Uma mutação transformou formigas em parasitas em uma geração

quando o pesquisador Daniel Kronauer ainda era um pós-doutorando em 2008, ele viajou para Okinawa, no Japão, em busca de espécimes silvestres de formigas invasoras clonais (a espécie Ooceraea biroi). Na primeira colônia que coletou, notou duas formigas com uma aparência estranha. Elas eram pequenas como as operárias, mas também exibiam pequenos botões nas asas, o que era impressionante porque geralmente apenas formigas rainhas desenvolvem asas. O que tornou isso ainda mais estranho foi que as formigas invasoras clonais nem mesmo têm rainhas: de acordo com seu nome, essas formigas se reproduzem assexuadamente, então todas as formigas em uma colônia são clones genéticos quase perfeitos.

Kronauer ficou intrigado com as rainhas em miniatura porque elas pareciam muito diferentes das outras formigas invasoras clonais, embora acreditasse que fossem da mesma espécie. Mas as respostas para suas perguntas não estavam disponíveis, então ele pegou alguns espécimes, tirou algumas fotos para registro e depois seguiu em frente com seu trabalho.

Alguns anos depois, Kronauer estabeleceu um laboratório na Universidade Rockefeller e montou uma colônia de formigas invasoras clonais para estudo. Um dia, seu então aluno de doutorado Buck Trible encontrou mais algumas das estranhas rainhas em miniatura naquela colônia e decidiu caracterizá-las.

Trible descobriu que as asas não eram a única característica incomum das formigas. As estranhas formigas também apresentavam comportamentos sociais diferentes, tinham ovários maiores e botavam o dobro de ovos. Usando ferramentas genéticas, ele rastreou todas essas mudanças em um trecho de DNA de 2.25 milhões de pares de bases. Nas formigas comuns, o DNA em cada uma das duas cópias de seu cromossomo 13 era diferente. Mas nas formigas rainhas em miniatura, as duas cópias eram idênticas.

Como Trible, Kronauer e seus colegas relatado em março in Current Biology, todas as características das estranhas formigas - as asas, os comportamentos sociais e os traços reprodutivos - foram causadas pelo que os geneticistas chamam de supergene, uma coleção de genes que são herdados como uma unidade e altamente resistentes a serem quebrados. Em algum momento de sua evolução, as formigas adquiriram uma segunda cópia desse supergene, e essa mudança cromossômica transformou seus corpos e comportamentos. As descobertas sugeriram um novo mecanismo de como combinações complexas de partes do corpo e comportamentos às vezes podem surgir de uma só vez na evolução: por meio de uma mutação que duplica um supergene, alternando conjuntos inteiros de características como fios de luzes controlados por um interruptor de luz.

Os pesquisadores de formigas estão entusiasmados com o trabalho, e não apenas porque parece resolver um mistério de décadas sobre como pelo menos uma forma de parasitismo social evolui nos insetos. As descobertas supergênicas também podem ajudá-los a identificar características há muito procuradas na arquitetura genética das formigas que fazem com que suas colônias se desenvolvam como castas hierárquicas de rainhas e operárias.

De forma mais ampla, o novo estudo também oferece insights sobre uma questão evolutiva fundamental sobre quão diferentes os indivíduos de uma única espécie podem ser.

“A coisa mais emocionante sobre este estudo é quantas direções futuras ele abre”, disse Jéssica Purcell, um geneticista evolutivo da Universidade da Califórnia, em Riverside, que estuda genomas de formigas.

Um paradoxo de parasitismo

As formigas atraem a atenção de pesquisadores como Kronauer e Trible porque a maioria das espécies tem uma estrutura social ligada à sua biologia. Em um ninho típico, uma única grande formiga rainha reprodutora preside legiões de operárias menores e não reprodutivas que são suas filhas. As operárias constroem um ninho, coletam alimentos, repelem invasores e cuidam dos filhotes da colônia, liberando a rainha para apenas botar ovos.

Algumas espécies de formigas, no entanto, desviam-se desse plano ao se engajar em formas de parasitismo social – isto é, elas exploram a estrutura social de outras espécies de formigas. As formigas escravistas, por exemplo, roubam larvas de outros ninhos e as imprimem quimicamente para se tornarem operárias que servem à rainha dos escravistas.

Muitas décadas atrás, os pesquisadores notaram que algumas espécies de formigas empregam um tipo de parasitismo mais clandestino. Os parasitas perderam sua casta operária. Para sobreviver, suas pequenas rainhas se infiltram nas colônias de outras espécies de formigas e ali depositam seus ovos. Os trabalhadores hospedeiros explorados fazem tudo por eles, desde cuidar de suas crias até protegê-los e alimentá-los. Essa relação entre as espécies é chamada de parasitismo obrigatório, porque os parasitas não podem sobreviver por conta própria.

Esses parasitas sociais sem trabalho, às vezes chamados de inquilinos (da palavra latina para “inquilinos”), têm uma aparência distinta que, aos olhos humanos, facilmente os distingue de seus hospedeiros. Mas seu esquema parasitário é bem-sucedido porque eles desenvolveram maneiras de roubar odores químicos do ninho hospedeiro para se camuflar.

Análises genômicas mostraram que as espécies de formigas inquilinas evoluíram independentemente dezenas de vezes, e quase todas elas parasitam uma espécie intimamente relacionada que se parece e se comporta como as formigas normalmente fazem. Para os biólogos evolutivos, isso representava um mistério: como uma nova espécie de parasita social obrigatório poderia evoluir de sua espécie hospedeira? Se seus ancestrais tivessem vivido juntos no mesmo ninho, eles teriam se cruzado com muita facilidade.

Por muitos anos, os pesquisadores levantaram a hipótese de que o passo inicial foi o isolamento reprodutivo: que os primeiros ancestrais dos inquilinos eram formigas normais que foram isoladas reprodutivamente de seus parentes por tempo suficiente para divergir geneticamente delas e se tornar uma nova espécie. Eles podiam viver sozinhos, mas alguns deles acabaram descobrindo os benefícios de se esgueirar de volta aos ninhos de seus ancestrais em busca de ajuda. Sua dependência de seus hospedeiros aumentou gradualmente e eles evoluíram de um estado de parasitismo opcional ou “facultativo” para o parasitismo obrigatório.

O problema com essa ideia, explicou Kronauer, é que ninguém jamais observou na natureza o que deveria ser uma etapa inicial e essencial do processo: parasitas sociais facultativos e de vida livre vivendo isolados de seus parentes próximos.

As novas descobertas de Trible e Kronauer viram de cabeça para baixo as suposições anteriores. Seu cenário alternativo se concentrou no par de supergenes incompatíveis nas formigas invasoras clonais. Em algum momento da história, uma dessas formigas experimentou uma mutação que substituiu o supergene em um cromossomo por uma cópia do supergene do outro cromossomo. A formiga mutante resultante com duas cópias da versão “parasitária” do supergene poderia ter se desenvolvido repentinamente em uma rainha em miniatura que se parecia muito com um inquilino.

O trabalho mostrou que uma única mutação em um supergene era suficiente para produzir o conjunto completo de mudanças observadas nos parasitas obrigatórios, mesmo antes de as formigas serem divididas por especiação.

“Você pode ir de vida livre para parasita obrigatório em uma etapa, e não precisa seguir uma série de etapas graduais envolvendo uma população intermediária facultativa isolada reprodutivamente”, disse Trible, que agora está na Universidade de Harvard. “O que podemos ter certeza é que um pai de vida livre teve uma filha que se tornou imediatamente um parasita obrigatório.”

Ele continuou: “Esse é o cenário que nunca foi cogitado por nenhum dos teóricos evolutivos clássicos, porque esse é o cenário que foi considerado um salto grande demais para você aceitar”.

O fato de que uma única mutação pode mudar todas essas características em uma única etapa “realmente muda a maneira como pensamos sobre a evolução desses estranhos parasitas sociais sem trabalhadores”, disse Kronauer.

A Força dos Supergenes

Pouco se sabe sobre a história evolutiva do supergene no cromossomo 13 que confere o fenótipo do parasita social. No entanto, é improvável que tenha evoluído em uma espécie clonal como as formigas invasoras. “As formigas clonais teriam sido o último lugar para procurar por supergenes”, disse Michel Chapuisat, que estuda supergenes de formigas na Universidade de Lausanne, na Suíça.

A razão é que todas as formigas em uma espécie clonal são geneticamente idênticas: mutações aleatórias à parte, seus genomas passam inalterados de pais para filhos. Algo mais complicado, no entanto, acontece em espécies sexualmente reprodutivas.

Nas células que produzem óvulos e espermatozoides, as cópias materna e paterna dos cromossomos se alinham e trocam segmentos correspondentes de DNA. Esse processo de “recombinação” permite que conjuntos de características herdadas sejam reembaralhados aleatoriamente; sem ela, os genes ficariam presos às linhagens materna ou paterna para sempre.

Por causa da recombinação, genes para vários comportamentos parasitários poderiam ter sido reunidos aleatoriamente no cromossomo 13. A seleção natural teria então favorecido fortemente a união daqueles alelos que funcionaram bem juntos. “Se você tem um gene determinante de parasita, pode gradualmente colocar um monte de outros genes próximos a ele que tornam [a formiga] cada vez melhor como parasita”, disse Trible.

A recombinação pode eventualmente ter separado esses genes novamente, mas um acidente genético fatídico interveio. Às vezes, quando os cromossomos estão sendo reparados após danos, um pedaço de DNA é reinserido em uma orientação invertida. Como o DNA invertido não pode se alinhar com sua contraparte cromossômica, ele não pode se recombinar, então todos os genes no DNA são permanentemente presos juntos como uma nova unidade hereditária – um supergene.

Isso pode ser o que aconteceu no cromossomo 13: uma inversão naquele trecho de DNA de 2.25 milhões de pares de bases poderia ter unido as características do parasitismo social como um supergene, que a seleção natural então manteve. Purcell observou que muitas pesquisas envolvem outras maneiras pelas quais um supergene como este poderia ter surgido, mas “há um grande benefício em ter alelos que funcionam bem juntos, reunidos em uma região com baixa recombinação”, disse ela.

Chapuisat acredita que é provável que o supergene para todas as características parasitárias observadas tenha evoluído ao longo do tempo em um ancestral sexual das formigas invasoras clonais. O parasitismo teria se manifestado nas formigas que carregavam duas cópias do supergene, e as formigas com uma ou nenhuma cópia teriam sido suas hospedeiras. Quando as formigas invasoras se tornaram clonais e heterozigotas, com apenas uma cópia do supergene, o comportamento parasitário desapareceu – mas o supergene persistiu. E quando uma mutação acabou criando novos invasores clonais homozigotos, os traços supergênicos adormecidos foram reativados e os mutantes em miniatura semelhantes a rainhas apareceram da noite para o dia.

Rearranjo cromossômico e evolução

Este supergene de formiga está longe de ser um exemplo isolado; no mínimo, pode ilustrar uma maneira mais geral e ainda subestimada pela qual muitos traços complexos evoluem.

“Há cada vez mais estudos que nos mostram que os rearranjos do genoma podem ter uma influência fundamental no comportamento e na organização social das espécies”, disse Christian Rabeling, entomologista da Universidade de Hohenheim em Stuttgart, Alemanha, que estuda como o parasitismo social evoluiu em formigas.

No gênero de reprodução sexuada de 30 milhões de anos de Fórmica formigas, por exemplo, há pelo menos quatro linhagens nas quais um supergene compartilhado determina se sua colônia terá uma rainha ou muitas. Outros grupos de formigas têm supergenes que evoluíram independentemente, controlando conjuntos de características comportamentais e morfológicas importantes para seu modo de vida, disse Purcell.

Todos esses supergenes podem ser o que Trible e outros pesquisadores agora chamam de “cromossomos sociais”. Assim como os cromossomos sexuais X e Y em humanos determinam o sexo, os supergenes nas formigas determinam a organização social das colônias. Não é uma comparação superficial para Trible. Supergenes e cromossomos sexuais agrupam genes que são sempre herdados juntos e coletivamente conferem conjuntos de características. Assim como algumas características ligadas ao sexo são vantajosas para machos ou fêmeas, mas não para ambos, os supergenes parasitários podem ser vantajosos para os inquilinos homozigotos, mas não para os hospedeiros heterozigotos.

“Por alguma razão, os geneticistas populacionais deixaram de lado os cromossomos sexuais como uma forma separada de evolução”, disse Trible. Embora ainda seja incerto o quão comuns são os cromossomos sociais, “o que [eles] estão nos dizendo é que os supergenes estão por toda parte e os cromossomos sexuais são um caso especial de supergene”.

Ainda não se sabe quais genes exatos e elementos de controle estão agrupados no supergene das formigas invasoras clonais. Mas dissecar esse supergene e outros em diferentes espécies de formigas pode revelar algo sobre a evolução e o desenvolvimento de castas em colônias de formigas. Quando uma larva de formiga está se desenvolvendo, sinais ambientais determinam se ela se tornará uma rainha ou uma operária, uma decisão que dita o comportamento da larva, seu tamanho corporal, o desenvolvimento de suas asas e ovários e sua capacidade de botar ovos. Essas características estão tão fortemente associadas que os pesquisadores descobriram que a mudança experimental de uma geralmente puxa as outras junto com ela. Trible e Kronauer pensam que, ao aprender como o supergene do parasitismo alterou a correlação entre o tamanho do corpo e as outras características associadas à rainha, os pesquisadores podem descobrir os mecanismos genéticos para o desenvolvimento normal da casta.

Especiação, Evolução e Parasitismo

O trabalho de Trible e Kronauer também levanta outras questões sobre evolução e desenvolvimento, incluindo como uma mutação supergênica se relaciona com a especiação. No Fórmica formigas, as colônias de rainha única e rainha múltipla não parecem estar se dividindo em linhagens independentes. Ambas as formas do supergene parecem ser confortavelmente mantidas como um “polimorfismo” dentro de uma única espécie.

Para Chapuisat, a questão é se os mutantes semelhantes a rainhas são uma “linhagem trapaceira” se comportando como um parasita dentro da espécie clonal de formiga invasora. “Ou está a caminho de se tornar uma espécie separada?” ele perguntou.

Como exatamente um evento de especiação poderia acontecer após o surgimento do fenótipo parasitário é um mistério, mas esse tipo de mutação supergênica fornece um mecanismo plausível para a especiação rápida por meio do parasitismo social, disse Purcell. Tanto ela quanto Chapuisat alertaram, no entanto, que todas essas questões e especulações são complicadas pela escorregadia de definir o que é uma espécie em um organismo clonal como essas formigas.

Para demonstrar que uma mutação supergênica realmente é o mecanismo pelo qual as espécies de parasitas sociais evoluem, Rabeling sugere que será importante ver se as inversões nos cromossomos, que são marcas estruturais dos supergenes, estão presentes em muitos pares hospedeiro-parasita. As dezenas de outras espécies de formigas inquilinas têm mutações supergênicas semelhantes?

Rabeling acredita que pode haver outros mecanismos, como a hibridização, que também poderiam criar o supergene com essa constelação de características. “Eu esperaria que não houvesse apenas um mecanismo para a evolução do parasitismo social, mas provavelmente muitos mecanismos diferentes”, disse ele. “E quanto mais sistemas empíricos estudarmos, mais mecanismos para a origem do parasitismo social provavelmente encontraremos.”