Quando a evolução e a medicina se encontram

Populações africanas são as mais geneticamente variáveis do mundo. Infelizmente, essa alta variabilidade pode representar um problema para os indivíduos com ancestralidade africana, na hora em que eles precisarem encontrar um doador de medula óssea.

Todas as populações humanas são variáveis, pois os indivíduos diferem uns dos outros em seus genomas. Porém, a quantidade de variação genética não é a mesma em todas populações. Há algum tempo já se sabe que populações africanas são aquelas que possuem a maior variabilidade. Isso significa que os indivíduos africanos são, em média, mais diferentes uns dos outros do que aqueles de outras regiões. Consequentemente na África cada gene ocorre em mais “versões” (ou alelos) diferentes. Neste post vou apresentar uma ideia originalmente publicada por Noah Rosenberg e Jonathan Kang num artigo que mostrava que as diferenças nos níveis de diversidade genética têm implicações para além das questões acadêmicas, influenciando assuntos de relevância social.

Primeiro, cabe perguntar: o que determina a diversidade genética de populações humanas? Hoje em dia temos uma boa hipótese para explicar a distribuição mundial da variabilidade.  Com base em achados fósseis, estudos arqueológicos e análises genéticas, temos evidências de que nossa espécie se originou na África, e de lá se dispersou para o restante do globo. O êxodo da África teve como primeira parada o oriente médio, com subsequentes ocupações da Europa e da Ásia. A partir de lá, populações ocuparam regiões do Sudeste Pacífico, o Nordeste Asiático e finalmente a América.

Esses deslocamentos deixaram uma marca na variação genética de populações, pois quando populações saem de uma localidade e ocupam um novo território, apenas um subconjunto dos indivíduos se desloca para o novo local. Assim, parte da diversidade genética é perdida quando um novo território é ocupado. Isso explica porque a diversidade é maior na África, e torna-se progressivamente menor em populações mais distantes, que ocupam lugares longe da África, e cuja ocupação dependeu de sucessivas rodadas de deslocamentos populacionais. As populações menos variáveis do mundo estão na América, pois são aquelas que se originaram pela maior sucessão de migrações desde a África (Figura 1).

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Figura 1. Os círculos grandes representam populações e os pequenos círculos coloridos representam variantes genéticas. As setas indicam a direção de eventos de migração. Repare que à medida que populações se dispersam, ocupando novos territórios, parte da variação genética existente é perdida. Assim, populações que ocupam regiões mais remotas apresentam menos diversidade genética (veja a América, por exemplo).Figura de Rosenberg e Kang (2015).
Da diversidade à compatibilidade

Esse achado genético tem implicações para questões biomédicas. Para certas doenças humanas, incluindo vários tipos de câncer, o transplante de  medula óssea é uma solução. A medula óssea contém células que são capazes de produzir novas células sanguíneas. As células com esse potencial são chamadas de “células-tronco hematopoiéticas”. O transplante de medula consiste em transferir as células de um indivíduo saudável para um que possui alguma doença ou limitação na produção de células sanguíneas. Para que o transplante tenha sucesso, é necessário que as células de hospedeiro e do doador sejam semelhantes do ponto de vista imunológico (ou “compatíveis”), o que evita que o tecido transplantado seja rejeitado.

A compatibilidade imunológica é particularmente importante para um conjunto de proteínas envolvidas na resposta imune, chamadas de proteínas HLA. Havendo diferenças entre paciente e doador para os genes que codificam proteínas HLA, há imensas chances de o tecido transplantado ser rejeitado, ou de haver sérias complicações após o procedimento. Por causa disso, no processo de triagem de possíveis doadores, quatro genes HLA são cuidadosamente investigados, e o transplante ideal é aquele entre indivíduos idênticos para esses genes.

Não é fácil encontrar um doador e um receptor idênticos. São 4 genes que precisam ser iguais entre eles, e para cada gene todo nós carregamos dois alelos, um que herdamos de nossas mães e outro de nossos pais. Assim, deve haver uma correspondência perfeita entre genótipos formados por 10 alelos. Como há literalmente milhares de alelos para cada um dos genes HLA, a chance de se encontrar um doador idêntico em todos os genes ao paciente torna-se muito baixa. É por essa razão que a primeira opção para buscar doadores são os familiares do paciente: como eles compartilham ancestrais em comum, aumenta a chance de haver compartilhamento de alelos. Mas, caso não exista um doador apropriado entre os familiares, torna-se necessário procurar um doador não aparentado. É aí que entram os Registros de Doadores de Medula Óssea: grandes bases de dados com informações sobre o HLA de até milhões de doadores.

No Brasil o REDOME (Registro de Doadores de Medula Óssea) possui mais de 4 milhões de doadores registrados. Já no Estados Unidos o NMPD (National Marrow Donor Program) mantém o registro chamado “be the match”, com 16 milhões de doadores registrados. É nesses bancos que um paciente busca doadores com a combinação de genes HLA idêntica à sua. Quando há um doador compatível, ele é contactado para que as células hematopoiéticas sejam extraídas e o transplante realizado.

E é aqui que as questões de diversidade genética e de transplantes se encontram. Uma suspeita originalmente levantada por pesquisadores com base em modelagem de dados era a de que indivíduos de populações com muita diversidade genética teriam mais dificuldade em encontrar doadores. A lógica é relativamente simples: se na África há mais diversidade genética, cada indivíduo com ancestralidade africana poderá ter um de muitos tipos de genótipo HLA, dificultando que se encontre um doador idêntico a ele. Já em populações europeias há menos variação, e consequentemente há mais indivíduos geneticamente semelhantes. Isso aumenta a chance de se encontrar um doador apropriado. Assim, a maior diversidade genética em genes HLA de africanos pode potencialmente dificultar as chances de eles encontrarem doadores. A análise de dados do registro de doadores norte- americano, ilustrada na Figura 2, deixa clara essa dificuldade. Indivíduos norte-americanos que se identificam como “afro-americanos” tem têm uma chance de apenas 66% de encontrar um doador compatível em 7 entre 8 alelos HLA. Já um europeu tem 97% de encontrar alguém com esse nível de compatibilidade.

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Figura 2. As chances de encontrar um doador diferem dependendo da ancestralidade. Em verde está indicada a chance de um indivíduo encontrar um doador compatível (com 7 dos 8 alelos idênticos), em azul a chance dele não encontrar um doador. Os dados são para o registro de doadores dos Estados Unidos. A chance de encontrar doadores compatíveis é muito mais baixa entre africanos (http://blackbonemarrow.com/why-race-matters/).

E não é só a maior diversidade genética entre africanos que dificulta suas chances de realizar um transplante. Entre afro-descendentes nos Estados Unidos, a chance de localizar o potencial doador compatível é reduzida em relação àquela para europeus, assim como a chance de o possível doador estar em boa saúde, viabilizando o transplante. Esses fatores, não surpreendentemente, parecem resultar de diferenças na renda entre indivíduos de ancestralidade europeia e africana.

Diante desse quadro, o que fazer? Nos estados Unidos, grupos já se organizaram para divulgar entre afro-americanos a necessidade de aumentar o recrutamento para o registro de doadores, de modo dirigido a essa parcela da população. E no Brasil, onde estamos? No momento ainda estamos diagnosticando a magnitude do problema, realizando os primeiros estudos para avaliar se há diferença entre brasileiros com maior e menor ancestralidade africana na hora de encontrar um doador compatível. Esse é um trabalho que está sendo desenvolvido na USP, liderado pela pós-doutoranda Kelly Nunes.

Esse exemplo ilustra a interação entre aspectos aparentemente muito distintos de uma população: a sua diversidade genética, fatores sociais que influenciam o recrutamento, saúde e disponibilidade de doadores, e o consequente impacto desses fatores sobre a chance de um transplante ser realizado com sucesso. O conhecimento a respeito de um processo evolutivo, que resulta na perda de variantes genéticas à medida que populações migram, tem relevância direta para o planejamento de uma área de saúde pública. A diversidade genética das populações carrega uma marca de sua história evolutiva mas também influencia características socialmente relevantes, às quais precisamos ficar atentos.

Diogo Meyer (USP)

Para saber mais:

Noah A. Rosenberg and Jonathan T. L. Kang . 2015. Genetic Diversity and Societally Important Disparities GENETICS September 1, 2015 vol. 201 no. 1 1-12

Bergstrom T.C., Garratt R. J., Sheehan-Connor D., 2012 Stem cell donor matching for patients of mixed race. B.E.J. Econ. Anal. Policy 12: 30.

Prugnolle F., Manica A., Balloux F., 2005 Geography predicts neutral genetic diversity of human populations. Curr. Biol. 15: R159–R160.

A doce vida na colônia

Animais frequentemente apresentam algum nível de organização social, formando desde casais e famílias, até todos os coletivos que estudamos na escola primária: cardume, bando, alcateia, matilha, manada, etc. O nível mais derivado de organização social é chamado de eusocial e também tem alguns coletivos:  colmeias, para abelhas, e colônias, para formigas.  A principal característica das eusociedades é a separação entre indivíduos reprodutores, como as abelhas e formigas rainhas, e indivíduos estéreis, como as abelhas operárias e as formigas soldados.

Abelhas, formigas e marimbondos são insetos himenópteros que se tornaram eusociais independentemente. Eles evoluíram de ancestrais similares a vespas solitárias que, ao contrário da maioria dos insetos, cuidavam e alimentavam suas crias em ninhos. O primeiro passo evolutivo teria sido a manutenção de mais de uma geração de adultos no ninho, alguns colocando ovos e outros ajudando a criar as larvas. Esta organização ainda está presente em várias espécies de himenópteros. A eusocialidade teria evoluído quando a maturação sexual das gerações mais jovens foi reprimida, cabendo a um único indivíduo produzir todos os ovos.

Há muitos anos os pesquisadores sabem que a quantidade e qualidade da comida têm um papel importante na divisão entre reprodutores e estéreis. Larvas de abelhas alimentadas com geleia-real, por exemplo, se tornam abelhas rainhas. Mas quais são os mecanismos fisiológicos e moleculares que regulam a diferenciação?

Cientistas trabalhando nos Estados Unidos e na Alemanha compararam todos os genes expressados nos cérebros de indivíduos reprodutores e estéreis de sete espécies de formigas. Eles encontraram que a expressão de um único gene, uma das versões da nossa insulina em insetos, chamada de insulin-like peptide 2 (ilp2), estava aumentada nos indivíduos reprodutores em relação aos indivíduos estéreis das sete espécies analisadas. A insulina regula o metabolismo de açúcar e sua produção tem efeito direto no estado nutricional.

Os pesquisadores então escolheram estudar uma espécie de formiga que não possui formiga-rainha, mas na qual as formigas operárias alternam uma fase não-reprodutiva, em que alimentam as larvas, com uma fase reprodutiva, quando já não há mais larvas na colônia. Eles mostraram que a expressão de insulina em uma região do cérebro das formigas dependia da presença de larvas. Cada vez que as larvas eram retiradas da colônia, aumentava a expressão de insulina no cérebro, resultando na produção de mais ovos.  Também mostraram que, quando injetadas com insulina artificial, as formigas passavam a produzir ovos.

Ainda não se sabe como as larvas reprimem a produção de insulina nos adultos, levando à atrofia dos ovários. Mas como as condições nutricionais eram as mesmas, o resultado indica que a via de sinalização de insulina passou a ser usada para a comunicação entre larvas e adultos. Um hormônio que tinha uma função metabólica individual passou a participar na organização social, como se a colônia fosse um superorganismo composto não por células, mas por indivíduos.

A metáfora do superorganismo, explorada tantas vezes pelos estudiosos das eusociedades, ganhou ainda mais força com outro estudo recentemente disponibilizado em BioRxiv, mostrando que a geleia produzida por abelhas rainhas e operárias contém moléculas de RNA ativas que são passadas às larvas durante a alimentação.  Quando ingeridas, estas moléculas inibem a produção de certas proteínas até a vida adulta. Como as moléculas de RNA na geleia das operárias são diferentes das moléculas presentes na geleia produzida pelas rainhas, os autores sugerem que elas têm um papel na organização social da colmeia.

Durante a história da vida na terra, seres unicelulares originaram animais compostos por diferentes tipos celulares e cuja reprodução passou a depender de células especializadas. Nesta grande transição evolutiva a seres multicelulares, proteínas previamente existentes passaram a ser usadas para comunicação e adesão intercelular. A emergência de espécies eusociais mostra que neste jogo de reutilização de vias moleculares dá para ir ainda mais longe.

João F. Botelho (Yale University)

Para saber mais:

Chandra V, Fetter-Pruneda I, Oxley PR, Ritger AL, McKenzie SK, Libbrecht R, et al. Social regulation of insulin signaling and the evolution of eusociality in ants. Science. 2018;361(6400):398-402.

Maori E, Garbian Y, Kunik V, Mozes-Koch R, Malka O, Kalev H, et al. A transmissible RNA pathway in honey bees. bioRxiv. 2018.

Peters RS, Krogmann L, Mayer C, Donath A, Gunkel S, Meusemann K, et al. Evolutionary History of the Hymenoptera. Curr Biol. 2017;27(7):1013-8.

Afinal, quem são os “Wallys” no pequeno mundo dos microrganismos?

Neste post faço uma analogia ao famoso livro “Onde está Wally?” para ilustrar uma linha que vem crescendo a cada dia no estudo da diversidade microbiana: a biosfera rara.

No meu post anterior, falei sobre o “mar” de microrganismos. Falamos do quão importante os microrganismos são para os oceanos, para a ciclagem de nutrientes, nas cadeias alimentares e na saúde dos corais. Foquei especialmente em ambientes recifais, com os quais tenho grande afinidade e sobre os quais já desenvolvi alguns trabalhos. Neste post falarei sobre um assunto que vem me fascinando há um tempo e tem um pouco a ver com os novos microrganismos de que falei no meu primeiro post aqui no Darwinianas, microrganismos pouco abundantes (ou raros) e sua importância.

Antes de mergulharmos no assunto propriamente dito, é importante definir o que é, ou quais são os critérios que usamos para dizer se um microrganismo é raro ou não. Em uma revisão sobre o tema, os Professores Michael D. J. Lynch e Josh D. Neufeld apresentam algumas definições presentes na literatura, mas talvez a mais utilizada seja que os microrganismos que compreendem de 0,1% a 0,01% em uma determinada amostra (a depender da referência utilizada) compreendem a microbiota (ou biosfera) rara. Essa definição arbitrária e amplamente utilizada em diversos estudos é baseada em técnicas que usam sequenciamento de nova geração para “contar” as “espécies” ou Unidades Taxonômicas Operacionais (muito comum achar OTU, que vem da sigla em inglês) nas amostras. Um outro aspecto a ser considerado é considerarmos que, diferentemente de organismos que dependem de reprodução sexuada para aumentar suas populações, tendo necessidade de encontrar um par (também raro) para se reproduzir, microrganismos apresentam reprodução clonal. Ou seja, em situações favoráveis (por exemplo, oferta de recursos) a sua abundância pode crescer e muito.

Algumas estimativas indicam que grande parte dos microrganismos que existem na biosfera não são ainda cultivados e que são muito pouco abundantes. Conhecer essa enorme diversidade é super importante do ponto de vista da ciência básica, mas também de possíveis aplicação das suas funções metabólicas e ecossistêmicas para saúde humana e para questões ambientais como biorremediação, por exemplo. Ressalto aqui alguns exemplos de estudos empíricos que mostraram a importância da biosfera rara para alguns processos. Um estudo sobre o impacto do uso da terra sobre a diversidade microbiana no solo feito em plantações de dendê na Malásia mostrou que em florestas e ambientes com uso menos intenso do solo, microrganismos pouco abundantes são muito importantes para manter a estrutura da comunidade de microrganismos no solo. Possivelmente esses microrganismos possuem papéis cruciais para mobilização de matéria orgânica para todos os demais microrganismos, sendo chave para o funcionamento dos ecossistemas. Um outro estudo, através de experimentos de longo prazo em turfeiras, mostrou que que microrganismos raros são os principais responsáveis pela redução do enxofre nesses ambientes. Esse achado é importante, pois reflete diretamente no conhecimento que temos sobre o ciclo do carbono, especialmente na produção de metano (um dos principais gases para o efeito estufa) neste ambiente, uma vez que o metabolismo de enxofre tem impacto direto nas vias de produção e degradação de metano.

Voltando a analogia do Wally, ainda precisamos conhecer muitos “Wallys” nos microbiomas, mas já temos conhecimento sobre o papel e a importância deles nos ecossistemas.

 

Pedro Milet Meirelles

Laboratório de Bioinformática e Ecologia Microbiana

Instituto de Biologia da UFBA

meirelleslab.org

 

Para Saber mais:

Lynch, M. D. J., and Neufeld, J. D. (2015). Ecology and exploration of the rare biosphere. Nat. Rev. Microbiol. 13, 217–229. doi:10.1038/nrmicro3400.

Wood, S. A., Gilbert, J. A., Leff, J. W., Fierer, N., D’Angelo, H., Bateman, C., et al. (2017). Consequences of tropical forest conversion to oil palm on soil bacterial community and network structure. Soil Biol. Biochem. 112, 258–268. doi:10.1016/j.soilbio.2017.05.019.

Kristensen, D. M., Mushegian, A. R., Dolja, V. V, and Koonin, E. V (2010). New dimensions of the virus world discovered through metagenomics. Trends Microbiol. 18, 11–19. doi:10.1016/j.tim.2009.11.003.

Pedrós-Alió, C. (2007). Dipping into the rare biosphere. Science (80-. ). 315, 192–193. doi:10.1126/science.1135933.

Pester, M., Bittner, N., Deevong, P., Wagner, M., and Loy, A. (2010). A “rare biosphere” microorganism contributes to sulfate reduction in a peatland. ISME J. 4, 1–12. doi:10.1038/ismej.2010.75.

Locey, K. J., and Lennon, J. T. (2016). Scaling laws predict global microbial diversity. Proc. Natl. Acad. Sci. 113, 5970–5975. doi:10.1073/pnas.1521291113.

(Imagem de abertura: https://findthething.wordpress.com/tag/find-wally-hidden-where-is-wally/)

Selecionados por um furacão

Cientistas americanos e europeus tinham finalizado um estudo na população de um pequeno lagarto nas Ilhas Turcas e Caicos, no Caribe, quando os furações Irma e Maria devastaram a região, em 2017.

Eles voltaram ao arquipélago três semanas depois da passagem do segundo furação para coletar novos dados sobre a morfologia dos lagartos sobreviventes. A tragédia tinha trazido a rara oportunidade de analisar o efeito de furacões em uma população natural.

A espécie estudada se chama Anolis scriptus e vive em ramos e troncos de árvores. Comparando os dados obtidos antes e depois da passagem dos furacões, eles encontraram que os lagartos que resistiram à catástrofe eram menores, tinham braços mais longos, pernas mais curtas e lamelas adesivas maiores nas mãos e nos pés.

Os cientistas interpretaram que as novas características resultaram de seleção natural para resistir a ventos fortes. Como discutimos em uma postagem anterior, variações nas pernas e braços dos lagartos se correlacionam com a capacidade de se agarrar a troncos e galhos.

Para corroborar esta interpretação, eles filmaram lagartos agarrados a um bastão em frente a um soprador de folhas secas. O resultado vocês podem apreciar no vídeo abaixo:

 

 

João Francisco Botelho (Yale University)

Para saber mais:

Donihue CM, Herrel A, Fabre A-C, Kamath A, Geneva AJ, Schoener TW, et al. Hurricane-induced selection on the morphology of an island lizard. Nature. 2018.

Evolução ao acaso? Os cinquenta anos da teoria neutralista

Desde sua formulação por Motoo Kimura e publicação, em 1968, a teoria neutralista da evolução tornou-se central para o estudo da evolução molecular, particularmente por fornecer uma maneira de fazer previsões que podem ser testadas com dados empíricos. A teoria neutralista sustenta que a maior parte da variação nas sequências de DNA não afeta as chances de sobrevivência e reprodução dos indivíduos que as possuem e, portanto, o destino da variação genética seria determinado por processos estocásticos, ou seja, processos aleatórios que ocorrem nas populações.

Motoo Kimura (13/11/1924-13/11/1994) iniciou sua carreira científica como citologista de plantas. Ele era fascinado por plantas desde a infância. Mas seu interesse pelos cromossomos diminuiu quando ele começou a desejar “fazer algo em genética como o que os físicos teóricos faziam na física”. A partir de então, entregou-se aos encantos abstratos da genética de populações. Determinado a entender os trabalhos de Sewall Wright, um dos fundadores do campo, Kimura fazia visitas frequentes ao departamento de matemática, frequentava aulas, fazia perguntas e aprendia sozinho com livros, até ganhar a familiaridade para compreender os argumentos de Wright, criticá-los e estendê-los.

Kimura foi então contratado para trabalhar no Instituto Japonês de Genética. A instalação ficava em um escritório improvisado que antes era uma fábrica de aviões de guerra. Não havia biblioteca, acesso a revistas científicas estrangeiras e nem colegas que compreendessem suas ideias e que pudessem discutir seu trabalho. Um deles, no entanto, havia estudado no famoso laboratório das moscas de Thomas Hunt Morgan, nos Estados Unidos. Taku Komai recomendou que Kimura completasse sua formação no exterior e o apresentou a um cientista norte-americano que trabalhava para a Comissão de Acidentes pela Bomba Atômica. Em pouco tempo, Kimura tinha uma bolsa de estudos, um apoio para viagem da Fulbright, um dos programas de bolsas de estudo mais prestigiosos do mundo, e uma passagem para Seattle.

Em 1953, Kimura atravessou o Pacífico, de Yokohama no Japão até Seattle, nos Estados Unidos, para iniciar seu Doutorado na Iowa State University, escapando da solidão e da austeridade do Japão no pós-guerra. Durante as duas semanas de viagem, Kimura se dedicou às equações e escreveu um artigo sobre como as populações evoluem quando a intensidade da seleção natural flutua aleatoriamente. Esse artigo foi apresentado em um conferência em Madison, Wisconsin, onde conheceu James F. Crow, com quem teria uma parceria intelectual duradoura, que marcou os nomes de ambos na história da genética de populações.

A evolução dos organismos depende do surgimento de variabilidade genética, criando novas versões dos genes – os alelos – e da variação na frequência desses alelos nas populações ao longo do tempo.  Isso acontece por meio de quatro processos: (1) mutação que gera variação, (2) migração, (3) seleção natural e (4) deriva genética. Os três últimos fatores mudam a frequência dos alelos nas populações, ao longo das gerações.

O destino das mutações que afetam as chances de sobrevivência e reprodução, ou seja, o fitness, de seu portador é determinada, em parte, pela seleção natural. Novos alelos que aumentem as chances de sobrevivência e reprodução de seus portadores tendem a ter um aumento de frequência na população. Essa é a chamada seleção positiva. Inversamente, novas mutações que diminuem as chances de sobrevivência e reprodução tendem a diminuir de frequência na população, por um processo chamado de seleção negativa ou purificadora. Por fim, é também possível que a nova mutação seja vantajosa apenas em heterozigotos (quando cromossomos homólogos portam diferentes alelos). Esses alelos são mantidos em frequências intermediárias, por um processo chamado de seleção balanceadora.

No entanto, as mutações que surgem nas populações não estão sujeitas apenas à ação da seleção natural. Vamos considerar, por exemplo, uma população na qual todos os indivíduos têm exatamente as mesmas taxas de sobrevivência, reprodução, fertilidade e viabilidade, ou seja, têm o mesmo fitness. Todos esses indivíduos teriam então a mesma chance de contribuir com seus alelos para a próxima geração e não haveria atuação da seleção natural. Nesses casos, com populações finitas, as frequências dos alelos podem mudar ao acaso, pela simples amostragem de gametas (já que nem todos os gametas produzidos gerarão indivíduos adultos na próxima geração). Em populações com cruzamento ao acaso, a amostragem de gametas é comparável a um sorteio. Esse processo é chamado de deriva genética. A deriva genética, assim como a seleção natural, leva a mudanças nas frequências dos alelos, mas, diferentemente da seleção natural, essa mudança é aleatória. Assim, mutações que não afetam a aptidão dos indivíduos, ou seja, mutações neutras, têm seu destino determinado essencialmente pela deriva genética. Essas mutações podem ser fixadas ou perdidas sem ação da seleção natural. A deriva genética já foi assunto deste blog.

Antes de um trabalho de Kimura de 1968, o consenso era de que a seleção natural tinha um papel dominante na evolução dos organismos. Assim, as diferenças que ocorrem entre espécies (divergência) seriam decorrentes de mutações que foram fixadas por meio da seleção natural e, dentro das espécies, o polimorfismo seria mantido por seleção balanceadora. Alelos são fixados quando atingem 100% de frequência em uma população, ou seja, todos os indivíduos o possuem em homozigose. Analisando novos dados empíricos e novos modelos matemáticos que desenvolvera, Kimura propôs uma nova teoria, desafiando a teoria selecionista. De acordo com ele, sua teoria sugere que a grande maioria das mudanças evolutivas ao nível molecular não são decorrentes da ação da seleção natural sobre mutações benéficas, mas da fixação de mutações neutras por meio do efeito cumulativo da deriva (devido ao tamanho populacional finito).

Logo após a publicação, sua teoria causou controvérsia entre seus colegas. Kimura chegou a ser erroneamente chamado de anti-Darwinista. No entanto, a ideia de que variações neutras poderiam existir, foi mencionada pelo próprio Darwin: “variações que não são benéficas nem prejudiciais não seriam afetadas pela seleção natural, e poderiam permanecer como um elemento flutuante, como vemos em certas espécies polimórficas, ou poderiam se tornar fixadas, devido à natureza do organismo e à natureza das condições”. Além disso, Kimura nunca negou o papel da seleção natural, apenas foi contrário a hipótese de que a maioria do polimorfismo nas populações e da divergência entre espécies fosse resultado da seleção. Sua teoria fez (e ainda faz) previsões testáveis sobre a evolução molecular de sequências, dentro e entre espécies. De fato, o aumento da disponibilidade de sequências de DNA permitiu testar suas previsões. Por exemplo, em sequências codificantes de proteínas, mudanças entre códons que codificam o mesmo aminoácido (substituições sinônimas) são mais frequentes que mudanças que levam à troca de aminoácidos (substituições não-sinônimas). Outra observação é de que a maioria das sequências não codificantes evolui a uma taxa mais rápida, ou seja, apresenta mais diferenças entre espécies. Essas observações contradizem a teoria selecionista, pois se a maioria das substituições que contribuem para a divergência das espécies tivesse sido fixada por seleção, seria esperada uma menor diferença nas regiões que não afetam o fenótipo (regiões não-codificantes e posições sinônimas dos códons).

O estudo da contribuição relativa da seleção natural e da deriva genética para o surgimento e a manutenção do polimorfismo (variação que ocorre entre indivíduos da mesma espécie) e da divergência (variação que ocorre entre as espécies, mas não dentro delas), ainda é tema de inúmeros trabalhos em evolução. Ainda não há uma resposta sobre qual processo seja o mais importante, e é provável que nunca haja, já que a contribuição desses processos varia de espécie para espécie. Cada espécie tem uma história demográfica diferente que pode deixar marcas em seu genoma. Importante aqui é que a teoria neutralista de Kimura forneceu o arcabouço teórico para os testes de seleção – a teoria virou a hipótese nula dos trabalhos em biologia evolutiva. Graças a ela, sabemos o que esperar se as sequências em estudo tiverem evoluído na ausência de pressões seletivas. Ao rejeitar essa hipótese, temos uma evidência de atuação de seleção natural.

Em 2018, a teoria neutralista de Kimura completou 50 anos e foi tema de um dos encontros mais importantes da área, o encontro da Sociedade de Biologia Molecular e Evolução. No encontro, Daniel Hartl, professor da Universidade de Harvard, também orientado por James Crow, conta que Kimura tinha um talento impressionante para matemática. Mas não era só isso que o impressionava. Seu esforço e dedicação era uma de suas características mais marcantes: “Motoo chegava ao laboratório todos os dias pontualmente às 8h e retirava alguns lápis do bolso de seu paletó. Apontava-os um a um e entrava em sua sala, onde ficava toda manha até às 13h. Saía, almoçava, apontava novamente seu conjunto de lápis e voltava para sua sala onde trabalhava em seus modelos até às 17h”. Repetindo essa rotina dedicada, Kimura conseguiu seu lugar na história da genética de populações.

Segundo J. B. S. Haldane a maior honra que um cientista pode ter é que sua teoria seja tão aceita que seu nome não esteja mais associado a ela. Nós não mencionamos mais Mendel quando realizamos experimentos de genética ou Sturtevant quando mapeamos cromossomos. Da mesma forma, a evolução por flutuação aleatória nas frequências alélicas é a hipótese nula de inúmeros estudos modernos de evolução molecular e genética de populações. Na maioria dos casos, Kimura não é citado e, curiosamente, esta é sua maior honra.

Tatiana T. Torres (USP)

Para saber mais:

Motoo Kimura (1968) Evolutionary rate at the molecular level. Nature, 217:624-26. — Artigo original escrito por Kimura, descrevendo a teoria neutralista.

Tomoko Ohta (1996) Motoo Kimura. Annual Review of Genetics, 30:1-5. — Revisão escrita pela Tomoko Ohta, cientista supervisionada por Kimura em seu pós-doutorado que depois tornou-se importante colaboradora. Junto com Kimura, propôs a teoria quase-neutra.

 

 

Os cientistas por trás das páginas impressas

Para aprender como a ciência é feita, é fundamental aprender a questionar o que é lido nos livros, dirigir perguntas aos seus autores, e engajar em diálogos com os cientistas que publicam artigos.

Um dos livros que usei no meu segundo ano de graduação, quando já me arrisquei numa disciplina optativa avançada de Biologia Molecular, foi o clássico Molecular Biology of the Gene, que tem James Watson como um dos autores. Esse livro servia de espinha dorsal para uma disciplina oferecida pelo professor Carlos Menck. Atualizado, bem ilustrado e escrito por uma equipe que representava a nata da biologia molecular, era a fonte mais completa para o assunto. Ao longo das aulas cobríamos o seu conteúdo, discutindo passo-a-passo os experimentos seminais da biologia molecular, os mecanismos biológicos sob ótica molecular, e os desafios que o futuro poderia trazer.

Entretanto, o processo de ler e discutir o livro ofereceu um aprendizado que ia muito além de suas páginas, e que eu não antecipava quando comecei o curso. Em várias ocasiões, ao ler um trecho ou examinar uma figura, a discussão liderada pelo Menck colocava em xeque algo que o livro afirmava. Ora era a interpretação de um experimento, em outras ocasiões surgia um certo ceticismo sobre a descrição de uma imagem, em outras era uma ressalva à ênfase seletiva em alguns achados, em detrimento de outros. Ali, pela  primeira vez na minha vida de estudante, eu tomava contato com o fato de que o que estava escrito num livro texto (e, nesse caso, de autoria de um prêmio Nobel!) podia ser desafiado, discutido, questionado. Aprendia que no estudo das ciências, mesmo diante dos livros mais respeitados, não precisávamos aceitar como autoridade inquestionável o que nos era apresentado. Isso, para mim, foi um divisor de águas. Como aluno, eu teria que ter algum grau de protagonismo no processo de aprendizado, deveria me posicionar criticamente sobre aquilo que lia.

Questionando o autor

Alguns anos mais tarde, já durante meu doutorado na Universidade da Califórnia, em Berkeley nos Estados Unidos, tive uma nova experiência marcante. Junto com alguns colegas havia lido um livro provocativo, de autoria do matemático e biólogo teórico Brian Goodwin (1931-2009). Tratava-se de How the Leopard Changed its Spots, no qual Goodwin argumentava que a ênfase excessiva nos processos de seleção natural deixava de contemplar a importância das leis da física no processo evolutivo. Para Goodwin, as leis que regem a interação entre moléculas e explicam como elas se difundem no espaço são essenciais para entender o processo de transformação dos seres vivos. Para ele, os organismos possuem suas formas atuais em função daquilo que as leis da física permitem, e não como consequência da ação da seleção natural. Na época achei essas ideias interessantes, mas me pareceu que relegar a seleção natural a um segundo plano, e tentar explicar o processo de adaptação com referência apenas a leis físicas era difícil de aceitar. Me parecia que uma ideia importante (a de que leis físicas têm um espaço importante a ocupar em teorias evolutivas) estava sendo levada longe demais.

Por uma feliz coincidência Goodwin visitou Berkeley nessa época, e os alunos marcaram uma reunião informal com ele, durante a qual poderíamos conversar sobre os seus trabalhos e ideias científicas em geral. Fui para a conversa munido de minhas críticas à forma como ele havia escanteado –- a meu ver, desnecessariamente— a seleção natural através de sua visão de transformação evolutiva regida por leis físicas. Para minha surpresa, encontrei um cientista muito mais afável e maleável do que a leitura do seu livro indicava. Se nas páginas escritas ele era enfático quanto à importância de desafiar a seleção natural, na conversa ele mostrou uma face conciliadora. Diante de minhas perguntas, ele sorriu amigavelmente e explicou que na hora de escrever o livro era importante “carregar um pouco nas tintas” para dar mais ênfase à sua mensagem, mas que ele certamente achava promissora uma teoria com espaço tanto para as leis da física, quanto para o processo de seleção natural. Ali, experimentei um novo divisor de águas. Vi que as ideias de um cientista se misturavam ao estilo que ele usava para persuadir seus leitores. Vi um exemplo de que o que está na página impressa é apenas uma face das ideias que um cientistas desenvolve, e uma face com vieses e — nesse caso pelo menos— alguma dose de exagero. Novamente, concluí que o protagonismo cabia ao leitor. O livro não “falava por si”, tinha que ter seu conteúdo filtrado, avaliado criticamente.

Alunos conversam com cientistas

Encerro meus relatos compartilhando uma experiência recente, realizada este ano na disciplina optativa que ministro na USP, chamada Genética Evolutiva. O curso teve como foco a modelagem de processos evolutivos, e nele discutimos as forças que moldam a variabilidade genética em populações. Entre os temas está como características como taxas de reprodução e tamanho dos gametas influenciam a diversidade genética (algo previamente abordado neste blog). Esse assunto foi abordado usando um artigo de autoria de Jonathan Romiguier, atualmente na Universidade de Lausanne. Também abordamos um outro processo que modula a diversidade genética, que é a seleção natural. Esse tema foi abordado usando um artigo de Tim Sackton, atualmente na Universidade de Harvard, que mostra que quando a seleção favorece uma mutação numa região do genoma, ocorre uma homogeneização na população não só no sítio selecionado, mas também em regiões vizinhas do genoma (num processo chamado carona genética, previamente discutido neste blog).

Os temas são desafiadores, e representam questões ainda em aberto, foco de muitos debates. Os artigos também trazem desafios, com tratamentos matemáticos sofisticados. Frente a isso propus embarcamos numa atividade pedagógica diferente. A minha ideia era dar aos alunos uma oportunidade para se dirigirem diretamente aos autores dos artigos que tínhamos lido, apresentando perguntas e ideias. Após entrar em contato com os dois autores (Tim Sackton e Jonathan Romiguier), acertei com eles uma data para que os alunos enviassem perguntas sobre os artigos. Os dois autores se comprometeram a enviar respostas às questões por escrito, num prazo compatível com a duração do curso.

Para a maioria dos alunos, era a primeira disciplina que os colocavam em contato com a  literatura primária. Além disso, os artigos haviam gerado uma grande quantidade de perguntas, tanto referente à compreensão do que era apresentado, como em relação às implicações dos achados relatados. Assim, a oportunidade de interagir diretamente com os autores era promissora.

O trabalho envolveu algumas etapas. Primeiro, os alunos se reuniram em grupos e propuseram duas perguntas para cada artigo. A seguir, eu me reuni com os grupos e discuti as perguntas, revisando a redação (em inglês), a precisão conceitual e a relevância. Desse processo chegamos a oito perguntas para cada autor, que foram enviadas. Três semanas depois, recebemos as respostas. Uma aula inteira foi dedicada à discussão de cada uma delas, com os grupos que haviam formulado a pergunta sendo responsáveis por comentar a respostas recebidas. Finalmente, na avaliação da disciplina, propus uma investigação da literatura baseada em alguma ideia que tinha sido levantada pela troca com os autores.

E o que aprendemos nesse processo

Primeiro, vimos que o processo de elaborar uma pergunta precisa sobre um trabalho científico é algo imensamente desafiador. Requer domínio do trabalho em questão, do contexto teórico em que ele se insere, e da detecção de um tema que ficou “em aberto”. Propor uma pergunta que será lida pelo autor é muito mais difícil do que simplesmente discutir o texto ou levantar críticas sem o desafio de compartilhá-las. Criticar textos que lemos é desejável, mas não é fácil.

Em segundo lugar, o trabalho científico pôde ganhar uma nova vida. No caso do Tim Sackton, por exemplo, ele nos contou como nasceu a ideia original do trabalho (motivado por um outro estudo, que havia mostrado que a variação genética é surpreendente homogênea entre os mais variados seres vivos). Enxergamos um pouco mais sobre o que levou aqueles pesquisadores a se lançarem naqueles projetos, na medida em que eles explicitaram, nas respostas às perguntas, as questões que os moviam.

Em terceiro lugar, a troca permitiu lançar um olhar sobre como a ciência é feita. Jonathan Romiguier, frente a questões sobre a relação entre taxas de especiação e diversidade genética, admitiu que essa é uma “hipótese comum, mas que eu pessoalmente não vejo apoiada…” para então elencar as razões. Ele diagnosticava uma visão predominante, abria espaço para sua opinião pessoal, para então explorá-la. Diante dos olhos dos alunos um debate atual ganhou vida, não filtrado por um livro texto, mas expresso nas palavras de um pesquisador que manifesta seu ceticismo sobre uma ideia estabelecida e indica caminhos futuros. É assim que a ciência é feita, mas nem sempre isso transparece nos livros ou artigos.

Em quarto lugar, os alunos puderam perceber que estão mais próximos de fazer contribuições científicas do que poderiam imaginar. Por exemplo, para algumas questões os autores iniciam suas respostas dizendo que “há de fato outros grupos trabalhando nessa questão”, e outras eles admitem “ser uma questão interessante”, para então ponderar os desafios necessários para levá-las adiante. Ficava claro que os alunos haviam assumido um protaganismo científico, identificando questões em aberto e propondo estratégias para abordá-las.  O comentário de um especialista servia para mostrar que os alunos já estavam numa posição de participar do diálogo de um modo informado, e não se restringir à posição de leitor do conteúdo gerado, sem ter nada a oferecer em troca.

Esses três relatos captam diferentes momentos da minha vida: como aluno de graduação, doutorando e professor. Todos têm um elemento central em comum: o aprendizado de que em ciência –assim como em outros aspectos de nossas vidas– a construção do conhecimento é uma atividade humana, falível e sujeita a idas e vindas, debates e críticas. Compreender isso nos coloca um pouco mais próximos de sermos agentes do processo que gera conhecimento.

Diogo Meyer (USP)

Para saber mais:

Os artigos que os alunos leram e discutiram com os autores foram:

R.B. Corbett-Detig, D.L. Hartl, T.B. Sackton, Natural Selection Constrains Neutral Diversity across A Wide Range of Species, PLoS Biol. 13 (2015) 1–25.

J. Romiguier, P. Gayral, M. Ballenghien, a. Bernard, V. Cahais, a. Chenuil, Y. Chiari, R. Dernat, L. Duret, N. Faivre, E. Loire, J.M. Lourenco, B. Nabholz, C. Roux, G. Tsagkogeorga, a. a.-T. Weber, L. a. Weinert, K. Belkhir, N. Bierne, S. Glémin, N. Galtier, Comparative population genomics in animals uncovers the determinants of genetic diversity, Nature. 515 (2014) 261–263

Imagem de abertura: Gabriel Sainz

As aves sem árvores: sobrevivendo à extinção no chão

 

Joões-de-barro, sabiás e rolinhas ocupam os jardins e praças de grande parte do Brasil. Originalmente, estas aves viviam em campos, capoeiras e bordas de florestas.  Nas cidades, encontraram um ambiente que outras espécies, mais dependentes de áreas densamente florestadas, não toleram. Elas pertencem a um pequeno grupo de espécies que se tornou mais abundante nos ambientes alterados. Na grande catástrofe ecológica causada pelos humanos, já chamada por cientistas de sexta grande extinção em massa, elas estão prosperando. Seus hábitos, por uma contingência histórica, podem ser um passaporte para atravessar a catástrofe.

Uma contingência similar pode ter influenciado o futuro da evolução das aves há 66 milhões de anos. A quinta grande extinção em massa, famosa pela desaparição dos dinossauros, foi seguida pela radiação evolutiva das aves modernas, quando as poucas espécies sobreviventes deram origem a toda a diversidade que hoje colore nosso planeta.

Por que algumas aves resistiram enquanto tantas outras espécies pereceram? Seria por causa de seus hábitos alimentares? De sua distribuição geográfica? Seu tamanho? Embora frequentemente associemos aves e árvores, um novo estudo propõe que uma das chaves para superar a grande catástrofe foi ter hábitos terrestres e não depender das árvores. Daniel Field e seus colegas nos EUA usaram três linhas de argumentos.

Primeiro, eles mapearam os hábitos de vida das aves moderna em uma filogenia construída com dados moleculares e determinaram qual era o hábito de vida mais provável dos ancestrais de cada linhagem. O resultado aponta, inequivocamente, que eles não habitavam nem nidificavam em árvores (Figura 1)

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Figura 1: Filogenia das aves modernas mostrando em verde linhagens predominantemente arborícolas e em marrom linhagens predominantemente não arborícolas. Todas as linhagens arborícolas têm ancestrais terrestres (Figura modificada de Fields et al, 2018).

Mostraram também que o registro fóssil de algumas linhagens arborícolas modernas sugere que elas tinham ancestrais mais terrestres. Por exemplo, fósseis relacionados aos turacos (Figura 2), uma família de aves arborícolas endêmica do continente africano, tinha patas longas, indicando que eles viviam no solo.

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Figura 2: Knysna Turaco (Tauraco corythaix), Western Cape, South Africa. Photo de Daniel Fields

Por último, mostraram que logo após a catástrofe, pólens de árvores deram lugar a esporos de pteridófitos, como as samambaias, exatamente o que ocorre durante um processo de sucessão ecológica em que as árvores são eliminadas. A reaparição de pólen no registro fóssil levou aproximadamente mil anos.

Os autores usam estas evidências para argumentar que a desflorestação causada pelo impacto de um meteoro selecionou negativamente as aves que dependiam das árvores. O impacto teria causado incêndios, chuvas ácidas e levantado sedimentos que bloquearam a luz do sol necessária para fotossíntese. As florestas desapareceram e com elas as espécies que dependiam destes ecossistemas. Por exemplo, uma linhagem de aves arborícolas abundante antes da extinção em massa, conhecida como Enantiornithes, sumiu do registro fóssil (Figura 3).

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Figura 3: As aves modernas descendem de ancestrais terrestres que sobreviveram à extinção em massa no fim do Cretáceo (Figura modificada de Fields et al, 2018).

As aves modernas tiveram que reconquistar as árvores. Uma vez que as florestas se recuperaram, hábitos arborícolas evoluíram rapidamente em diferentes linhagens. Os ancestrais dos passarinhos, anus, beija-flores e pombos saíram do chão e sofreram evolução independente que os levou a ocupar os ramos e troncos das novas florestas após a grande extinção.

O exemplo é um convite para imaginar o que acontecerá depois da extinção em massa que estamos causando. Quais espécies sobreviverão a esta hecatombe humana? A quem caberá recuperar os ecossistemas terrestres uma vez que nós estivermos extintos?

João F. Botelho (Yale University)

 

Para saber mais:

Claramunt S, Cracraft J. A new time tree reveals Earth history’s imprint on the evolution of modern birds. Science Advances. 2015;1(11).

Field DJ, Bercovici A, Berv JS, Dunn R, Fastovsky DE, Lyson TR, et al. Early Evolution of Modern Birds Structured by Global Forest Collapse at the End-Cretaceous Mass Extinction. Curr Biol. 2018;28(11):1825-31.e2.

Louchart A, Viriot L. From snout to beak: the loss of teeth in birds. Trends Ecol Evol. 2011;26(12):663-73.

Imagem de abertura: Philipp M. Krzeminski.