Aproximadamente 500 milhões de anos atrás, algo que mudaria para sempre o curso do desenvolvimento eucariótico estava se formando no genoma de algum organismo sortudo: um gene chamado Pax6. Acredita-se que o gene tenha orquestrado a formação de um sistema visual primitivo e, nos organismos atuais, ele inicia uma cascata genética que recruta mais de 2.000 genes para construir diferentes partes do olho.
Pax6 é apenas um dos milhares de genes que codificam fatores de transcrição, cada um com a poderosa capacidade de amplificar e silenciar milhares de outros genes. Embora os geneticistas tenham dado um salto no entendimento de como os genes com funções diretas e relativamente simples poderiam ter evoluído, as explicações para os fatores de transcrição têm escapado aos cientistas. O problema é que o sucesso de um fator de transcrição depende de quão útil ele atinge um grande número de locais em todo o genoma simultaneamente; é difícil imaginar como a seleção natural permite que isso aconteça. A resposta pode ser a chave para entender como surgem novidades evolutivas complexas, como os olhos, disse Cédric Feschotte, biólogo molecular da Universidade Cornell.
Por mais de uma década, Feschotte apontou os transposons como os inovadores definitivos em genomas eucarióticos. Os transposons são elementos genéticos que podem se copiar e inserir essas cópias em todo o genoma usando uma enzima de splicing que eles fazem. Feschotte pode ter finalmente encontrado a arma fumegante que estava procurando: como ele e seus colegas relataram recentemente na Science, esses genes saltadores se fundiram com outros genes quase 100 vezes em tetrápodes nos últimos 300 milhões de anos, e muitos dos genes resultantes mashups provavelmente codificam fatores de transcrição.
O estudo fornece uma explicação plausível de como os chamados reguladores mestres como Pax6 poderiam ter nascido, disse Rachel Cosby, a primeira autora do novo estudo, que era uma estudante de doutorado no laboratório de Feschotte e agora é pós-doc no National Institutes of Saúde. Embora os cientistas tenham teorizado que o Pax6 surgiu de um transposon há centenas de milhões de anos, as mutações desde então obscureceram as pistas sobre como ele se formou. “Pudemos ver que provavelmente era derivado de um transposon, mas aconteceu há tanto tempo que perdemos a janela para ver como ele evoluiu”, disse ela.
David Adelson, presidente de bioinformática e genética computacional da University of Adelaide, na Austrália, que não esteve envolvido no estudo, disse: “Este estudo fornece uma boa compreensão mecanicista de como esses novos genes podem se formar e implica diretamente na atividade de transposon a si mesma como a causa.”
Os cientistas sabem há muito tempo que os transposons podem se fundir com genes estabelecidos porque viram as assinaturas genéticas exclusivas dos transposons em um punhado deles, mas o mecanismo preciso por trás desses eventos de fusão improváveis é amplamente desconhecido. Ao analisar genes com assinaturas de transposon de quase 600 tetrápodes, os pesquisadores encontraram 106 genes distintos que podem ter se fundido com um transposon. O genoma humano carrega 44 genes que provavelmente nasceram dessa maneira.
A estrutura dos genes em eucariotos é complicada, porque seus projetos para a produção de proteínas são quebrados por íntrons. Essas sequências não codificantes são transcritas, mas são retiradas dos transcritos do RNA mensageiro antes que ocorra a tradução em proteína. Mas de acordo com o novo estudo de Feschotte, um transposon pode ocasionalmente saltar para um intron e alterar o que é traduzido. Em alguns desses casos, a proteína produzida pelo gene de fusão é um mashup do produto original e da enzima de splicing do transposon (transposase).
Uma vez que a proteína de fusão é criada, “ela tem um conjunto pronto de locais de ligação potenciais espalhados por todo o genoma”, disse Adelson, porque sua parte da transposase ainda é atraída pelos transposons. Quanto mais sítios de ligação potenciais para a proteína de fusão, maior a probabilidade de ela alterar a expressão do gene na célula, potencialmente dando origem a novas funções.
“Não se trata apenas de novos genes, mas de arquiteturas totalmente novas para proteínas”, disse Feschotte.
Cosby descreveu os 106 genes de fusão descritos no estudo como a “ponta mais ínfima do iceberg”. Adelson concordou e explicou por quê: eventos que criam genes de fusão aleatoriamente para proteínas funcionais não prejudiciais dependem de uma série de coincidências e devem ser extremamente raros; para que os genes de fusão se espalhem por uma população e resistam ao teste do tempo, a natureza também deve selecionar positivamente para eles de alguma forma. Para os pesquisadores terem encontrado os exemplos descritos no estudo tão prontamente, os transposons devem certamente causar eventos de fusão com muito mais frequência, disse ele.
“É muito improvável que todas essas etapas aconteçam, mas é assim que a evolução funciona”, disse Feschotte. “É muito peculiar, oportunista e muito improvável no final, mas você vê isso acontecer repetidamente em escalas de tempo de centenas de milhões de anos.”
Para testar se os genes de fusão agiam como fatores de transcrição, Cosby e seus colegas encontraram um que evoluiu em morcegos de 25 milhões a 45 milhões de anos atrás – um piscar de olhos no tempo evolutivo. Quando eles usaram o CRISPR para excluí-lo do genoma do morcego, as mudanças foram impressionantes: a remoção desregulou centenas de genes. Assim que o restauraram, a atividade normal do gene foi retomada.
Para Adelson, isso mostra que Cosby e seus co-autores praticamente “pegaram um desses eventos de fusão no ato”. Ele acrescentou: “É especialmente surpreendente porque você não esperaria que um novo fator de transcrição causasse a reconexão total das redes transcricionais se tivesse sido adquirido há relativamente pouco tempo”.
Embora os pesquisadores não tenham determinado a função das outras proteínas de fusão definitivamente, as marcas genéticas dos fatores de transcrição estão lá: cerca de um terço das proteínas de fusão contém uma parte chamada KRAB que está associada à repressão da transcrição do DNA em animais. Por que as transposases tendem a se fundir com genes que codificam KRAB é um mistério, disse Feschotte.
Os transposons compreendem um grande pedaço de DNA eucariótico, mas os organismos tomam medidas extremas para regular cuidadosamente sua atividade e prevenir a destruição causada por problemas como instabilidade genômica e mutações prejudiciais. Esses perigos fizeram Adelson se perguntar se os genes de fusão às vezes colocam em risco a regulação gênica ordenada. “Você não está apenas perturbando uma coisa, mas está perturbando toda essa cascata de coisas”, disse ele. “Como é que você pode mudar a expressão de todas essas coisas e não ter um morcego de três cabeças?” Cosby, no entanto, pensa que é improvável que um gene de fusão que leva a alterações morfogênicas prejudiciais se propague prontamente por uma população.
Damon Lisch, um geneticista de plantas da Purdue University que estuda elementos transponíveis e não estava envolvido no estudo, disse que espera que este estudo vá contra uma noção difundida, mas equivocada, de que os transposons são “DNA lixo”. Elementos transponíveis geram enormes quantidades de diversidade e têm sido implicados na evolução da placenta e do sistema imunológico adaptativo, explicou ele. “Eles não são lixo – eles são pequenas criaturas vivas em seu genoma que estão sob seleção muito ativa por longos períodos de tempo, e o que isso significa é que eles desenvolvem novas funções para permanecer em seu genoma”, disse ele.
Embora este estudo destaque o mecanismo subjacente aos genes de fusão da transposase, acredita-se que a grande maioria do novo material genético se forma por meio da duplicação genética, na qual os genes são copiados acidentalmente e os extras divergem por meio de mutação. Mas uma grande quantidade de material genético não significa que as novas funções das proteínas serão significativas, disse Cosby, que continua investigando a função das proteínas de fusão.
“A evolução é o consertador e oportunista definitivo”, disse David Schatz, um geneticista molecular da Universidade de Yale que não esteve envolvido no estudo. “Se você der uma ferramenta para a evolução, ela pode não usá-la imediatamente, mas mais cedo ou mais tarde ela vai tirar proveito dela.”
Publicado em 13/05/2021 10h19
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