Os cromossomos, os feixes de DNA que protagonizam o balé mitótico da divisão celular, desempenham um papel importante na vida complexa. Mas a questão de como os cromossomos surgiram e evoluíram tem sido desanimadoramente difícil de responder. Isso se deve em parte à falta de informações genômicas em nível de cromossomo e em parte à suspeita de que eras de mudança evolutiva eliminaram quaisquer pistas sobre essa história antiga.
Agora, em um artigo publicado na Science Advances, uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Daniel Rokhsar, professor de ciências biológicas da Universidade da Califórnia, Berkeley, rastreou mudanças nos cromossomos que ocorreram até 800 milhões de anos atrás. Eles identificaram 29 grandes blocos de genes que permaneceram reconhecíveis à medida que passaram para três das primeiras subdivisões da vida animal multicelular. Usando esses blocos como marcadores, os cientistas deduziram como os cromossomos se fundiam e se recombinavam à medida que esses primeiros grupos de animais se tornavam distintos.
Os pesquisadores chamam essa abordagem de “tectônica do genoma”. Da mesma forma que os geólogos usam sua compreensão das placas tectônicas para entender a aparência e o movimento dos continentes, esses biólogos estão reconstruindo como várias duplicações, fusões e translocações genômicas criaram os cromossomos que vemos hoje.
O trabalho anuncia uma nova era na genômica comparativa: anteriormente, os pesquisadores estudaram coleções de genes de diferentes linhagens e descreveram as mudanças um par de bases por vez. Agora, à medida que mais conjuntos de cromossomos se tornam disponíveis, os pesquisadores podem rastrear a evolução de cromossomos inteiros até sua origem. Eles podem então usar essas informações para fazer previsões estatísticas e testar rigorosamente hipóteses sobre como grupos de organismos estão relacionados.
Dois anos atrás, usando métodos inovadores semelhantes, Rokhsar e seus colegas resolveram um mistério de longa data sobre o momento das duplicações de genoma que acompanharam o surgimento de vertebrados com mandíbulas. Mas a importância da abordagem não é puramente retrospectiva. No processo de fazer essas descobertas, os pesquisadores estão aprendendo sobre as regras algebricamente simples que governam o que acontece quando os cromossomos trocam pedaços de si mesmos. Essas informações podem orientar futuros estudos genômicos e ajudar os biólogos a prever o que encontrarão nos genomas de espécies que ainda não foram sequenciadas.
“Estamos começando a ter uma visão mais ampla da evolução cromossômica na árvore da vida”, disse Paulyn Cartwright, professor de ecologia e biologia evolutiva da Universidade do Kansas. Agora, ela disse, os cientistas podem tirar conclusões sobre o que havia nos cromossomos dos primeiros animais. Eles também podem examinar como os vários conteúdos dos cromossomos mudaram ou permaneceram os mesmos – e por quê – à medida que os animais se diversificavam. “Nós realmente não poderíamos fazer isso antes de termos esses genomas de alta qualidade.”
O que os genomas antigos compartilham
Para o estudo publicado hoje, Rokhsar e uma grande equipe internacional de colaboradores produziram o primeiro conjunto cromossômico de alta qualidade do genoma da hidra, que eles descreveram como um modelo para um “venerável cnidário”. Ao compará-lo com outros genomas de animais disponíveis, eles descobriram grupos altamente conservados de genes ligados. Embora a ordem dos genes dentro de um bloco fosse muitas vezes embaralhada, os próprios blocos permaneceram estáveis por longos períodos de tempo evolutivo.
Quando os cientistas começaram a sequenciar genomas de animais há cerca de 20 anos, não era uma conclusão precipitada para muitos deles que grupos de genes ligados em cromossomos poderiam permanecer estáveis e reconhecíveis por eras, muito menos que seria possível rastrear a passagem desses blocos. de genes através essencialmente de todas as linhagens animais.
Os animais divergiram de seus parentes unicelulares 600 milhões ou 700 milhões de anos atrás, e “ser capaz de reconhecer os pedaços de cromossomos que ainda são conservados após esse período de tempo é incrível”, disse Jordi Paps, biólogo evolucionário da Universidade de Bristol em o Reino Unido.
“Antes de termos esses dados de cromossomos inteiros, estávamos olhando para pequenos trechos dos cromossomos e vimos muitos rearranjos”, disse Cartwright. “Então, estávamos assumindo que não havia conservação, porque os próprios genes dentro de uma região do cromossomo estão mudando de posição com bastante frequência”.
Ainda assim, embora a ordem dos genes fosse frequentemente reorganizada ao longo dos cromossomos, Rokhsar intuiu, a partir de seus estudos anteriores de genomas de animais, que havia uma relativa estabilidade em que os genes apareciam juntos. “Se você comparar a anêmona-do-mar ou a esponja ao humano? o fato de que os genes estavam no mesmo pedaço de DNA parecia ser conservado”, explicou Rokhsar. “E o padrão sugeriu que cromossomos inteiros também foram conservados.” Mas essa noção não pôde ser testada até recentemente, quando informações genômicas suficientes em escala cromossômica sobre diversos grupos de animais se tornaram disponíveis.
Inércia genômica
Mas o que faria com que blocos de genes permanecessem ligados? Uma explicação para esse fenômeno, que é chamado de sintenia, está relacionada à função do gene, diz Harris Lewin, professor de evolução e ecologia da Universidade da Califórnia, Davis, que estuda a evolução dos genomas dos mamíferos. Pode ser mais eficiente que genes que trabalham juntos também estejam fisicamente localizados juntos; dessa forma, quando uma célula precisa transcrever genes, ela não precisa coordenar a transcrição de vários locais em diferentes cromossomos.
Isso provavelmente explica a conservação de alguns conjuntos de genes cujo arranjo é crítico: os genes Hox que estabelecem os planos corporais dos animais, por exemplo, devem estar em uma ordem específica para estabelecer padrões corporais corretamente. Mas esses genes fortemente ligados estão dentro de um pedaço relativamente curto de DNA. Rokhsar diz que não conhece nenhuma correlação funcional que se estenda por um cromossomo inteiro que possa explicar suas descobertas.
É por isso que Rokhsar é cético em relação à explicação funcional. É atraente (“Esse seria o resultado mais legal, de certa forma”, disse ele), mas também talvez desnecessário porque, a menos que um rearranjo de cromossomos transmita uma grande vantagem funcional, é inerentemente difícil que o rearranjo se espalhe. E os rearranjos geralmente não são vantajosos: durante a meiose e a formação de gametas, todos os cromossomos precisam se emparelhar com um parceiro correspondente. Sem um parceiro, um cromossomo de tamanho ímpar não se tornará parte de um gameta viável, por isso é improvável que chegue à próxima geração. Pequenas mutações que reorganizam a ordem dos genes dentro dos cromossomos ainda podem ocorrer (“Provavelmente há um pouco de espaço para erros em termos de pequenos rearranjos, para que eles ainda possam se reconhecer”, disse Cartwright). Mas cromossomos quebrados ou fundidos tendem a ser becos sem saída.
Talvez em grupos como os mamíferos, que têm tamanhos populacionais pequenos, um rearranjo possa se espalhar aleatoriamente pelo que é conhecido como deriva genética, sugere Rokhsar. Mas em populações grandes e livremente misturadas, como as dos invertebrados marinhos que geram centenas ou milhares de ovos, “é muito difícil para um dos novos rearranjos se estabelecer”, disse ele. “Não é que eles não estejam sendo julgados. É só que eles nunca conseguem se apoiar na evolução.”
Consequentemente, os genes tendem a ficar presos em um cromossomo. “Os processos pelos quais eles se movem são apenas lentos, em uma escala de 500 milhões de anos”, disse Rokhsar. “Mesmo que tenha havido uma enorme quantidade de tempo, ainda não é tempo suficiente para eles se moverem.”
A equipe de Rokhsar descobriu, no entanto, que quando essas raras fusões cromossômicas ocorreram, elas deixaram uma assinatura clara: após uma fusão, os genes dos dois blocos se misturaram e foram reordenados porque “mutações de inversão” se acumularam neles ao longo do tempo. Como resultado, os genes dos dois blocos se misturaram como leite derramado em uma xícara de chá, para nunca mais serem separados. “Há um impulso entrópico para a mixagem que você não pode desfazer”, disse Rokhsar.
E como os processos de fusão, mistura e duplicação de blocos de genes são tão raros, irreversíveis e específicos, eles são rastreáveis: é altamente improvável que um cromossomo se quebre no mesmo lugar duas vezes e depois se funda e se misture com outro bloco de genes da mesma maneira .
As assinaturas desses eventos nos cromossomos representam, portanto, um novo conjunto de características derivadas que os biólogos podem usar para testar hipóteses sobre como as espécies estão relacionadas. Se duas linhagens compartilham uma mistura de dois blocos de genes, então a mistura provavelmente aconteceu em seu ancestral comum. Se as linhagens têm dois conjuntos dos mesmos blocos de genes, provavelmente ocorreu uma duplicação do genoma em seu ancestral comum. Isso torna as sintenias uma “ferramenta muito, muito poderosa”, disse Oleg Simakov, genomicista da Universidade de Viena e primeiro autor dos artigos.
Impressões digitais de eventos evolutivos
“Um dos meus aspectos favoritos do nosso estudo é que fazemos previsões sobre o que esperar em genomas que ainda não foram sequenciados”, escreveu Rokhsar em um e-mail para Quanta. Por exemplo, sua equipe descobriu que diversos invertebrados classificados como espirais compartilham quatro padrões específicos de fusão com mistura, o que implica que os eventos de fusão ocorreram em seu ancestral comum. “Segue-se que todos os espiralianos devem mostrar esses padrões de fusão com mistura”, escreveu Rokhsar. “Se mesmo um espiraliano for encontrado sem esses padrões, então a hipótese pode ser rejeitada!”
Ele acrescentou: “Você não consegue fazer esses tipos de grandes pronunciamentos sobre a história evolutiva com muita frequência”.
Em seu novo artigo da Science Advances, Simakov, Rokhsar e seus colegas usaram a abordagem tectônica para aprender mais sobre o surgimento de alguns dos primeiros grupos de animais há cerca de 800 milhões de anos. Observando a ampla faixa de vida animal representada por esponjas, cnidários (como hidras, águas-vivas e corais) e bilatérios (animais com simetria bilateral), os pesquisadores encontraram 29 blocos de genes altamente conservados entre seus cromossomos.
Então, usando as regras de fusão de cromossomos e mistura de genes que eles identificaram, os pesquisadores reconstruíram os eventos em nível de cromossomo que acompanharam a evolução dessas três linhagens de um ancestral comum. Eles mostraram que os cromossomos de esponjas, cnidários e bilatérios representam formas distintas de combinar elementos do genoma ancestral.
Uma descoberta provocadora foi que alguns dos blocos de genes ligados também parecem estar presentes nos genomas de certas criaturas unicelulares como os coanoflagelados, os parentes mais próximos dos animais multicelulares. Em animais multicelulares, um desses blocos contém um conjunto diversificado de genes homeobox que orientam o desenvolvimento de sua estrutura corporal geral. Isso sugere que um dos primeiros eventos no surgimento de animais multicelulares foi a expansão e diversificação desses importantes genes. “Essas antigas unidades de ligação fornecem uma estrutura para entender a evolução do gene e do genoma em animais”, observaram os cientistas em seu artigo.
Sua abordagem pode distinguir entre diferenças sutis, mas importantes, em eventos cromossômicos. Por exemplo, em seu artigo de 2020, os pesquisadores deduziram que o genoma dos vertebrados sofreu uma duplicação em algum momento do período Cambriano antes que a evolução dividisse os peixes sem mandíbula e com mandíbula. Eles então encontraram evidências de que dois peixes com mandíbulas hibridizaram mais tarde e sofreram uma segunda duplicação de seus genomas; esse híbrido se tornou o ancestral de todos os peixes ósseos.
John Postlethwait, genomicista da Universidade de Oregon, enfatiza a importância do método de análise da equipe. “Eles adotaram uma abordagem estatística e não disseram apenas: ‘Bem, parece que isso e aquilo aconteceu'”, disse ele. “Esta é uma parte realmente importante de sua metodologia, não apenas que eles tiveram acesso a genomas de alta qualidade, mas também que eles adotaram essa abordagem quantitativa e realmente testaram essas hipóteses”.
Esses estudos marcam apenas o início do que a tectônica do genoma e as sintenias genéticas podem nos ensinar. Em pré-impressões recentes compartilhadas no biorxiv.org, a equipe de Rokhsar reconstruiu a evolução dos cromossomos de sapos, e uma equipe europeia analisou a evolução cromossômica de peixes teleósteos. Um estudo na Current Biology encontrou uma “inversão maciça do genoma” que impulsiona a coexistência de formas divergentes em codornas comuns, sugerindo algumas das consequências funcionais do rearranjo dos cromossomos.
É tentador levantar a hipótese de que a mistura desses grupos de ligação gênica possa estar relacionada à diversificação de linhagens e inovação evolutiva durante os últimos 500 milhões de anos. Rearranjos cromossômicos podem levar a incompatibilidades de acasalamento que podem fazer com que uma linhagem se divida em duas. Também é possível que um gene pousando em um novo bairro possa ter levado a inovações na regulação genética. “Talvez essa tenha sido uma das forças motrizes na diversificação dos animais”, disse Simakov.
“Essa é a grande questão”, disse Lewin. “Essas são mudanças verdadeiramente tectônicas no genoma e provavelmente não serão sem consequências”.
Publicado em 07/02/2022 13h12
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