Introdução
Empoleirado numa folha na floresta tropical, o pequeno sapo dourado da manta guarda um segredo. Ele compartilha esse segredo com a rã de língua bifurcada, a rã-junca e uma miríade de outras rãs nas colinas e florestas da nação insular de Madagascar, bem como com as jibóias e outras cobras que as atacam. Nesta ilha, onde muitas das espécies animais não ocorrem em nenhum outro lugar, os geneticistas fizeram recentemente uma descoberta surpreendente: espalhado pelos genomas das rãs está um gene, BovB, que aparentemente veio de cobras.
Depois de se debruçarem sobre genomas de espécies de rãs e cobras em todo o mundo, os cientistas relataram em abril em um papel in Biologia Molecular e Evolução que este gene de alguma forma viajou de cobras para sapos pelo menos 50 vezes em todo o planeta. Mas em Madagascar ele se inseriu nas rãs com surpreendente promiscuidade: 91% das espécies de rãs amostradas lá o possuem. Algo parece fazer de Madagascar um lugar excepcionalmente propício para a mobilidade do gene.
Quando Atsushi Kurabayashi, professor associado do Instituto Nagahama de Biociência e Tecnologia e autor sênior do novo artigo, viu pela primeira vez a versão cobra do gene em sapos, ele ficou intrigado. Ele perguntou a um colega especializado em genômica sobre isso, e o colega imediatamente gritou: “Deve ser uma transferência horizontal!” — a transferência de um gene de uma espécie para outra, em contraste com a herança vertical de genes de um progenitor por um filho.
Essa explosão colocou Kurabayashi na pista de um fenômeno que antes era considerado extremamente raro, embora o surgimento de um melhor sequenciamento genômico tenha levado os biólogos a reavaliar essa opinião. E este novo artigo, que mostra que a transferência horizontal de genes pode ser mais provável em alguns locais do que noutros, complica ainda mais a história. Sugere que, ao procurarem explicações para as transferências horizontais, os investigadores poderão ter de olhar para além dos simples mecanismos genéticos, para os contextos ecológicos em que as espécies vivem. Os genomicistas ainda estão a lutar para compreender até que ponto as transferências horizontais são comuns ou raras em organismos complexos, mas alguns lugares, como Madagáscar, podem ser pontos críticos para elas.
Introdução
Quando os genes vagam
A transferência horizontal é comum em bactérias. Os abundantes organismos unicelulares que povoam quase todos os recantos do planeta captam genes do seu ambiente com a mesma facilidade com que uma escova de fiapos recolhe pêlos de gato. Essa é uma das razões pelas quais a resistência bacteriana aos antibióticos é generalizada: os genes protetores são transmitidos facilmente e a seleção natural garante que as bactérias resistentes superem as suas vizinhas e passem os seus genes para a próxima geração. As bactérias trocam genes tão facilmente que alguns cientistas chegaram a propor que as bactérias se formassem uma teia de vida relacionada em vez de uma árvore genealógica ramificada.
As células de organismos eucarióticos como humanos, sapos e cobras, entretanto, são diferentes. O núcleo celular geralmente parece uma fortaleza para proteger o genoma. O DNA é cuidadosamente enrolado e armazenado na biblioteca daquela cidadela, com enzimas evocando apenas os genes que precisam ser examinados a qualquer momento. A célula é carregada com dispositivos de segurança para evitar danos ao seu DNA e reparar o desgaste. Se o genoma é como um manuscrito iluminado de valor inestimável, seus bibliotecários carregam espadas.
No entanto, exemplos de transferências horizontais de genes envolvendo eucariontes continuam aparecendo na literatura científica. Arenques e smelts, peixes não aparentados que nadam nas águas geladas do Ártico, do norte do Pacífico e do norte dos oceanos Atlântico, têm precisamente o mesmo gene por uma proteína que evita que o sangue congele; provavelmente saltou dos arenques para os fundidos. Laurie Graham, bióloga molecular da Queen's University, no Canadá, e seus colegas relataram isso no ano passado; suas descobertas foram tão contra-intuitivas que Graham teve dificuldade em publicar o trabalho.
Da mesma forma, o biólogo evolucionista Etienne GJ Danchin e os seus colegas do Instituto Nacional de Investigação da Agricultura, Alimentação e Ambiente em França estão a estudar um conjunto de enzimas que os vermes nematóides pegaram das bactérias. E mais de 100 famílias de genes parecem ter saltado dos micróbios para as plantas há muito tempo, escreveu Jinling Huang da Eastern Carolina University e colegas em um papel este ano.
Existem razões maravilhosamente claras pelas quais a evolução sorriu para algumas destas transferências improváveis. Os peixes com o gene não congelam. As enzimas digestivas dos nematóides permitem-lhes extrair mais energia das paredes celulares das plantas que comem. Por causa de um conjunto de enzimas coletadas de bactérias, as algas vermelhas que habitam fontes termais estudadas pelo biólogo evolucionista Debashish Bhattacharya e seu aluno Júlia Van Etten na Universidade Rutgers podem sobreviver ao contato com substâncias que de outra forma os matariam. Se um gene aumenta a sobrevivência, não demora muito para que os descendentes do primeiro organismo a adquiri-lo assumam o controle.
Nem todos esses genes errantes, entretanto, trazem necessariamente uma vantagem. BovB é um transposon bem conhecido, um pedaço de material genético propenso a saltar aleatoriamente pelo genoma. De certa forma, os seus saltos de cobras para sapos em Madagáscar – independentemente da forma como ocorreram – são apenas saltos bizarramente maiores do que o habitual. Além disso, embora os transposons possam ter efeitos profundos nos genomas, BovB não é um gene com uma função no sentido tradicional; é apenas um pedaço de DNA que faz cópias de si mesmo. Kurabayashi observa que embora a possibilidade de que BovB beneficiado, os sapos não podem ser descartados, é mais provável que BovB persiste através de seu próprio sucesso agressivo na autoduplicação. Isto pode ajudar a explicar por que é que quando os eucariontes acabam com o material genético de outros organismos, transposons como BovB estão frequentemente envolvidos.
Por mais estranho que possa parecer para os eucariontes captarem genes de bactérias, mais estranho ainda é o fato de que exemplos de transferência horizontal de genes na outra direção são muito mais raros. Por alguma razão, as bactérias não querem os nossos genes. Os genes eucarióticos têm características estruturais que os tornam um material menos que perfeito para bactérias, mas também pode haver outros fatores contribuintes.
“Talvez os eucariontes não tenham os genes nos quais as bactérias estão interessadas”, disse Patrick Keeling, biólogo da Universidade da Colúmbia Britânica que estuda transferências horizontais.
Tornando-se viral
Ao contrário das bactérias, os vírus têm um talento especial para captar genes dos seus hospedeiros eucarióticos. Os vírus, especialmente os chamados retrovírus, possuem as ferramentas para entrar nas células e núcleos do hospedeiro e são mestres na inserção de material genético nos genomas do hospedeiro. Até 8% do genoma humano é composto por restos de retrovírus, fragmentos de infecções antigas na história da nossa espécie.
Às vezes, a transferência também ocorre no sentido contrário. Em um papel publicado em Natureza Microbiologia em dezembro passado, Keeling, seu colaborador Nicholas Irwin da Universidade de Oxford e seus colegas realizaram a primeira análise abrangente de transferências horizontais de genes entre 201 eucariotos e 108,842 vírus. Eles encontraram evidências de mais de 6,700 transferências de genes, sendo as transferências de hospedeiro para vírus cerca de duas vezes mais comuns que as transferências de vírus para hospedeiro. Eles concluíram que as transferências horizontais de genes foram os principais impulsionadores da evolução em ambos os lados: os vírus muitas vezes usavam os genes eucarióticos que adquiriram para se tornarem mais eficazes na infecção de seus hospedeiros, enquanto os eucariontes às vezes usavam elementos dos genes virais para criar novas características ou para regular suas características. metabolismo de novas maneiras.
Descobertas como estas persuadiram alguns biólogos de que pelo menos algumas transferências horizontais de genes podem ser facilitadas por vírus. Se os vírus conseguem captar genes dos seus hospedeiros, e se conseguem deixar para trás pedaços dos seus genomas, parece possível que por vezes também possam transportar genes do último hospedeiro que infectaram, ou mesmo de um de gerações atrás, e transmiti-los aos seus hospedeiros. um novo hospedeiro.
O envolvimento de vírus também poderia ajudar a resolver outro enigma sobre as transferências horizontais em eucariotos. Para que as transferências ocorram, os genes viajantes precisam superar toda uma série de obstáculos. Primeiro, eles devem passar da espécie doadora para a nova espécie hospedeira. Então eles devem entrar no núcleo e abrigar-se no genoma do hospedeiro. Mas entrar no genoma de qualquer célula não adianta: em criaturas multicelulares como sapos e arenques, um gene não será transmitido aos descendentes do animal, a menos que possa penetrar numa célula germinativa – um espermatozóide ou um óvulo.
Os vírus podem tornar essa série de eventos mais provável. Em pequenos organismos como o nematóide, disse Danchin, o trato reprodutivo e suas células germinativas não estão longe do trato intestinal, onde os vírus ingeridos nos alimentos podem se estabelecer. Como as rãs liberam seus óvulos e espermatozóides em águas abertas, essas células são potencialmente vulneráveis a vírus no ambiente que podem penetrar nos genes.
Mesmo com criaturas maiores, pode ser mais fácil do que você pensa. Neste ponto, ainda é uma ideia especulativa, mas “o trato reprodutivo está cheio de micróbios e vírus”, disse Danchin. “Sabemos que alguns vírus infectam especificamente células germinativas.”
Keeling sugere que, para compreender o mistério da transferência horizontal de genes, talvez devêssemos pensar nelas como consequências ecológicas dos comportamentos de um organismo, dos seus vizinhos e do seu ambiente. Se um gene transferido horizontalmente confere algum benefício de sobrevivência, é provável que seja altamente dependente do cenário específico em que o receptor do gene se encontra – um mar gelado, uma fonte termal, uma planta hospedeira apetitosa com defesas resistentes. “Eles estão tão ligados à ecologia onde aquela coisa está, mas ela muda”, especulou. Com a mudança errada no ambiente, o gene transferido “não é mais vantajoso e está perdido”.
Pistas Ecológicas
As transferências horizontais de genes em eucariontes podem estar acontecendo o tempo todo: no lago do seu quintal, no solo sob seus pés, nos animais, insetos e plantas que compõem o ecossistema. “Acho que há muito mais transferências do que imaginamos”, disse Bhattacharya. “Nós simplesmente não os vemos porque eles são varridos.”
Para verificar o quão comum é que sapos tenham cobra BovB, a equipe de Kurabayashi procurou seus colegas em busca de amostras de sapos de todo o mundo para sequenciamento de DNA. Eles descobriram que de 149 espécies, 50 voltaram com BovB. As 32 rãs malgaxes que testaram representavam menos de um quarto de todas as espécies amostradas, mas 29 delas carregavam o gene da cobra – uma clara maioria de todas as transferências encontradas em todo o mundo. Além disso, pelo menos duas das linhagens de sapos não adquiriram BovB até depois que seus ancestrais migraram da África para Madagascar.
A coisa mais interessante sobre o artigo, disse Graham, “é que ele mostra que a taxa de transferência não é uniforme. Varia muito entre as regiões geográficas.” Se mais estudos forem iniciados com o objectivo de analisar a transferência de genes em todo o mundo – ver se as transferências aconteceram a taxas diferentes em locais diferentes – o que descobrirmos poderá surpreender-nos. Talvez a geografia seja mais importante do que poderíamos esperar.
Existe algo no meio ambiente de Madagascar que o torna um ponto importante para transferências de genes? Ninguém sabe. Kurabayashi diz que ele e seu grupo suspeitam fortemente que a cobra BovB em Madagascar difere das versões em outras partes do mundo por ser um pouco melhor em conseguir um novo hospedeiro.
Mas a abundância de parasitas na ilha também pode contribuir. Por exemplo, “em Madagáscar há muitas sanguessugas”, disse Miguel Vences, herpetologista da Universidade de Tecnologia de Braunschweig, na Alemanha, e autor do novo artigo. “Se você estiver na floresta tropical, você os notará.” As criaturas sugadoras de sangue se alimentam de muitos tipos de animais, incluindo sapos e cobras, e não deixam de provar humanos. Vences e seus colegas especulam que as sanguessugas podem trazer sangue contendo o gene saltador da cobra para as rãs, ou talvez o gene saltador já esteja no próprio genoma da sanguessuga devido a contatos anteriores com cobras. Então talvez um vírus não identificado faça o resto.
Infelizmente, não é fácil provar ou refutar cenários que descrevam como tais transferências horizontais poderiam ter ocorrido. Sem seleção para preservar as sequências de DNA, elas tendem a sofrer mutações e ficar embaralhadas durante longos períodos de tempo, apagando a evidência molecular de uma transferência. E se um vírus estiver envolvido na transferência, poderá deixar muito poucas evidências, disse Graham. Os pesquisadores podem, portanto, quase precisar perceber um salto genético para saber como isso está acontecendo.
Bhattacharya está nos estágios iniciais de um projeto que visa fazer exatamente isso. Nas fontes termais de Lemonade Creek, no Parque Nacional de Yellowstone, ele e seus colegas procuram sinais de transferências que ainda possam estar em processo de consolidação. Eles estão estudando o DNA de algas vermelhas que adquiriram genes de bactérias que também vivem nas fontes, genes que apresentam apenas pequenas diferenças em relação aos originais. “Não estamos falando de milhões de anos atrás”, disse Bhattacharya. “Estamos falando de um DNA altamente semelhante, que coexiste em dois domínios diferentes da vida, no mesmo ambiente.”
Se os cientistas descobrirem que as algas nas nascentes próximas não possuem nenhum destes genes transferidos, então poderão estar a testemunhar o início de uma onda de mudança genética que se desloca através das algas, de uma nascente vizinha para a seguinte. Cada nova piscina quente pode ser uma ilha à beira de uma transformação.
