Os modelos na jornada conhecimento

O mundo real é extraordinariamente complexo. Cientistas trabalham com simplificações dessa realidade, que nos ajudam a entendê-lo. Essas simplificações são os modelos.

Como cientistas interessados em biologia, tentamos gerar conhecimento sobre o mundo que nos rodeia. Essa tarefa não é trivial: nosso objeto de estudo é incrivelmente complexo, envolvendo interações entre moléculas que residem em células, entre células que compõem tecidos, entre indivíduos que são formados de tecidos, entre populações que são formadas por indivíduos. Cada nível dessa hierarquia envolve uma multidão de agentes interagindo uns com os outros. A transformação evolutiva envolve interações em todos esses níveis. Continue Lendo “Os modelos na jornada conhecimento”

Observando a Evolução em tempo real

Quantas gerações você é capaz de voltar atrás e saber quem eram seus parentes mais antigos? Será que consegue resgatar o nome da tataravó da sua tataravó? A rainha Elizabeth da Inglaterra tem o registro de 32 gerações. O filósofo chinês Confúcio tem o maior registro genealógico humano conhecido, 80 gerações. E se fossemos capazes de voltar mais de 70 mil gerações? Que perguntas poderíamos responder? Continue Lendo “Observando a Evolução em tempo real”

Pistas genômicas sobre a evolução de nossos cérebros plásticos

A aprendizagem e a experiência social moldam profundamente nosso comportamento, cognição, modo de ser. O que estudos genômicos têm mostrado sobre a evolução da plasticidade de nossos cérebros?

São muitos os animais que são capazes de aprender. Mas não encontramos em outros animais a mesma capacidade de responder à experiência e ao ambiente por meio da aprendizagem que vemos em humanos. Nosso comportamento é moldado pela aprendizagem social de uma maneira sem paralelos entre os seres vivos. Que mudanças ocorridas na evolução do cérebro tornaram possível tal capacidade de aprender? No último número de Annual Review of Anthropology, Chet C. Sherwood e Aida Gómez-Robles revisam o que sabemos a este respeito, num artigo sobre plasticidade cerebral e evolução humana. Retomamos aqui algumas de suas ideias. Continue Lendo “Pistas genômicas sobre a evolução de nossos cérebros plásticos”

Denny: a menina meio Neandertal, meio Denisovana

A possibilidade de estudar genomas arcaicos tem reescrito a história de nossa espécie e a cada artigo publicado temos revelações surpreendentes.

A evolução humana foi por muito tempo erroneamente vista como um processo linear ligando um ancestral simiesco mais primitivo ao ser humano moderno. No entanto, à medida que resquícios fósseis foram sendo encontrados, percebeu-se que na verdade o ser humano era apenas o final de um ramo de uma árvore extremamente diversa. Continue Lendo “Denny: a menina meio Neandertal, meio Denisovana”

Agressividade, docilidade e domesticação: O que o genoma das raposas-vermelhas tem a nos dizer?

Cientistas sequenciam o genoma da raposa-vermelha (Vulpes vulpes) e de linhagens de raposas dóceis e agressivas em busca de regiões do genoma relacionadas a esses comportamentos.

No final da década de 1950, um geneticista russo iniciou um experimento fascinante: buscando entender as bases genéticas da domesticação e o papel do cruzamento seletivo nesse processo, Dmitry Konstantinovich Belyaev produziu inúmeras gerações de raposas em seu laboratório, no Instituto de Citologia e Genética em Novosibirsk, na Antiga União Soviética. Partindo de raposas-vermelhas selvagens (Vulpes vulpes), D. K. Belyaev e outros pesquisadores selecionaram por meio de cruzamento seletivo três populações distintas de raposas. Raposas que apresentavam comportamento dócil em relação aos seres humanos cruzaram entre si, gerando, ao longo de muitas gerações, uma população de raposas dóceis. Raposas agressivas em relação aos humanos cruzaram entre si, gerando uma linhagem de raposas agressivas, enquanto um terceiro grupo cruzou ao acaso, não sendo submetido a cruzamento seletivo. Esse famoso experimento de domesticação de raposas vermelhas está em operação até os dias de hoje, resultando no cruzamento seletivo de mais de 50 gerações de raposas de comportamento dócil, e mais de 40 gerações de raposas de comportamento agressivo (Figura 1). Continue Lendo “Agressividade, docilidade e domesticação: O que o genoma das raposas-vermelhas tem a nos dizer?”

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).

1fig2.jpg
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.

image1
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.

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/)