Como as mudanças 3D no genoma transformaram tubarões em patins | Revista Quanta

As criaturas marinhas chamadas patins deslizam pelo fundo do mar, ondulando suas barbatanas peitorais em forma de asas para se impulsionar e agitar pequenas criaturas escondidas na areia. Seu plano incomum de corpo achatado os torna uma das famílias de peixes mais estranhas do mar, e parece ainda mais estranho que eles tenham evoluído de carnívoros aerodinâmicos semelhantes a tubarões que nadaram há cerca de 285 milhões de anos. 

Agora, os pesquisadores descobriram como os patins desenvolveram seu perfil distinto: rearranjos na sequência de DNA do patim alteraram a estrutura 3D de seu genoma e interromperam as conexões antigas entre os principais genes de desenvolvimento e as sequências regulatórias que os governavam. Essas mudanças, por sua vez, reformularam o plano corporal do animal. Os cientistas relatou suas descobertas in Natureza em abril.

A descoberta resolve o mistério da transformação evolutiva dos patins, atribuindo-a aos mecanismos genéticos que direcionam o desenvolvimento. “O registro fóssil informa que essa mudança ocorreu, mas como ela realmente ocorreu?” disse Chris Amemiya, um geneticista molecular da Universidade da Califórnia, Merced, que não esteve envolvido no novo estudo. “Esta é uma pergunta clássica de evo-devo.”

Para descobrir as origens da nova forma do corpo dos patins, alguns anos atrás, o genomicista evolutivo José Luis Gómez-Skarmeta reuniu uma equipe internacional diversificada de pesquisadores de genômica e biólogos do desenvolvimento evolutivo. Uma equipe era necessária em parte porque o primeiro passo seria sequenciar e montar o genoma de uma raia, e compilar os genomas de peixes cartilaginosos como raias e tubarões é extremamente difícil.

“Eles são realmente difíceis de montar, porque são enormes – muitas vezes maiores que o genoma humano”, disse Mélanie Debiais-Thibaud, geneticista do desenvolvimento evolutivo da Universidade de Montpellier, na França, que não participou do trabalho.

Para o trabalho, a equipe selecionou o pequeno patim (Leucoraja erinacea), que é facilmente coletado ao longo da costa atlântica da América do Norte. Também pode ser criado em laboratório, o que possibilitou experimentos de desenvolvimento e funcionais nos animais como parte do projeto. 

Ao comparar o genoma da pequena arraia com os genomas de outros vertebrados, os pesquisadores determinaram que o genoma da arraia geralmente permaneceu muito semelhante ao de seus ancestrais vertebrados no nível da sequência. No entanto, houve alguns rearranjos notáveis ​​que teriam afetado a estrutura 3D do genoma. No DNA dos indivíduos, tais rearranjos podem causar doenças, desregulando a regulação genética. A descoberta levou os pesquisadores a se perguntarem se os rearranjos nos patins poderiam ter interrompido de forma semelhante as instruções genéticas originais de seu plano corporal. 

Rompendo os limites

Se você olhar para a sequência de DNA de um cromossomo, os genes nele podem parecer surpreendentemente distantes das curtas sequências “intensificadoras” que regulam a atividade desses genes. Na prática, porém, devido à forma como o DNA no núcleo de uma célula se enrola, dobra e volta sobre si mesmo, eles geralmente não estão muito distantes.

Nos vertebrados, conjuntos de genes funcionalmente relacionados e seus intensificadores são fisicamente agrupados em três dimensões em unidades chamadas domínios de associação topológica, ou TADs. As regiões de fronteira ajudam a garantir que os intensificadores atuem apenas em genes no mesmo TAD.

No entanto, quando ocorrem grandes rearranjos do genoma – como os que a equipe estava vendo no DNA do skate – os limites podem ser perdidos e as posições relativas dos genes nos cromossomos podem mudar. Como resultado, “alguns potenciadores podem fornecer instruções para o gene errado”, explicou Dario Lupiáñez, biólogo evolutivo do Max Delbrück Center, em Berlim, e um dos principais autores do estudo.

Parecia possível que as mudanças na arquitetura 3D do genoma do skate pudessem ter interrompido os antigos blocos de genes que os patins herdaram de seus ancestrais semelhantes aos tubarões, afetando a função dos genes. “Estávamos tentando ver se alguns rearranjos do genoma no pequeno patim realmente quebram esses blocos”, disse Fernando Marlétaz, genomicista da University College London e coautor do estudo.

Os pesquisadores identificaram rearranjos do genoma na pequena raia que não estavam presentes em nenhum outro vertebrado. Em seguida, eles concentraram seu foco nas mudanças que pareciam mais prováveis ​​de afetar a integridade dos TADs, com base nas sequências do genoma.

O esforço os levou a um rearranjo que eles previram que eliminaria a fronteira de um TAD que regula um sistema de desenvolvimento chamado via de polaridade celular planar (PCP). Eles não esperavam isso: nada sobre as funções conhecidas da via do PCP sugeria imediatamente que ele regularia o desenvolvimento das nadadeiras. Principalmente, estabelece a forma e a orientação das células nos embriões.

Um novo bairro genético

Para testar o impacto potencial da alteração do TAD no desenvolvimento das barbatanas, Tetsuya Nakamura, um biólogo evolutivo do desenvolvimento da Rutgers University, expôs pequenos embriões de arraia a um inibidor da via PCP. A borda anterior (frente) de suas nadadeiras foi fortemente alterada e não cresceu para se juntar à cabeça como normalmente faria. Sugeriu que a interrupção do TAD ancestral produziu as barbatanas distintas do skate ativando genes PCP em uma nova parte do corpo.

“Esse rearranjo do TAD basicamente muda todo o ambiente do gene e traz novos intensificadores para a vizinhança do gene”, disse Lupiáñez.

Mas essa não foi a única mudança relevante no genoma que os pesquisadores encontraram. Eles também identificaram uma mutação em um intensificador que regula a expressão de alguns genes no desenvolvimento importante Hox grupo. hox os genes especificam o plano geral do corpo em todos os animais bilateralmente simétricos. Um subconjunto deles, o hoxa agrupamento de genes, geralmente é expresso apenas nas bordas posteriores (traseiras) das nadadeiras em desenvolvimento e nos membros, onde especifica a formação dos dígitos.

No patimzinho, o hoxa os genes estavam ativos nas partes posterior e anterior da nadadeira. Era como se a zona de crescimento na parte de trás da barbatana tivesse sido duplicada na frente, de modo que o animal criou um novo conjunto de estruturas na parte anterior da nadadeira simétrica com as estruturas na parte posterior, disse Debiais-Thibaud.

Nakamura mostrou que o intensificador mutante do skate estava causando esse novo hoxa padrão de expressão. Ele combinou o potencializador do skate com um gene para uma proteína fluorescente e então inseriu essa combinação de genes em embriões de peixe-zebra. As barbatanas peitorais do peixe cresceram de forma anormal e a fluorescência apareceu ao longo das bordas dianteira e traseira, o que mostrou que o intensificador do skate estava dirigindo hoxa expressão em ambas as partes da aleta. Quando Nakamura repetiu o experimento com um intensificador de tubarão, o crescimento das nadadeiras não foi afetado e a fluorescência ficou limitada à parte posterior.

“Portanto, agora estamos pensando que as mutações genéticas ocorreram especificamente no aprimorador de skate, e isso pode levar a Hox expressão genética em nadadeiras de skate”, disse Nakamura.

Moldado para novos modos de vida

Na imagem da evolução do skate que os pesquisadores reconstruíram, em algum momento depois que a linhagem do skate divergiu dos tubarões, eles adquiriram uma mutação em um intensificador que fez sua hoxa genes ativos na frente e atrás de suas nadadeiras peitorais. E dentro dos novos tecidos que crescem ao longo da parte anterior da barbatana, os rearranjos do genoma fizeram com que a via PCP fosse ativada por intensificadores em um TAD diferente, o que teve o efeito adicional de fazer a barbatana se estender para frente e se fundir com a cabeça do animal.

“Ao formar a estrutura em forma de asa, [os patins] agora são capazes de habitar um nicho ecológico totalmente diferente, o fundo do oceano”, explicou Amemiya.

Arraias, mantas e outras raias estão intimamente relacionadas com os patins (todos são classificados como peixes “batóides”), e sua forma semelhante a uma panqueca provavelmente se deve aos mesmos rearranjos do genoma. As raias, no entanto, também modificaram suas nadadeiras em forma de asas de maneira que basicamente permitem que elas voem pela água. “Os patins têm essas ondulações da nadadeira e ficam no fundo, mas as arraias podem vir à superfície e ter uma forma de locomoção totalmente diferente”, disse Amemiya.

Embora os biólogos evolutivos do desenvolvimento tenham especulado anteriormente que essas mudanças na arquitetura 3D de um genoma podem ser possíveis, este é provavelmente um dos primeiros trabalhos a ligá-los claramente a grandes mudanças na forma do corpo, disse Marlétaz.

Lupiáñez também acredita que as descobertas têm um significado que vai muito além da compreensão dos patins. “Esta é uma maneira completamente nova de pensar sobre a evolução”, disse ele. Rearranjos estruturais “podem fazer com que um gene seja ativado em um lugar onde não deveria estar”. Ele acrescentou: “Isso pode ser um mecanismo de doença, mas também pode servir como um motor da evolução”.