Um novo tipo de “gene saltador” pode explicar por que os genomas de células complexas não são igualmente preenchidos com sequências não codificantes. Pesquisas recentes sugerem que muitos dos segmentos “íntrons” não codificantes nos genes de organismos complexos podem ter sido inseridos ali por elementos genéticos móveis parasitas chamados introners.
Todos os animais, plantas, fungos e protistas – que coletivamente compõem o domínio da vida chamado eucariontes – têm genomas com uma característica peculiar que tem intrigado os pesquisadores por quase meio século: seus genes são fragmentados.
Em seu DNA, as informações sobre como produzir proteínas não estão dispostas em longas sequências coerentes de bases. Em vez disso, os genes são divididos em segmentos, com sequências intermediárias, ou “íntrons”, espaçando os éxons que codificam partes da proteína. Quando os eucariotos expressam seus genes, suas células precisam separar o RNA dos íntrons e costurar o RNA dos éxons para reconstruir as receitas de suas proteínas.
O mistério de por que os eucariotos dependem desse sistema barroco se aprofundou com a descoberta de que os diferentes ramos da árvore genealógica dos eucariotos variavam amplamente na abundância de seus íntrons. Os genes da levedura, por exemplo, têm muito poucos íntrons, mas os das plantas terrestres têm muitos. Os íntrons compõem quase 25% do DNA humano. Como essa variação tremenda e enigmática na frequência do íntron evoluiu gerou debate entre os cientistas por décadas.
As respostas podem finalmente estar surgindo, no entanto, a partir de estudos recentes de elementos genéticos chamados introners que alguns cientistas consideram uma espécie de parasita genômico. Esses pedaços de DNA podem deslizar para dentro dos genomas e se multiplicar ali, deixando profusões de íntrons para trás. Em novembro passado, os pesquisadores apresentaram evidências de que os introners têm feito isso em diversos eucariotos ao longo da evolução. Além disso, eles mostraram que os introners poderiam explicar por que ganhos explosivos em introns parecem ter sido particularmente comuns em formas de vida aquáticas.
Suas descobertas “podem explicar a grande maioria do ganho de íntrons”, disse Russ Corbett-Detig, autor sênior do novo artigo e pesquisador de genômica evolutiva da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz.
O enigma dos genomas eucarióticos
Por causa dos íntrons pontilhando seu DNA, se os genes dos eucariotos fossem traduzidos diretamente em proteínas, as moléculas resultantes seriam tipicamente lixo não funcional. Por essa razão, todas as células eucarióticas são equipadas com tesouras genéticas especiais chamadas spliceossomos. Esses complexos proteicos reconhecem as sequências distintas que flanqueiam o RNA do íntron e o removem dos transcritos preliminares de RNA dos genes ativos. Em seguida, eles unem os segmentos codificadores dos éxons para produzir o RNA mensageiro que pode ser traduzido em uma proteína funcional.
(Alguns procariotos também têm íntrons, mas eles têm maneiras de contorná-los que não envolvem spliceossomos. Por exemplo, alguns de seus íntrons são “auto-splicing” e se removem automaticamente do RNA.)
Por que a seleção natural em eucariotos favoreceu os íntrons que precisavam ser removidos pelos spliceossomos é desconhecido. Mas a chave pode ser que esses íntrons permitem splicing alternativo, um fenômeno que aumenta dramaticamente a diversidade de produtos que podem surgir de um único gene. Quando o RNA do íntron é cortado, as sequências do RNA do éxon podem ser encadeadas em uma nova ordem para produzir proteínas ligeiramente diferentes, explicou Corbett-Detig.
Apesar da influência dos íntrons na biologia e na complexidade genética dos organismos eucarióticos, suas origens evolutivas permaneceram obscuras. Desde a descoberta dos íntrons em 1977, os pesquisadores desenvolveram inúmeras teorias sobre a origem dessas sequências intrusivas. Vários mecanismos que poderiam criar íntrons foram identificados, e todos eles podem ter contribuído com alguns íntrons para eucariotos. Mas tem sido difícil dizer qual deles pode explicar de onde veio a maioria dos íntrons.
Além disso, o mistério em torno das origens dos íntrons só se aprofunda à luz da variação extrema em que os íntrons tendem a aparecer em toda a árvore da vida eucariota. Algumas linhagens são particularmente pesadas com eles de maneiras que apontam para inundações repentinas com íntrons durante sua história evolutiva. Quando você examina a árvore da vida e quantos íntrons são encontrados em cada ponta da árvore, disse Corbett-Detig, “você pode descobrir rapidamente que deve haver certos ramos onde uma tonelada absoluta de íntrons evoluiu de uma só vez”.
Uma possível explicação para essas infusões explosivas de íntrons envolve um tipo incomum de elemento genético conhecido como introner. Descrito pela primeira vez em 2009 na alga verde unicelular Micromonas, os introners posteriormente apareceram nos genomas de algumas outras algas, algumas espécies de fungos, minúsculos organismos marinhos chamados dinoflagelados e invertebrados simples chamados tunicados.
A característica distintiva dos introners é que eles criam íntrons. Os introners copiam e colam a si mesmos em trechos de DNA codificador que oferecem um local de splicing apropriado. Em seguida, eles seguem em frente, deixando para trás uma sequência específica de íntron flanqueada por locais de splicing, que divide o DNA codificador em dois éxons. Este processo pode ser repetido em grande escala ao longo de um genoma. Em fungos, por exemplo, os introners parecem ser responsáveis pela maior parte do ganho de intron durante pelo menos os últimos 100.000 anos.
Como os introners conseguem isso ficou mais claro em 2016, quando os pesquisadores descobriram que os introners em duas espécies de algas tinham fortes semelhanças com os transposons de DNA, membros de uma família maior de elementos genéticos chamados elementos transponíveis ou “genes saltadores”. Os transposons também inserem um grande número de cópias de si mesmos nos genomas.
Os paralelos entre introners e transposons sugerem fortemente uma possível resposta para o mistério de onde veio a maioria dos introns. Os introners poderiam fazer com que os íntrons explodissem nos genomas em grande número, o que poderia explicar o padrão pontuado de seu surgimento em vários eucariotos. O problema era que os introners eram conhecidos apenas em alguns organismos.
“Alguém procurou em outro lugar?”, perguntou Landen Gozashti, que fazia pesquisas sobre genômica evolutiva em Santa Cruz quando leu o estudo de algas de 2016. Uma olhada na literatura científica mostrou que nenhum grupo publicou dados sobre introners em outros lugares entre os eucariotos. Gozashti, agora na Universidade de Harvard, Corbett-Detig e seus colegas decidiram remediar isso.
Invasores furtivos e abundantes
A equipe escaneou sistematicamente mais de 3.300 genomas de toda a diversidade eucariótica – tudo, de ovelhas a sequóias e protistas ciliados. Eles usaram uma série de filtros computacionais para identificar potenciais introners, procurando por introns com sequências muito semelhantes e eliminando falsos positivos. No final, eles encontraram milhares de íntrons derivados de introners em 175 desses genomas, cerca de 5% do total, de 48 espécies diferentes.
Cinco por cento pode parecer uma pequena fatia da torta eucariótica. Mas à medida que as mutações se acumulam nos introners ao longo do tempo, as semelhanças de sequência entre as cópias se deterioram até que não seja mais possível dizer que elas vieram da mesma fonte. As linhagens evolutivas de muitas espécies vivas hoje podem ter experimentado inundações de íntrons, mas qualquer influxo ocorrido há mais de alguns milhões de anos seria indetectável. O resultado de 5% sugere, portanto, que os introners podem ser muito mais onipresentes.
Como parasitas genômicos, os introners podem ter alcançado seu sucesso por meio de discrição. Um bom parasita não pode chamar muita atenção para si mesmo. Se um introner interrompe a atividade do gene no qual ele se incorporou, pode prejudicar o organismo hospedeiro, e a seleção natural pode remover completamente o parasita genômico. Portanto, esses elementos estão evoluindo continuamente para serem “tão neutros quanto possível” em sua influência, disse Valentina Peona, genomicista comparativa da Universidade de Uppsala.
Gozashti, Corbett-Detig e seus colegas descobriram como os introners hábeis escapam do radar quando estimaram a eficiência de splicing dos introners, o que reflete sua capacidade de evitar interromper a função dos genes hospedeiros. “Introners realmente são emendados melhor do que outros introns”, disse Gozashti. “Essas coisas ficaram muito boas nisso.”
Uma Conexão Aquática
O trabalho de Gozashti e seus colegas provou que os introners não são distribuídos igualmente entre os eucariotos. Por exemplo, os introners têm uma probabilidade seis vezes maior de aparecer nos genomas de organismos aquáticos do que nos de organismos terrestres. Além disso, quase três quartos dos genomas de espécies aquáticas que contêm introners hospedam múltiplas famílias de introners.
Corbett-Detig, Gozashti e seus colegas acham que esse padrão pode ser explicado pela transferência horizontal de genes, a transferência de uma sequência genética de uma espécie para outra. Essas transferências de genes pouco ortodoxas tendem acontecendo em ambientes aquáticos ou em instâncias de estreita associação interespécies, como entre hospedeiros e parasitas, explicou Saima Shahid, bióloga de plantas da Oklahoma State University.
Os ambientes aquáticos podem encorajar a transferência horizontal de genes porque o meio aquoso pode se tornar uma sopa de ácidos nucléicos eliminados por inúmeras espécies. Organismos unicelulares nadam nesse ensopado, então é fácil para eles absorver DNA estranho que pode ser incorporado ao seu próprio. Mas mesmo espécies multicelulares muito mais complexas depositam seus ovos ou os fertilizam na água, criando oportunidades para que o DNA seja transferido para suas linhagens.
Lauren Balesta. Creation, uma foto do Grand Title Wildlife Photographer of the Year de 2021, do livro 700 sharks into the dark, Andromède Editions 2017
Clément Gilbert, um genomicista evolutivo da Universidade Paris-Saclay, acredita que o viés aquático nos introners é um eco do que seu grupo encontrou em eventos de transferência horizontal de genes. Em 2020, seu trabalho descobriu quase 1.000 transferências horizontais distintas envolvendo transposons que ocorreram em mais de 300 genomas de vertebrados. A grande maioria dessas transferências aconteceu em peixes teleósteos, disse Gilbert.
Se os introners encontrarem seu caminho para os hospedeiros principalmente por meio de transferências horizontais de genes em ambientes aquáticos, isso poderia explicar os padrões irregulares de grandes ganhos de introns em eucariotos. Organismos terrestres provavelmente não têm as mesmas rajadas de íntrons, disse Corbett-Detig, uma vez que a transferência horizontal ocorre com muito menos frequência entre eles. Os íntrons transferidos podem persistir nos genomas por muitos milhões de anos como lembranças permanentes de uma vida ancestral no mar e um contato fatídico com um parasita genômico hábil.
Os introners agindo como elementos invasores estranhos nos genomas também podem ser a explicação de por que eles inseririam íntrons de forma tão repentina e explosiva. Os mecanismos de defesa que um genoma pode usar para suprimir sua carga herdada de transposons podem não funcionar em um elemento genético desconhecido que chega por transferência horizontal.
“Agora esse elemento pode enlouquecer em todo o genoma”, disse Gozashti. Mesmo que os introners sejam inicialmente prejudiciais, os pesquisadores levantam a hipótese de que pressões seletivas poderiam domá-los em breve, cortando-os do RNA.
Embora a transferência horizontal de genes e os introners compartilhem uma conexão com o ambiente aquático, as descobertas ainda não mostram definitivamente que é de onde vêm os introners. Mas a descoberta da ampla influência dos introners desafia algumas teorias sobre como os genomas – particularmente os genomas eucarióticos – evoluíram.
Reverberações no hospedeiro
A difusão do recente ganho de íntrons pode atuar como um contrapeso para algumas ideias sobre a evolução da complexidade genômica. Um exemplo envolve uma teoria da evolução do íntron desenvolvida por Michael Lynch, da Arizona State University, em 2002. Os modelos sugerem que, em espécies com pequenas populações reprodutoras, a seleção natural pode ser menos eficiente na remoção de genes inúteis. Lynch propôs que essas espécies, portanto, tenderiam a acumular montes de lixo genético não funcional em seus genomas. Em contraste, espécies com populações reprodutoras muito grandes não devem ganhar muitos íntrons.
Mas Gozashti, Corbett-Detig e seus coautores descobriram o oposto. Alguns protistas marinhos com populações reprodutoras gigantescas tinham centenas ou milhares de introners. Em contraste, os introners eram raros em animais e ausentes em plantas terrestres – ambos os grupos com populações reprodutoras muito menores.
A corrida armamentista evolutiva entre os elementos genéticos invasores e o hospedeiro pode contribuir para a geração de um genoma mais complicado. Os elementos parasitas estão em “conflito constante” com elementos genéticos que pertencem ao hospedeiro, explicou Gozashti, porque competem pelo espaço genômico. “Todas essas peças em movimento estão constantemente levando umas às outras a evoluir”, disse ele.
Isso levanta a questão do que os ganhos do íntron significaram para a biologia funcional dos organismos nos quais eles ocorreram.
Cedric Feschotte, biólogo molecular da Cornell University, suspeita que seria interessante comparar duas espécies intimamente relacionadas, das quais apenas uma experimentou um enxame de íntrons na história evolutiva recente. A comparação pode ajudar a revelar como influxos de íntrons podem promover o aparecimento de novos genes. “Porque sabemos que trazer íntrons também pode facilitar a captura de éxons adicionais – coisas completamente novas”, disse ele.
Da mesma forma, Feschotte acredita que a profusão de íntrons pode ajudar a conduzir a evolução de famílias de genes que podem mudar rapidamente. Recheados com novos íntrons, esses genes poderiam cooptar a nova variabilidade possibilitada pelo splicing alternativo.
Cortesia de Landen Gozashti
Esses genes de evolução rápida são comuns na natureza. Espécies venenosas, por exemplo, muitas vezes precisam remixar os complexos coquetéis de peptídeos em seus venenos no nível genético para se adaptar a diferentes presas ou predadores. A capacidade do sistema imunológico de gerar receptores moleculares infinitamente diversos também depende de genes que podem se reorganizar e se recombinar rapidamente.
Peona adverte, no entanto, que embora os introners possam trazer benefícios a um organismo, eles também podem ser totalmente neutros. Eles devem ser considerados “inocentes até que se prove que são culpados de função ou qualquer outra coisa”.
“Uma das próximas coisas é olhar para os dados metagenômicos para tentar encontrar um caso que realmente seja uma transferência horizontal clara com exatamente os mesmos introners em duas espécies diferentes”, disse Corbett-Detig. Encontrar essa peça do quebra-cabeça ajudaria a detalhar a história completa de onde veio a maioria dos íntrons dos eucariotos.
Irina Arkhipova, geneticista evolutiva molecular do Laboratório de Biologia Marinha da Universidade de Chicago, está interessada em saber mais sobre como os introners estão se espalhando pelo genoma em escalas tão grandes. “Simplesmente não deixa vestígios da enzima que foi responsável por essa explosão massiva de mobilidade – isso é um mistério”, disse ela. “Você basicamente tem que pegá-lo em flagrante enquanto ainda está em movimento.”
Para Gozashti, a descoberta de introners em uma gama tão ampla de eucariontes traz uma lição sobre como abordar questões fundamentais sobre a natureza da vida eucariótica: pense de forma ampla. Os estudos geralmente se concentram na fatia da biodiversidade representada por animais e plantas terrestres. Mas, para entender os importantes padrões de informação genômica subjacentes a toda a vida, “precisamos sequenciar mais diversidade eucariótica, mais dessas linhagens protistas das quais não sabemos nada sobre como elas evoluem”, disse ele. “Se tivéssemos estudado plantas e animais terrestres, nunca teríamos encontrado introners.”
Publicado em 06/04/2023 12h10
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