, criando o que McLuhan chamou, quase que profeticamente, trinta anos antes da invenção da internet, de aldeia global.

O desenvolvimento de aplicativos digitais capazes de não apenas reunir, mas também transmitir dados entre si, levou Kevin Ashton, em 1999, a propor o conceito de Internet das Coisas (do inglês, Internet of Things). Esse conceito ressalta que, para além da interconectividade entre pessoas, o mundo digital gerou, em paralelo, a interconectividade entre objetos físicos, dispositivos, sistemas e serviços. Hoje, podemos, dos nossos celulares e de praticamente qualquer lugar, controlar a temperatura da nossa casa, cozinhar o jantar, ou até mesmo estacionar nossos carros. Na era digital, a portabilidade de dispositivos como o celular nos permite carregar a internet a qualquer lugar, e com isso permanecer constantemente conectados. E foi exatamente essa permanente interconectividade que permeia a vida da maioria da população atual que permitiu a realização do estudo que venho aqui dividir com vocês.

Nesse estudo, publicado essa semana na revista Nature, cientistas coletaram dados de localização de celulares de 98 milhões de indivíduos em 10 metrópoles norte-americanas, e utilizaram modelos de mobilidade, associados a modelos epidemiológicos de propagação do vírus, para entender a relação entre os padrões de deslocamento de diferentes grupos sociais para pontos de interesse, como restaurantes, lojas, supermercados e instituições religiosas, e os padrões de disseminação do vírus causador da COVID-19, o SARS-CoV-2. O modelo gerado foi capaz de predizer com acurácia os padrões observados de disseminação do vírus até então, sugerindo ser um bom modelo para testes de estratégias de re-abertura e reestabelecimento das atividades econômicas e sociais.

Ao utilizar o modelo para testar planos de reabertura e contenção da propagação do vírus, os cientistas observaram que a magnitude da redução da mobilidade é tão importante quanto o momento em que essas medidas são implementadas. Por exemplo, caso a região do metrô de Chicago não tivesse observado uma redução de ~54% de mobilidade durante o primeiro mês da quarentena, o número de casos poderia ter aumentado em mais de 6 vezes o número atual. E se a redução da mobilidade tivesse iniciado uma semana mais tarde, o número de casos seria quase duas vezes maior do que o observado. O modelo de dinâmica de movimento social desenvolvido nesse estudo sugere também que uma pequena minoria dos pontos de interesse é responsável pela grande maioria das infecções, possibilitando a identificação de eventos de super propagação. A ideia de eventos de super propagação (do inglês superspreader events) de COVID-19, no entanto, não é nova. O acúmulo de dados a respeito da pandemia de COVID-19 levou cientistas a proporem a ideia de que eventos de super propagação explicam os padrões de disseminação do vírus SAR-CoV-2. Eventos de super propagação são eventos nos quais um ou poucos indivíduos contaminam um número significativo de pessoas em um único encontro. É possível que um único indivíduo contaminado, em ambiente fechado, resulte na contaminação secundária de milhares de pessoas.

Se a minoria dos pontos de interesse (isto é, restaurantes, lojas, bares, supermercados, academias, instituições religiosas etc.) é responsável pela grande maioria dos casos, uma clara política pública é a reabertura desses pontos com restrição da capacidade máxima de ocupação desses locais. Ao testar cenários de reabertura sem redução da capacidade de ocupação, utilizando o modelo gerado, os cientistas foram capazes de prever um aumento de aproximadamente 32% de infecções na mesma região de Chicago. Ainda, a redução da ocupação reduz significativamente o risco de infecção, sem necessariamente alterar os padrões de mobilidade da região. Nessa mesma região, o modelo prevê que a restrição da capacidade de ocupação em, no máximo, 20% da capacidade total é capaz de reduzir o número de novas infecções em aproximadamente 80%, resultando em apenas 42% na restrição de mobilidade na região, sugerindo que a redução da capacidade de ocupação de pontos de interesse pode ser mais eficaz do que a restrição da mobilidade irrestrita da população.

Além disso, o modelo aponta para o risco relativo de reabertura de determinadas categorias de pontos de interesse, já que nem todos os pontos de interesse estão associados igualmente a eventos de super propagação. Devido ao fato de que apenas uma minoria dos pontos de interesse são responsáveis pela maioria dos eventos de super propagação nas regiões metropolitanas estudadas, entender a relação entre esses pontos de interesse e a propagação do vírus é fundamental, particularmente para locais que usualmente recebem uma grande quantidade de indivíduos, ou nos quais indivíduos tendem a passar longos períodos de tempo.

O modelo ressalta também os padrões de disparidade nas taxas de infecção entre diferentes grupos sociais, resultando na acentuação das desigualdades sociais preexistentes. O modelo corretamente previu maiores taxas de infecção entre grupos socioeconomicamente desfavorecidos, baseando-se apenas padrões de deslocamento dos diferentes grupos. De acordo com os dados de mobilidade, grupos socioeconômicos menos favorecidos não foram capazes de reduzir sua mobilidade tanto quanto grupos sociais privilegiados, e tenderam a frequentar locais de maior aglomeração, resultando assim em maior exposição e um aumento significativo no risco de infecção. O reconhecimento de que grupos sociais já cronicamente desfavorecidos são os mais afetados pela atual pandemia de COVID-19 também não é uma novidade. Desde Abril desse ano, estudos epidemiológicos já apontavam para a disparidade nas taxas de infecção e mortalidade nos Estados Unidos entre grupos socioeconômicos e raciais. Disparidades socioeconômicas semelhantes foram observadas no Brasil, onde as taxas de incidência e mortalidade por COVID-19 foram mais elevadas em unidades federativas com maior desigualdade econômica. Dessa forma, políticas justas de reabertura durante a pandemia precisam considerar o impacto díspar da pandemia nos diversos grupos socioeconômicos para o planejamento de ações que intencionalmente reduzam as taxas de infecção nas comunidades menos favorecidas e mais afetadas. Segundo os autores, são medidas importantes o estabelecimento de limites de ocupação mais restritos em restaurantes, lojas, academias e outros pontos de interesse, a criação de centros de distribuição de alimentos para a redução da densidade populacional em pontos de interesse super propagadores, como lojas e supermercados, a oferta ampla e gratuita de testes, principalmente em regiões metropolitanas de alto risco, e a melhoria das políticas públicas de suporte ao trabalhador doente, visando a redução da sua mobilidade durante a doença. Além disso, já sabemos que outras medidas são também efetivas, como o distanciamento social e o uso irrestrito de máscaras. Este último contribui significativamente para o controle da propagação do vírus causador da COVID-19, por reduzir a emissão de saliva e aerossóis das vias respiratórias de indivíduos infectados, porém com sintomas amenos ou moderados.

Infelizmente, perdemos a oportunidade de resolver a pandemia antes da morte de centena de milhares de pessoas em países como os Estados Unidos e o Brasil, mas modelos como os apresentados por Chang e colaboradores podem balizar políticas de saúde pública eficazes na contenção da propagação do vírus, pois permitem testar computacionalmente o impacto das medidas de reabertura em diferentes regiões e grupos sociais antes da efetivação das mesmas, principalmente em países cujos chefes de estado não foram capazes de atuar prontamente no controle inicial e na eliminação da disseminação do vírus. Veja-se, por exemplo, o caso da Nova Zelândia. A Nova Zelândia é o país com a menor taxa de mortalidade por COVID-19 (apenas 4 por 1 milhão de habitantes) entre os 37 países da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico. Em apenas 103 dias, e após um período de quarentena nacional, o país decretou, no início de Junho desse ano, o final da pandemia no território nacional, tendo registrado apenas 1.569 casos e 22 mortes por COVID-19. A impressionante contenção da pandemia na Nova Zelândia, resultado da implementação imediata e severa de medidas de saúde pública informadas pela ciência, foi reconhecida pela Harvard University com o Prêmio Gleistman em liderança e ativismo social de 2020, outorgado à Primeira Ministra Jacinda Ardern, que liderou, de forma exemplar, o país durante a crise.

No entanto, se vamos passar a utilizar padrões de movimento social inferidos a partir de dados de celular para propor e planejar políticas públicas, não podemos deixar de discutir questões ligadas à privacidade de cada um de nós. Em muitos casos, informações a respeito dos nossos padrões de mobilidade e comportamento são compartilhadas por aplicativos e dispositivos digitais sem que tenhamos clara consciência do fato. E com o avanço da interconectividade e da Internet das Coisas, esses eventos de compartilhamento de informações pessoais se tornam cada vez mais comuns. Mas, pessoalmente, acredito que precisamos atentar para uma questão ainda mais importante:  é imperativo garantirmos a inclusão digital de todos os setores da sociedade, para que todos estejam representados equitativamente nesses modelos, se é que eles balizarão futuras tomadas de decisão.

Ana Almeida

California State University East Bay

(CSUEB)

Para saber mais:

Chu, Derek K, et al. 2020. Physical distancing, face masks, and eye protection to prevent person-to-person transmission of SARS-CoV-2 and COVID-19: a systematic review and meta-analysis. The Lancet, 395(10242): P1973-1987.

Greenhalgh, Trisha. et al. 2020. Face masks for the public during the COVID-19 crisis. BMJ, 369: m1435

Ornes, Stephen. 2016. Core Concept: The Internet of Things and the explosion of interconnectivity. PNAS, 113 (40) 11059-11060.

Santos, Milton. 2000. Por uma outra globalização: do pensamento único à consciência universal. São Paulo: Editora Record.

Schadt, Eric. The changing privacy landscape in the era of big data. Molecular Systems Biology, 8:612

A origem de novos vírus: A COVID-19 e outras histórias

Assim como muitos outros vírus, estudo recente aponta que o vírus causador da COVID-19 evoluiu a partir de um hospedeiro animal e não de manipulação humana intencional.

Escrevo esse post da minha casa, em São Francisco (Califórnia), onde desde o inicio da semana passada o governo decretou quarentena para todos os moradores. Sei que muitos de vocês, leitores, estão em uma situação parecida: em casa, sem poder ir ao trabalho, a bares e restaurantes ou ao cinema, e com filhas e filhos sem aulas presenciais, demandando nossa atenção e nosso cuidado a todo minuto. Apesar de tentar estabelecer uma nova rotina, é inegável que a situação atual gera apreensão e desconforto. Então, saiba que você não está sozinha ou sozinho nesse momento: o mundo todo está vivendo essa mesma angústia. Mas, nunca é demais reforçar que as medidas de isolamento social que tomamos hoje, por mais duras que possam parecer, salvarão a vida de muitos nos próximos meses. E que é extremamente necessário, talvez mais do que nunca, ouvirmos os cientistas e seguirmos suas recomendações. Voltarei a esse ponto ao final do texto.

Primeiro, vamos dar “nome aos bois”. Ao estudar em detalhe esse novo vírus e compará-lo a outros vírus já conhecidos, o Grupo de Estudos de Coronaviridae do Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus, entidade mundial responsável pela classificação dos vírus, decidiu nomear essa nova espécie viral de SARS-CoV-2, devido à semelhança genética entre esse novo vírus e aquele causador da Síndrome Respiratória Aguda Grave (SARS). E se olharmos com um pouco mais de cuidado, o nome faz muito sentido:  SARS vem do nome da manifestação clínica causada pelo vírus, CoV indica que esse vírus é um coronavírus, e 2 pois já conhecemos um outro coronavírus, causador da pandemia de SARS em 2003, cujo quadro clínico é semelhante ao que observamos nos pacientes de COVID-19 de hoje. E de onde vem o nome COVID-19? Em Fevereiro desse ano, a Organização Mundial de Saúde (OMS) decidiu nomear a doença de COVID-19, seguindo os acordos internacionais estabelecidos entre a OMS e outros órgãos internacionais. E essa escolha também faz sentido: COVI de coronarus, D de doença (ou disease em inglês) e 19 do ano de 2019, ano em que o primeiro caso de COVID-19 foi identificado.

Mas antes de nos debruçarmos sobre a origem do SARS-CoV-2, como sugere o título desse post, vale lembrar que vírus são partículas compostas majoritariamente por dois tipos de moléculas: ácidos nucleicos (DNA ou RNA) e proteínas. Alguns vírus possuem também um envelope de lipídios, como no caso do coronavírus (Figura 1).

Figura_1
Figura 1 – Ultra-estrutura do SARS-CoV-2. Os coronavírus são vírus de RNA cujo envelope lipídico possui numerosos “espinhos” (do inglês spikes), dando a impressão de uma “coroa” quando vistos sob microscópio eletrônico (veja também a imagem de abertura desse post). Daí vem o nome desse grupo de vírus, os coronavírus. Fonte: Imagem modificada de Alissa Eckert, Dan Higgins; Jan 2020 (Center for Disease Control, CDC).

Vírus são agente infecciosos, causadores de milhares de doenças em animais, plantas, fungos e bactérias. Conhecemos hoje mais de 200 mil tipos diferentes de vírus, e o número de novas espécies virais continua a crescer significativamente todo ano. Os vírus são considerados parasitas intracelulares obrigatórios, pois apesar de inertes quando fora de células vivas, um único vírus é capaz de cooptar o metabolismo celular para a produção de milhares de novas partículas virais em poucas horas. Nos últimos meses, cientistas têm estudado intensamente o SARS-CoV-2, não apenas para entender sua origem como também em busca de um caminho para o desenvolvimento de uma vacina ou de um tratamento eficaz, e desde o início do ano centenas de artigos já foram publicados. Assim, já conhecemos o suficiente do SARS-CoV-2 para afirmar com convicção que, até o momento, não existe qualquer evidência sugerindo que o SARS-CoV-2 é fruto de manipulação humana intencional. Na realidade, os dados apontam para um processo evolutivo por seleção natural, resultando na transferência zoonótica do SARS-CoV-2 para humanos a partir de um hospedeiro animal. Assim, no restante desse post, buscarei apresentar as evidências que temos, até o momento, de que o SARS-CoV-2 surgiu por transferência zoonótica, assim como contextualizar a transferência zoonótica em relação ao surgimento de outros vírus capazes de infectar humanos.

Que evidências temos, até o momento, de que o SARS-CoV-2 surgiu por transferência zoonótica? O coronavírus causador da pandemia que atravessamos hoje, o SARS-CoV-2, é um entre pelos menos seis outros coronavírus que infectam humanos. Apesar de muitos coronavírus, como 229E, NL63, HKU1 e OC43, causarem apenas sintomas leves, dois outros coronavírus são responsáveis por doenças respiratórias graves em humanos, o SARS-CoV e o MERSCoV. O SARS-CoV foi o agente responsável pela pandemia da Síndrome Respiratória Aguda Grave (SARS) de 2003, que acometeu dezenas de países e resultou na morte de mais de 700 pessoas. Já o MERSCoV é o responsável pela Síndrome Respiratória do Oriente Médio (MERS), inicialmente identificada em 2012. Segundo a Organização Mundial de Saúde, até Novembro de 2019 foram diagnosticados mais de 2.400 casos de MERS, resultando em mais de 800 mortes.

Nessa última semana, um artigo publicado na revista Nature comparou uma parte importante do genoma do SARS-Cov-2 ao de outros coronavírus de humanos e de outros hospedeiros animais, com ênfase na sequência de aminoácidos da proteína do espinho proteico (Figura 1). O espinho proteico do coronavírus está intimamente relacionado à capacidade do vírus de penetrar células humanas, e tem sido alvo importante no desenvolvimento de vacinas contra o SARS-CoV-2.  A sequência de aminoácidos do espinho proteico de SARS-CoV-2 de humanos é semelhante às sequências encontradas em coronavírus de morcegos e pangolins (Figura 2), sugerindo fortemente a transmissão zoonótica do vírus. Visto que a sequência em humanos difere, mesmo que minimamente, da sequência dos vírus nessas outras linhagens, ainda não sabemos ao certo a partir de qual hospedeiro animal o SARS-CoV-2 se originou.

Figura_2
Figura 2 – Estrutura do genoma viral com foco especial no gene relacionado ao espinho proteico. Duas regiões do espinho proteico do SARS-CoV-2, destacadas na figura acima, ressaltam a semelhança entre a sequência de aminoácidos da proteína do vírus em humanos (seta vermelha) e em morcegos e pangolins (setas azuis). Ainda, a região chamada de “domínio de ligação ao receptor” (do inglês receptor-binding domain), parte da estrutura proteica do espinho, liga-se ao receptor ACE2 na superfície de células humanas e facilita a infecção das células pelo vírus [Fonte: Modificado de Andersen et al. 2020. Nature].
Além disso, a região do espinho chamada de “domínio de ligação ao receptor” (Figura 2, “Receptor-binding domain”) é a parte do espinho responsável pela ligação do vírus ao receptor ACE2 presente na superfície de células humanas. É a ligação da proteína viral ao receptor ACE2 que permite que ele invada células humanas. Curiosamente, a sequência de aminoácidos do SARS-CoV-2 humano, quando comparado àquela de morcegos e pangolins, apresenta modificações que aumentam a afinidade dessa proteína ao receptor ACE2, sugerindo claramente que essa região é o resultado da seleção natural dessa proteína, tornando-a bastante eficaz na infecção de humanos.  Apesar de termos técnicas capazes de produzir em laboratório agentes infecciosos, tais como um novo vírus, não há qualquer evidência, na região analisada na Figura 2, ou no restante do genoma do vírus, que sugira manipulação genética intencional, visto que os produtos dessas técnicas laboratoriais podem ser facilmente identificados. Além disso, seria esperado que, se um novo vírus fosse criado intencionalmente, este seria criado a partir de sequências de outros vírus já sabidamente patogênicos, como o SARS-CoV e o MERSCoV, e não a partir de genes de pangolins ou morcegos, parcamente conhecidos em relação ao seu potencial patogênico em humanos. Assim, o conjunto de evidências que temos hoje aponta para a transferência zoonótica do SARS-CoV-2 para humanos a partir de um hospedeiro animal.

Não há nada de novo nessa ideia: vários outros vírus já largamente conhecidos, tais como o SARS-CoV e o MERSCoV, o HIV, o Ebola e o H1N1, são exemplos de vírus que tiveram origem em outros grupos animais e, como resultado de processos evolutivos, passaram a infectar o homem. E não pára por ai: a transferência zoonótica está também na origem do sarampo, da varíola, da dengue, da zika, da raiva, e de muitas outras doenças virais. Apesar de uma parte significativa das infecções zoonóticas estarem concentradas nos trópicos, a pandemia atual é um exemplo de como transferências zoonóticas, principalmente em um mundo tão interconectado, podem afetar o globo, com grande impacto na saúde pública, na economia, e na vida de todos nós. Vale ressaltar também que a emergência de novas doenças por transferência zoonótica está associada a intensificação da agricultura e a mudanças ambientais, ou seja, a intensificação da agricultura em várias partes do globo e o impacto ambiental gerado pela pressão de urbanização e pelas mudanças climáticas aumenta o risco de emergência de novas doenças por transferência zoonótica.

Certamente, esse não será o ultimo episódio em que teremos que enfrentar um novo vírus que, anteriormente infectando outros organismos, adquire a capacidade de infectar humanos. E volto, assim, à ideia importante que discuti no final do primeiro parágrafo: apenas com investimento sério em ciência poderemos compreender em detalhes a evolução viral tanto em humanos como em hospedeiros não-humanos. Estudando como os diferentes vírus evoluem em seus hospedeiros não-humanos poderemos, quem sabe um dia, antecipar os eventos de transmissão zoonótica, evitando, ou ao menos nos preparando melhor para pandemias como as que vivemos hoje. Investimento em ciência permite, também, entendermos os mecanismos de infecção viral, guiando o desenvolvimento de novas vacinas e novos tratamentos. Investimento em ciência nos ajuda também a entender como as modificações ambientais que impomos ao planeta interferem nos processos evolutivos, porventura facilitando o surgimento de novas doenças, ou reavivando doenças já erradicadas em determinadas regiões do globo. E, em um momento tão difícil quanto o que estamos vivendo, precisamos, cada um de nós, fazer a nossa parte e levar a sério o isolamento social. Estamos todos juntos no combate a COVID-19 e, quanto mais cedo seguirmos as recomendações dos cientistas, mais vidas serão salvas.

 

Ana Almeida

(Cal State University East Bay, CSUEB)

 

Para saber mais:

Ellwagner, J.E. & Chies, J.A.B. 2018. Zoonotic spillover and emerging viral diseases –time to intensify zoonoses surveillance in Brazil. The Brazillian Journal of Infeccious Disease, 22(1): 76-78.

Holmes, E.C. 2011. What does virus evolution tell us about virus origins? Journal of Virology, 85(11): 5247-5251.

Stated Clearly. 2020. Coronavirus disease (COVID-19). Youtube.

Tesini, B.L. 2020. Coronavírus e síndromes respiratórias agudas (COVID-19, MERS, e SARS). Ministério da Saúde.

World Health Organization. 2020. Coronavirus disease (COVID-19) pandemic. Último acesso em 22/03/2020.

 

Imagem de abertura: Micrografia eletrônica de partículas virais do SARS-CoV-2, causador da pandemia COVID-19 que vivemos hoje, emergindo de células cultivadas em laboratório, coletadas de um paciente nos EUA. Fonte: NIAID-RML, Wikipedia.

Um troca-troca danado de genes

Estudo recente sugere que a transferência horizontal de genes entre bactérias do solo e algas foi um passo importante na evolução das plantas terrestres.

Quando pensamos em transferência de genes frequentemente pensamos no que chamamos de transferência vertical: genes são passados de uma geração para a outra quando os filhos recebem genes dos pais. Esse é o caso clássico de reprodução sexuada, na qual os gametas materno e paterno, cada qual contendo a metade dos genes parentais, unem-se para a formação do zigoto. No entanto, quanto mais estudamos, mais encontramos evidências de transferência horizontal de genes em momentos cruciais da história evolutiva dos eucariontes. Transferência horizontal de genes é a passagem de material genético entre organismos não-descendentes. Ela frequentemente acontece entre organismos de espécies diferentes. O estudo da transferência horizontal de genes tem uma longa história. Esse fenômeno foi inicialmente descrito a partir dos experimentos de Griffith em 1928. Mas foi apenas em 1985 que as implicações evolutivas da transferência horizontal de genes começaram a ser mais amplamente discutidas.

Afinal de contas, qual a importância desse fenômeno para a evolução da vida na Terra? Um artigo publicado recentemente sugere que a transferência horizontal de genes pode estar relacionada a um importante passo na história evolutiva das plantas: a conquista do ambiente terrestre. Hoje, a importância das plantas terrestres para o vida na Terra é indiscutível: elas representam a maior parte da biomassa do planeta, contendo aproximadamente 500 bilhões de toneladas de carbono, mais de quatro vezes a quantidade presente em todos os outros organismos vivos combinados. Dentre as várias contribuições das primeiras plantas terrestres, estão a formação do solo e a modificação do clima, transformando a Terra em um ambiente mais propício para a sobrevivência de vários outros organismos terrestres. Uma boa introdução a esse temas está num vídeo produzido pela California Academy of Sciences, que apresenta a história da conquista do ambiente terrestre pelas plantas, assim como suas principais consequências.

a1
Figura 1 – Imagem de microscopia óptica das duas espécies de Zygnematophyceae cujos genomas foram sequenciados. (A) Spirogloea muscicola; (B) Mesotaenium endlicherianum. (Fonte: Modificado de Cheng et al. 2019, Cell).

Cientistas consideram que a conquista do ambiente terrestre pelas plantas ocorreu por volta de 450 milhões de anos atrás, a partir de um grupo de algas estreptófitas. Apesar de ainda não sabermos exatamente qual grupo de estreptófitas é mais proximamente aparentado às plantas terrestres, estudos apontam para as Zygnematophyceae. Curiosamente, apesar de muitas Zygnematophyceae serem estruturalmente simples, consistindo em células isoladas ou filamentos simples de células (Figura 1), algumas espécies habitam ambientes subaéreos/terrestres, ao invés do ambiente aquático da maioria das outras algas. Buscando entender a origem das plantas terrestres, cientistas sequenciaram o genoma de duas Zygnematophyceae de ambientes subaéreo/terrestres: Spirogloea muscicolaMesotaenium endlicherianum (Figura 1).

A partir da análise desses genomas, assim como da sua comparação com genomas de plantas terrestres, resultados interessantes foram alcançados.  Por exemplo, a partir da análise de 85 genes encontrados nas algas e plantas terrestres, as Zygnematophycea aparecem como a linhagem de algas mais proximamente relacionada às plantas terrestres (Figura 2a), possivelmente resolvendo uma longa disputa a respeito da ancestralidade dessas plantas. Além disso, os cientistas foram capazes de identificar no genoma das algas estudadas diversos genes fundamentais para a sobrevivência em ambiente terrestre, sugerindo que esse conjunto de genes já estava presente no ancestral das plantas terrestres e das Zygnematophyceae. O resultado da análise dos genomas sugere também algo surpreendente: alguns dos genes relacionados ao aumento da resistência a estresse biótico e abiótico em plantas terrestres (tais como GRAS e PYR/PYL/RCAR), a processos de desenvolvimento e a interações simbióticas foram adquiridos por meio de transferência horizontal de genes para o ancestral comum das Zygnematophyceae e das plantas terrestres , a partir de bactérias presentes no solo. A Figura 2b apresenta um exemplo de um dos genes adquiridos por transferência horizontal. Nessa figura, podemos observar que o gene GRAS de Zygnematophyceae e plantas terrestres é proximamente relacionado a genes GRAS do Grupo 1 de bactérias do solo, e bastante distinto dos genes GRAS do Grupo 2, presentes apenas em bactérias (Figura 2b).

 

a2
Figura 2 – (A) Árvore filogenética  representando as relações de parentesco entre as várias linhagens de algas e plantas terrestes (também chamadas de Embriófitas). Essa árvore foi construída a partir da análise de 85 genes presentes em algas e plantas terrestres e aponta para as Zygnematohyceae como grupo mais proximamente aparentado às plantas terrestres. (*) Indicam as duas espécies de Zygnematophyceae que tiveram seus genomas sequenciados. (B) Árvore do gene GRAS em bactérias, algas e plantas terrestres. Enquanto as bactérias possuem dois tipos de gene GRAS (Grupos 1 e 2), os genes GRAS em algas e plantas terrestres assemelham-se apenas aos genes GRAS do Grupo 1 de bactérias, particularmente bactérias do solo. A similaridade entre os genes desse grupo em bactérias do solo, algas e plantas terrestres sugere um evento de transferência  horizontal (HGT), no qual um gene GRAS do Grupo 1 de bactérias do solo foi adquirido pelo ancestral comum das Zygnematophyceae e plantas terrestres (Fonte: Modificado de Cheng et al. 2019, Cell).

Apesar de grande ênfase ter sido dada à transferência horizontal de genes entre bactérias, hoje sabemos que esse fenômeno pode acontecer entre qualquer um dos três domínios da vida (Archaea, Bacteria, Eukaryota), e em qualquer direção. Por exemplo, em 2008, A.M. Nendelcu e colaboradores descreveram a transferência horizontal de quatro genes relacionados a resposta ao estresse entre algas e coanoflagelados (ambos eucariontes) e, no ano anterior, pesquisadores descreveram a transferência de dois genes do citoesqueleto de eucariontes para cianobactérias. Os mecanismos de transmissão lateral de genes entre bactérias já foram amplamente estudados. Os três principais mecanismos são a transformação (aquisição de material genético diretamente do ambiente), a transdução (aquisição de material genético mediada por vírus) e a conjugação (transferência de material genético diretamente entre bactérias mediada por plasmídeos).  Conhecemos muito menos a respeito dos mecanismos de transferência lateral de genes entre eucariotos, ou entre eucariotos e outros domínios (Bacteria e Archaea). Esta é uma área bastante ativa de pesquisa.

O estudo do genoma das Zygnematophyceae fornece mais um exemplo dessa constante troca de genes entre organismos distantemente aparentados. Nesse caso, a troca de genes resultou em uma grande revolução na história da vida na Terra. A conquista do ambiente terrestre pelas plantas influenciou, sem dúvida, a evolução da vida no planeta. Sem essa troca o mundo provavelmente seria muito diferente do que conhecemos hoje. Sem essa transferência horizontal de genes, talvez nem mesmo existíssemos.

Ana Almeida

California State University East Bay (CSUEB)

 

Para saber mais:

Boto L. 2010. Horizontal gene transfer in evolution: facts and challenges. Proceedings of The Royal Society B 277: 819-827.

Ponce-Toledo R.I., López-García P., Moreira D. 2019. Horizontal and endosymbiotic gene transfer in early plastid evolution. New Phytologist 224: 618-624.

Schönknecht G., Weber A.P., Lercher M.J. 2014. Horizontal gene acquisitions by eukaryotes as drivers of adaptive evolution. BioEssays 36: 9-20.

A fonte da juventude

Cientistas apresentam terapia capaz de reverter o relógio biológico em nove voluntários saudáveis.

No início desse ano, li um livro intitulado “Juventude eterna, pra quem?”, escrito por uma amiga de longa data, Maria Falcão. A história começa no ano de 2112, e busca, através da ficção científica, discutir algumas das implicações da incansável busca humana pela juventude eterna. O livro narra as diferentes perspectivas dos personagens envolvidos em um experimento revolucionário: o implante de um chip capaz de parar o processo de envelhecimento, resultando assim na juventude eterna. Não vou entrar em mais detalhes da história, caso vocês se interessem pela leitura, mas uma pergunta inquietante que permeia o livro ficou comigo até hoje, ainda sem resposta: caso tivéssemos acesso a um dispositivo capaz de barrar o envelhecimento, tal qual o chip descrito no livro, o que eu faria? Optaria pela juventude eterna? Continue Lendo “A fonte da juventude”

Um verdadeiro ping-pong viral

Cientistas descrevem o adenovírus HAdV-B76, com capacidade sem precedentes de “pular” de uma espécie de primata para outra, incluindo a nossa.

Desde a sua descoberta no final do século XIX, os vírus provocaram intenso debate a respeito da sua classificação: afinal, os vírus são entidades vivas? Até hoje, cientistas se dividem na defesa de argumentos a favor ou contra a classificação dos vírus como entidades vivas, mas todos parecem concordar que, independente do seu ‘status’, os vírus são entidades fascinantes. Inertes fora da célula, uma vez dentro dela os vírus são capazes de cooptar o metabolismo celular e produzir milhares de novas partículas virais em poucas horas.  

Vírus são extremamente pequenos  e estão, em geral, abaixo da capacidade de resolução do microscópico óptico. A despeito do seu tamanho minúsculo, são capazes de infectar organismos de todos os Domínios da vida (Archaea, Eubacteria e Eukaria), desde bactérias até seres humanos (Figura 2), e são causadores das mais diversas doenças em seus hospedeiros. Apesar de já termos conhecimento da existência de vírus gigantes de estrutura mais complexa, a estrutura viral é, em geral, simples: os vírus são compostos por material genético (DNA ou RNA) envolto por uma cápsula de proteínas, o capsídeo viral. Além disso, em muitos vírus o capsídeo é envolto por um envelope formado por uma bicamada lipídica derivada da célula hospedeira.

Figura 2. Bacteriófago, primeiro virus descrito, no início do século XX, por Federik Twort (1915) e Félix D’Herelle (1917). Os bacteriófagos, ou simplesmente fagos, são virus que infectam exclusivamente bactérias. (Fonte: Hans-Wolfgang Ackermann, Wikipedia. [CC BY 2.5.] )

Quando falamos de vírus, no entanto, não estamos falando de um grupo homogêneo de entidades. Em 2018, o Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus (ICTV) reconheceu 4.958 espécies de vírus, organizadas em 143 Famílias e 14 Ordens, apesar de estimativas do números de espécies virais chegar a quase 200.000 só nos oceanos. Apesar da existência de uma multiplicidade de classificações, uma das mais largamente utilizadas é a Classificação de Baltimore, inicialmente proposta em 1971, com base no genoma e no modo de replicação do DNA viral. Esse sistema agrupa os vírus em sete classes, I a VII, conforme a Figura 3.

Figura 3. Classificação de Baltimore. As sete classes (I-VII), propostas por David Baltimore, levam em consideração o material genético viral assim como o seu modo de replicação. (Fonte: Thomas Splettstoesser, Wikipedia/www.scistyle.com, [CC BY-SA 3.0]).

Os vírus adentram a célula hospedeira por meio do reconhecimento de, e acoplamento a, receptores na superfície celular.  Assim, um dos mecanismos propostos para a capacidade dos vírus em “pular” de uma linhagem de hospedeiro para outra baseia-se no grau de conservação desses receptores celulares ao longo da evolução. Quanto mais conservados os receptores, maiores as chances de um vírus “saltar” de uma linhagem a outra. Sabemos, por exemplo, que dos 219 vírus capazes de infectar humanos, mais de um-terço é também capaz de infectar hospedeiros não-humanos, principalmente outras espécies de mamíferos e aves. Além disso, muitos vírus exclusivos de seres humanos tiveram origens em outras espécies de mamíferos ou aves.

Um exemplo relativamente recente de infecção entre linhagens é o Vírus da Imunodeficiência Humana (HIV), causador da Síndrome da Imunodeficiência Humana Adquirida (AIDS). Até hoje, mais de quarenta espécies de primatas são susceptíveis ao Vírus da Imunodeficiência Símea (SIV), considerado precursor em macacos, do HIV. Humanos são hospedeiros de dois tipos principais de HIV, o HIV-1 e o HIV-2. O HIV-1 é geralmente agrupado em quatro linhagens, M, N, O e P, sendo cada uma o resultado de um evento independente de infecção trans-específica de chimpanzés para o homem. Dentre as linhagens de HIV-1, o grupo M é, sem sobra de dúvidas, o mais prevalente, infectando milhões de pessoas em todo o mundo. Por sua vez, o HIV-2, desde a sua descoberta, manteve-se restrito ao Oeste da África. Mais brando em suas manifestações clínicas, e dificilmente resultando em AIDS, o HIV-2 produz quadro semelhante ao HIV-1 em pacientes susceptíveis. O HIV-2 tem sido agrupado em, pelo menos, oito linhagens de A a H, cada uma representando um evento independente de infecção trans-específica do Cercobeus atys para o homem.

Essa semana, um artigo publicado no Journal of Virology descreveu um fato surpreendente: a sequência do genoma de um adenovírus, patogênico ao homem, apresentou sinais de infecção trans-específica, tanto em humanos como também em chimpanzés e bonobos. Adenovírus são vírus de genoma de DNA de fita dupla (dsDNA), não envelopados, incluídos na Classe I (Figura 3). Os mais de 50 sorotipos já identificados, classificados de A a G, são responsáveis por diversas doenças em humanos e outros mamíferos, incluindo infecções do trato gastrointestinal, conjuntivite, assim como infecções do trato respiratório e até infecções de múltiplos órgãos em pacientes com sistema imune enfraquecido.

O adenovírus, descrito no artigo em questão, se trata do tipo HAdV-B76, associado a um caso de óbito por infecção respiratória em 1965 e apresentando genoma quase idêntico a dois outros adenovírus símios, recentemente isolados em chimpanzé (SAdV-B35.1) e bonobo (SAdV-B35.2). Análise detalhada do genoma do HAdV-B76 sugeriu também que se trata de um vírus recombinante, ou seja, é o resultado da união de dois outros tipos de vírus símios, o SAdV-B16, e o SAdV-B21 (Figura 4).

Figura 4. Árvore filogenética com base na sequência completa do genoma de diversos adenovírus. Os principais tipos de adenovirus humanos  e símios estão identificados e sua posição filogenética ressaltada por meio das diferentes cores. A seta Vermelha aponta para a posição do HAdV-B76 e a sua próxima relação aos adenovírus símios SAdV-B35.1 e 35.2. (Fonte: Modificado de Dehghan et al. 2019).

Esses achados apontam para ao menos dois mecanismos de evolução viral: a recombinação e a infecção trans-específica. No caso específico do HAdV-B76, os dados sugerem que a evolução desse vírus é pontuada pelos dois mecanismos. Além disso, a origem do HAdV-B76 parece resultar de um verdadeiro “ping-pong viral”: não apenas resultante de múltiplos eventos de zoonose, quando os adenovírus símios foram capazes de cruzar a barreira específica e infectar humanos, como de antroponose, quando os adenovírus humanos foram capazes de infectar símios. Os autores sugerem que esse “ping-pong viral” pode ser um novo mecanismo de evolução viral, potencialmente resultando na origem de novos tipos virais, com potencial de causar doenças em humanos.

Assim como no ping-pong, a rapidez com que a bola vai de um lado a outro e a destreza dos jogadores em responder prontamente aos ataques do oponente parecem determinar o ganhador, e a semelhança dos adenovírus a uma bolinha de ping-pong (Figura 1) parece quase uma brincadeira de mal-gosto. No caso do HAdV-B76, a capacidade sem precedentes de saltar, de uma linhagem de primatas a outra, tão rapidamente, parece ser a chave do sucesso evolutivo desses vírus. Ainda é cedo para saber se haverão vencedores nessa partida, mas uma coisa surpreende: a agilidade desses vírus é algo novo para nós. Conseguiremos um contra-ataque à altura? Fica a questão.

Ana Almeida

California State University East Bay (CSUEB)

Para saber mais:

Davison AJ, Benko M, Harrach B. 2003. Genetic content and evolution of adenoviruses. Journal of General Virology 84: 2895-2908.

El-Hani CN. 2000. O que é vida? Para entender a biologia do século XXI. Relume Dumara.

Koonin EV, Dolja VV, Krupovic M. 2015. Origins and evolution of viruses of eukaryotes: The ultimate modularity. Virology 479: 2-25.

Wollhouse M, Scott F, Hudson Z, Howey R, Chase-Topping M. 2012. Human viruses: discovery and emergence. Phil Trans Royal Soc B 367: 2864-2871.

Figura 1. Micrografia eletrônica de transmissão de um adenovírus. (Fonte:  William Gary Jr., Wikipedia [Domínio Público]).

Simbiontes, ávores, decomposicão e mudanças climáticas: Associações invisíveis e o futuro das florestas

Cientistas publicam mapa da distribuição global de simbiontes de espécies arbóreas e revelam que as taxas de decomposição estão entre os principais fatores que controlam dessa distribuição.

Como já dizia o ditado, o que os olhos não vêem, o coração não sente. Talvez por isso o “mundo subterrâneo” seja ainda tão pouco estudado. Mas, a diversidade de vida “escondida” no solo é impressionante: ela representa aproximadamente ¼ de toda a vida do planeta, e sabemos ainda muito pouco sobre ela. Conhecemos apenas algo em torno de 1% dos microorganismos presentes no solo. No entanto, há mais de duas décadas, sabemos que a saúde dos solos e da biodiversidade ali presente é fundamental para o funcionamento adequado dos ecossistemas terrestres (veja aqui um outro post do Darwinianas onde discuto a importância dos solos para os ecossistemas terrestres). A biodiversidade do solo participa de processos essenciais como a decomposição de matéria orgânica e a ciclagem de nutrientes, a fertilidade e a disponibilidade de água. Continue Lendo “Simbiontes, ávores, decomposicão e mudanças climáticas: Associações invisíveis e o futuro das florestas”

Uma nova luz sobre o papel da serotonina na herança

Cientistas descobrem que a serotonina está diretamente envolvida em mudanças epigenéticas no DNA, abrindo novos caminhos para o entendimento da relação entre DNA, o comportamento humano, e transtornos psiquiátricos.

Uma das coisas mais fascinantes, para mim, é pensar que dentro da maioria das nossas células, precisamente dentro do núcleo das nossas células diploides, possuímos aproximadamente 2 metros de DNA. Se considerarmos que o corpo humano possui uma média de 50 trilhões de células, cada um(a) de nós carrega diariamente algo em torno de 100 trilhões de metros de DNA, o equivalente a 300 vezes a distância entre a Terra e o Sol, ou a 2,5 milhões de voltas ao redor do globo! Ainda mais interessante é pensar que, em mamíferos, o tamanho do núcleo varia entre 11 e 22µm (um µm é um milionésimo do metro). Como é possível colocarmos tanto DNA dentro de estruturas tão pequenas como o núcleo celular?

A principal estratégia que evoluiu em nossas células para compactar os 2 metros de DNA dentro do núcleo é enrolá-lo em proteínas, e as principais proteínas utilizadas por células nucleadas, tais como as nossas, são as histonas. Pares de histonas H2A, H2B, H3 e H4 se unem para formar o cerne da estrutura primária de compactação do nosso DNA, o nucleossoma (Figura 1). O DNA dá aproximadamente duas voltas em torno desse conjunto de histonas, e cada núcleo possui centenas de milhares de nucleossomas. Essa é apenas a primeira etapa de compactação do DNA dentro do núcleo celular. Veja aqui mais detalhes a respeito de outras estratégias que evoluíram em nossas células para compactar o DNA.

ana2.png
Figura 1 – Estrutura do nucleossoma. Histonas H2A, H2B, H3 e H4 compõe o centro do nucleossomo, ao redor do qual o DNA dá duas voltas. [Fonte: Modificado de Richard Wheeler (Zephyris) – English Wikipedia, CC BY-SA 3.0].
Mas as histonas não estão apenas no cerne dos nossos nucleossomas. Desde o início da década de 1950, a íntima relação das histonas com o DNA sugeriu um papel importante  dessas proteínas na modificação de certas propriedades do DNA. Quatorze anos mais tarde, Allfrey e colaboradores sugeriram pela primeira vez que modificações químicas das histonas, como acetilação e metilação, eram possíveis mecanismos pelos quais essas proteínas influenciavam propriedades do DNA, facilitando ou interferindo no acesso ao DNA pela maquinaria celular. Hoje sabemos que essas proteínas são importantes componentes dos mecanismos envolvidos no que chamamos de herança epigenética. Herança epigenética é qualquer herança que não envolve mudanças na sequência de nucleotídeos do DNA, e sim na forma como o organismo utiliza a informação genética ali presente. Na herança epigenética herdamos padrões de expressão gênica. Isso explica, por exemplo, como a partir do mesmo DNA presente em todas as nossas células, produzimos os mais de 200 tipos celulares distintos que compõem o nosso corpo.

Hoje conhecemos diversos mecanismos de herança epigenética, dentre os quais a modificação das histonas é um dos principais. Nas últimas décadas, começamos a entender o papel desses mecanismos na saúde e na doença. Por exemplo, hoje sabemos que a desregulação epigenética é uma característica comum em vários tipos de câncer, e a possibilidade de modificar os padrões de herança epigenética abre novas oportunidades de tratamento. Sabemos também que alterações epigenéticas estão ligadas ao envelhecimento, a doenças neurodegenerativas e a diabetes, dentre outras doenças.

Um aspecto bastante curioso dos mecanismos de herança epigenética é que eles sofrem influência dos hábitos de vida do organismo. Ou seja, a epigenética provê uma ligação entre os estímulos ambientais aos quais estamos expostos no nosso dia-a-dia e alterações nos padrões de expressão gênica. Um exemplo interessante dessa ligação é a relação entre dieta e longevidade. Hoje acreditamos que a epigenética pode explicar a relação entre o que comemos e o quanto vivemos. Ainda mais curioso é saber que essas alterações epigenéticas podem ser herdadas, mesmo após a remoção do estímulo inicial. Por exemplo, estudos em camundongos sugerem que o condicionamento ao medo, aprendido pelos pais, é herdado na geração seguinte, e a herança desse comportamento aprendido é mediada por modificações nas histonas.

Conhecemos hoje um número significativo de modificações químicas das histonas que influenciam os padrões de expressão gênica, dentre as quais as principais ainda são a metilação e a acetilação. Mas essa semana diversos pesquisadores revelaram uma nova classe de modificações: a serotonilação de histonas, ou seja, a ligação direta entre a serotonina e as histonas. A serotonina é uma molécula fundamental para o funcionamento do sistema nervoso e participa de diversos processos como inibição de comportamentos agressivos, regulação do sono e do apetite. Por muito tempo, a ideia de que a desregulação dos níveis de serotonina estava diretamente ligada a transtornos psiquiátricos, como depressão e ansiedade, foi amplamente aceita pela comunidade médica. No entanto, a relação entre serotonina, depressão e ansiedade não está ainda completamente esclarecida, embora seja inegável que o uso de inibidores seletivos de recaptação de serotonina foi um grande avanço no tratamento desses transtornos. A descoberta de que a serotonina está diretamente envolvida em modificações epigenéticas que resultam em mudanças na utilização do DNA pelas nossas células pode ser a peça que faltava para esse enigma.

A participação da serotonina em mecanismos de herança epigenética não é um fato novo. Já sabemos, por exemplo, que a serotonina é capaz de ativar cascatas de sinalização, mediante ativação do receptor de serotonina, que resultam na remodelação da cromatina, um dos principais mecanismos de herança epigenética (Figura 2a). Serotonilação de proteínas também não é, por si só, um fenômeno novo. Já sabíamos que a serotonina é capaz de se ligar a outras proteínas celulares, alterando o seu funcionamento. Mas essa é a primeira vez que temos evidência de que a serotonina se liga diretamente a histonas, modificando a interação dessas proteínas com o DNA e influenciando os padrões de expressão gênica (Figura 2b). Essa interação ocorre mediante o trânsito de serotonina para o núcleo celular, onde se liga diretamente a histonas (seta, Figura 2b).

ana3.png
Figura 2 – Papel da serotonina nos mecanismos epigenéticos de (a) remodelação da cromatina e (b) serotonilação de histonas. [Fonte: Modificado de Cervantes & Sassone-Corsi, Nature 2019.
O padrão específico de serotonilação de histonas estudado pelos pesquisadores é observado, de maneira mais significativa, no cérebro e no intestino, dois dos principais órgãos de produção de serotonina no corpo. Os experimentos realizados sugerem também que a serotonilação de histonas leva a um aumento da expressão gênica nas regiões serotoniladas do DNA e que células com histonas mutantes, incapazes de sofrer serotonilação, apresentam padrões distintos de expressão gênica, que resultam em anormalidades na diferenciação celular.

Sem dúvida, ainda temos muito o que aprender a respeito dos mecanismos de herança epigenética e as implicações dessa herança para os processos de saúde e doença. A descoberta da serotonilação de histonas é apenas um exemplo do quanto ainda temos a pesquisar, e quão pouco ainda sabemos sobre a relação entre o nosso comportamento, nossas emoções e modificações epigenéticas.

Como nossas dietas e modos de vida influenciam essa forma de “marcar” o DNA? Como o nosso humor pode influenciar essas “marcações” e como isso pode influenciar o comportamento dos nossos filhos? Qual o papel da serotonilação de histonas nas doenças psiquiátricas? Teremos, agora, uma nova via de tratamento desses transtornos? Que outros efeitos a serotonilação de histonas possui no nosso metabolismo?  Enquanto não temos respostas a todas essas perguntas, sejamos prudentes: tenhamos menos medo e sejamos mais felizes. Talvez assim possamos influenciar positivamente (e epigeneticamente) as futuras gerações!

Ana Almeida

(California State University East Bay)

 

Para saber mais:

Carhart-Harris RL, Nutt DJ. 2017. Serotonin and brain function: a tale of two receptors. J. of Phychopharmacology, 31(9): 1091-1120.

Lacal I, Ventura R. 2018. Epigenetic Inheritance: Concepts, Mechanisms, and Perspectives. Frontiers in Molecular Neuroscience, doi: 10.3389/fnmol.2018.00292.

Lind MI, Spagopoulou F. 2018. Evolutionary consequences of epigenetic inheritance. Heredity, 121: 205-209.

Romanowska J, Joshi A. 2019. From Genotype to Phenotype: Through Chromatin. Genes, 10(2): 76.

Imagem de abertura: AndreaAP96. Wikipedia, CC-BY-SA-4.0.

De pai para filhos

Cientistas descrevem um fenômeno raro em humanos: a herança de mitocôndrias da linhagem paterna. Esse fenômeno pode ter inúmeras consequências para a medicina e para o nosso entendimento da evolução humana.

Mitocôndrias são importantes organelas encontradas em praticamente todas as células eucarióticas. Veja aqui um post do Darwinianas que discute uma exceção. Considerada em muitos livros didáticos como a “usina” da célula, é na mitocôndria que se dá a maior parte da produção de energia, resultante em larga escala dos processos de respiração celular.  A explicação mais amplamente aceita a respeito da origem e evolução das mitocôndrias, apresentada pela Teoria da Endossimbiose, é a de que essas organelas, assim como os cloroplastos, tiveram origem de bactérias simbiontes. Mitocôndrias são fascinantes: elas possuem DNA próprio muito semelhante ao DNA das bactérias, são capazes de se duplicar e possuem metabolismo largamente independente do metabolismo celular, principalmente no que se refere à produção de proteínas. E isso tudo acontece continuamente dentro de cada uma das nossas células!

O número de mitocôndrias em uma célula eucariótica varia enormemente e é dependente de vários fatores como o tipo de tecido, estágio do ciclo celular, fases do desenvolvimento, ou resposta a estresse. Em média, uma célula eucariótica pode possuir centenas ou até milhares de mitocôndrias. Em humanos, uma célula hepática pode ter até duas mil mitocôndrias, representando 1/5 do volume celular. Na grande maioria dos casos, todas as mitocôndrias de uma mesma célula possuem cópias idênticas, ou quase idênticas, do mesmo DNA mitocondrial, herdado inicialmente da mitocôndria materna, fenômeno chamado de homoplasmia. Em última análise, todos nós estamos evolutivamente conectados, por meio da linhagem materna de DNA mitocondrial que remonta aos primórdios da humanidade, ideia sintetizada na expressão Eva Mitocondrial. Com base nessa ideia, o genoma mitocondrial tem sido amplamente utilizado para compreendermos a origem e evolução humana, assim como os padrões de migração das populações ao longo dos tempos.

Em mamíferos, com raras exceções, a herança de mitocôndrias se dá a partir da linhagem materna. Ou seja, assim como ocorre em cães e gatos, herdamos mitocôndrias das nossas mães. Mas, essa não é a regra em outros grupos. Herança mitocondrial bi-parental acontece em cogumelos e leveduras, enquanto herança paternal acontece em plantas. Evolutivamente, no entanto, a herança bi-parental de mitocôndrias, que resulta em um fenômeno chamado de heteroplasmia, no qual populações distintas de mitocôndrias coexistem na mesma célula, parece não ser vantajosa. Apesar de não termos ainda uma boa explicação para esse fenômeno, estudos em camundongos sugerem que heteroplasmia leva a um possível conflito entre mitocôndrias distintas em uma mesma célula, particularmente em relação à eficiência na produção de energia. Em camundongos, heteroplasmia resulta em comprometimentos fisiológicos, cognitivos e comportamentais, o que pode, ao menos em parte, explicar a prevalência da herança uni-parental em mamíferos.

Durante a fertilização em mamíferos, mitocôndrias presentes no espermatozoide paterno penetram o óvulo materno. No entanto, o DNA mitocondrial paterno, ou em alguns casos as próprias mitocôndrias paternas, é rapidamente degradado. Em animais, diversos mecanismos de degradação já foram descritos. Em mamíferos, a degradação das mitocôndrias paternas depende do correto funcionamento de lisossomos ou de proteassomas, ambos altamente dependentes do DNA nuclear. Dessa forma, mutações em genes nucleares podem resultar em  casos de heteroplasmia.

No entanto, na grande maioria dos casos até hoje descritos, heteroplasmia em humanos resulta não da herança de mitocôndrias paternas, mas de mutações pontuais no DNA mitocondrial da linhagem materna, fenômeno conhecido como ‘maldição materna’ (do inglês “mother’s curse”). Assim como em camundongos, heteroplasmia em humanos está fortemente associada a doenças mitocondriais, nas quais o funcionamento da mitocôndria está comprometido. A maioria dessas doenças resulta em comprometimento fisiológico severo, ou até mesmo inviabilidade do embrião, e mulheres com altas taxas de mutações no DNA mitocondrial têm alta probabilidade de aborto ou de terem filhos com essas doenças.

Doenças mitocondriais são um grande desafio para a medicina. Diversos tipos de terapia de substituição ou transferência de mitocôndria vêm sendo desenvolvidos, mas os avanços dessas abordagens são ainda bastante recentes. O primeiro caso de sucesso de terapia de substituição de mitocôndrias foi descrito em 2016, no qual um bebê foi gerado a partir da contribuição tri-parental.

Esta semana, um estudo publicado na PNAS  apresentou dados intrigantes que podem levar a uma nova compreensão da heteroplasmia em humanos. Luo e colaboradores descreveram, a partir de dados de sequenciamento do DNA mitocondrial completo, casos de herança mitocondrial bi-parental em 17 indivíduos de três famílias não-aparentadas. Até hoje, sabíamos apenas de um outro caso de herança paterna de mitocôndrias em humanos, descrito em apenas um indivíduo. Este é, portanto, o primeiro estudo de herança bi-parental conduzido em famílias. O que é ainda mais surpreendente é que alguns desses indivíduos que apresentam herança bi-parental não apresentam qualquer sintoma, contrariando a ideia de que heteroplasmia é necessariamente disfuncional em humanos.

Os autores propõem que a herança bi-parental descrita nessas famílias é resultante de mutações no DNA nuclear desse indivíduos, interferindo na eliminação da mitocôndria paterna. No entanto, a busca pelos fatores genéticos que contribuem para heteroplasmia resultante de herança bi-parental ainda continua, pois os mecanismos envolvidos nesse processo ainda não foram completamente desvendados.  É curioso notar também que, na grande parte dos casos estudados até hoje, o sequenciamento do DNA mitocondrial é motivado por situações nas quais os indivíduos são afetados por doenças mitocondriais. Portanto, sabemos ainda muito pouco a respeito do DNA mitocondrial de pessoas normais. Sem dúvida, necessitamos de mais estudos para compreendermos a prevalência desse fenômeno na população e a sua relação com as doenças mitocondriais.

Entender os mecanismos que levam à heteroplasmia em humanos pode nos auxiliar no desenvolvimento de tratamentos que eliminem por completo a necessidade de terapia de transferência ou reposição mitocondrial, por exemplo. O estudo de casos de indivíduos heteroplásticos normais pode levar a um novo entendimento das relações entre o DNA mitocondrial e nuclear, assim como da interação entre mitocôndrias distintas em uma mesma célula. Mas, além das diversas possibilidades de aplicação desse conhecimento na cura de doenças mitocondriais, esse estudo pode ter implicações talvez ainda mais profundas. Se a heteroplasmia em humanos for mais prevalente do que inicialmente estimado, talvez precisemos revisar, ao menos em parte, a história evolutiva da nossa própria espécie, que baseia-se largamente no pressuposto da herança mitocondrial materna exclusiva.

Os resultados apresentados por Luo e colaboradores desafiam duas ideias largamente aceitas na comunidade cientifica: a maldição materna e a Eva mitocondrial. E para a ciência, o desafio de ideias historicamente estabelecidas é um momento de grande entusiasmo. Estudos futuros podem  resultar na necessidade de reinterpretação de ideias há muito consolidadas, abrindo novas vias de pesquisa e desenvolvimento até então não exploradas. Essas transformações podem resultar em uma mudança paradigmática do conhecimento científico vigente, o que Thomas Kuhn chamou de ‘revolução científica’. E, no caso da herança mitocondrial, essa revolução ‘vem de dentro’, de dentro de cada uma das nossas células.

Ana Almeida

California State University East Bay (CSUEB)

 

Para saber mais:

Barr, C.M.; Neiman, M.; Taylor, D.R. 2005. Inheritance and recombination of mitochondrial genomes in plants, fungi, and animals. The New Phytologist, 168(1): 39-50.

Bromham, L. et al. 2003. Mitochondrial Steve: paternal inheritance of mitochondria in humans. Trends in Ecology and Evolution, 18(1): 2-4.

Connallon, T. et al. 2017. Coadaptation of mitochondrial and nuclear genes, and the cost of mother’s curse. Proceedings of the Royal Society B, 285: 20172257.

Herst, P.M. et al. 2017. Functional mitochondria in health and disease. Frontiers in Endocrinology, 8(296): 1-16.

Tuppen, H.A.L, et al. 2010. Mitochondrial DNA mutations and human disease. Biochimica et Biophysica Acta, 1797: 113–128.

Figura – Eletromicrografia de mitocôndrias no tecido pulmonar de mamífero. Fonte: Wikipedia, Louisa Haward.