sexta-feira, 27 de dezembro de 2013

Em rio que tem caverna quem faz assimilação genética é rei




A base da teoria evolutiva durante o século XX foi a ideia de que mutações aleatórias no DNA levam a novidades fenotípicas que, por sua vez, são selecionadas através de seleção natural. Nos anos 40, no entanto, Conrad Waddington sugeriu que os organismos tenham mecanismos para garantir que uma característica se forme apesar da variação ambiental e genética (um processo que ele chamou de canalização; veja o texto sobre o Waddington aqui). Ele também sugeriu que a seleção natural pode atuar sobre esses mecanismos selecionando a característica a ser mais ou menos responsiva a variações ambientais e genéticas. O Waddington mostrou então em 1953 (veja o artigo aqui) que ele conseguia selecionar uma característica que somente aparecia após a exposição de um gatilho ambiental, a se formar mesmo na ausência do gatilho nas gerações seguintes (o que ele chamou de assimilação genética). Naquela época, a demonstração da existência do processo de assimilação genética se deu através da seleção artificial em laboratório e não incluia um possível mecanismo molecular. Mas no ultimo mês, foi publicada a primeira demonstração de que a um grupo natural evoluiu por assimilação genética, um peixe que vive nas cavernas do México!

Em 1998, Rutherford e Lindquist (veja o artigo aqui) propuseram um mecanismo molecular pelo qual os organismos podem garantir a ocorrência de seus fenótipos apesar de variações no material genético e do ambiente. Nessa época já havia a descrição de um tipo de proteínas chamadas chaperonas. As chaperonas são proteínas que auxiliam outras proteínas a se dobrarem e assumirem a sua conformação tridimensional (que no fim é vital para a sua função). Esses autores mostraram então que se mutarem ou inibirem farmacologicamente uma chaperona de Drosophila, a heat shock protein 90 (ou Hsp90), essas mosquinhas desenvolvem uma série de anormalidades. Assim, eles sugeriram que a Hsp90 está lá garantindo que o fenótipo das mosquinhas se forme a milhões de anos independente de variações no material genético. E ai esse material genético está acumulando alterações que não se expressam justamente por esse mecanismo de controle estar presente. Mas como a dobramento de proteínas em sua conformação tridimensional é muito sensível a um ambiente extremo (como altas temperaturas) essa situação de estresse pode sobrecarregar as chaperonas que não dão conta de garantir o enovelamento de todas as proteínas, e assim novidades genéticas podem aparecer. O problema nesse trabalho foi que todas as alterações encontradas eram anomalias e não representavam claramente um benefício para as mosquinhas. Faltava mostrar a assimilação genética acontecendo na evolução de uma população natural.

Foi ai que a Lindquist se juntou a Cliford Tabin, um biólogo do desenvolvimento que estudava a um tempo o curioso caso da evolução desse peixe, o Astyanax mexicanus (veja o artigo aqui). Esses peixes vivem no rio Choy, no México. Acontece que o rio Choy passa por diversas cavernas e que o A. mexicanus decidiu viver dentro delas. Só que a população das cavernas passou a evoluir independentemente da população da superfície e a desenvolver características próprias, como a perda de pigmentos e a perda dos olhos (veja a foto lá em cima com um peixe da caverna e dois da superfície). A perda dos olhos é considerada benéfica para esses animais uma vez que eles não tem que gastar energia no desenvolvimento e manutenção desta estrutura e a ausência de informação vinda dos olhos faz com que estes dediquem mais dos seus cérebros a outras modalidades sensoriais. Dai então esse grupo resolveu testar a possibilidade de alguma coisa no ambiente dessas cavernas ter liberado um potencial plástico nesses peixes que levou a mudanças tão dramáticas em seu fenótipo. E o mecanismo molecular que eles foram olhar claro, foi a Hsp90.

Para ver o efeito da inibição de chaperonas no desenvolvimento dos olhos, eles trataram embriões de peixes filhos de um peixe de superfície e um de caverna com o inibidor farmacológico da Hsp90, o Radicicol. Ele viram que os embriões tratados geraram uma maior diversidade de tamanhos de olhos, o que não acontece quando fazem o mesmo experimento em embriões de peixes zebra. Assim se alguma característica ambiental induzir estresse a esses animais e sobrecarga às Hsp90, haverá um aumento inicial na variabilidade fenotípica sem necessariamente ocorrer uma nova mutação.

Mas no caso da população de caverna, que foi selecionada a perder os seus olhos, espera-se que possua uma menor variabilidade liberada pela inibição da Hsp90. Como esses peixes não possuem olhos, eles mediram variações na órbita ocular (os ossos que envolvem os olhos) e observaram que os embriões tratados com o inibidor não possuíam uma maior variabilidade do que os não tratados e apresentam órbitas oculares menores que estes. Isso sugere que houve seleção após a divergência entre as populações de superfície e caverna e que a variabilidade genética da população de caverna diminuiu ao ponto que a inibição da Hsp90 não traz um maior número de fenótipos. Porém, os alelos selecionados são responsivos à Hsp90 e geram órbitas menores na presença do inibidor.

Faltava mostrar ainda que o fenótipo de olho menor liberado pela inibição da Hsp90 podia ser assimilado geneticamente. Eles então selecionaram peixes que se desenvolveram na presença do inibidor de Hsp90 e geraram olhos menores do que os dos controles. O cruzamento entre esses peixes gerou peixes com órbitas oculares e olhos menores mesmo sem serem tratados com o inibidor de Hsp90. Desta maneira, o fenótipo que antes necessitava de um gatilho ambiental agora estava assimilado geneticamente.

Mas faltava ainda mostrar o que nas águas das cavernas causava o estresse que inibe a atividade de Hsp90. Eles então analisaram as propriedades físico-químicas da água de caverna e descobriram que a água da caverna conduz muito menos eletricidade do que a água da superfície. E quando criaram embriões de peixe de superfície em água com baixa condutividade observaram o aumento da expressão de Hsp90, o que sugere que eles estavam em estresse, e que os tamanhos das órbitas oculares e olhos desses animais variou mais, exatamente como quando a Hsp90 foi inibida farmacologicamente. Isso sugere que, dentro da história natural da espécie, os peixes que invadiram o ambiente de caverna passaram por um estresse, a baixa condutividade da água, que liberou um potencial genético na forma de novos fenótipos. O fenótipo "olho pequeno" foi selecionado até este desaparecer. E em algum ponto desta história esse fenótipo que necessitava de um gatilho ambiental, a baixa condutividade, foi assimilado e passou a aparecer mesmo em condições de  baixo estresse.

Esta é uma nova maneira de olhar para a evolução das espécies. Quando a síntese neodarwinista surgiu, o único mecanismo para criar variabilidade que pudesse ser selecionada eram as mutações. Por isso, a importância do desenvolvimento ficou esquecida durante muitas décadas, era um campo que não conseguia prover um mecanismo. Mas agora está muito claro que para compreendermos a evolução dos organismos precisamos olhar não só para os seus genes e fenótipos mas também para como estes dois interagem com o ambiente durante o desenvolvimento.

quarta-feira, 22 de agosto de 2012

Como fazer um super soldado, um segredo de milhões de anos




Se vocês tão achando que dessa estufa ai na foto vai sair um super-herói tipo o Capitão América desistam, quem detém o segredo de como fazer um super soldado são as incríveis formigas. Essa é a estufa aonde o grupo do professor Abouheif (aquele ali na esquerda) mantém 10 espécies dessas pequenas do gênero Pheidole na Universidade McGill, em Montreal. Eu trouxe esse exemplo aqui porque o surgimento de super soldados nessas formigas é um exemplo de acomodamento genético, um conceito que eu venho discutindo aqui faz um tempo.

Nós todos sabemos que as sociedades das formigas são organizadas em castas. Todas as espécies fazem rainhas, que geralmente tem asas, e operárias, sempre sem asas. O gênero Pheidole ainda desenvolveu uma divisão entre as operárias com operárias menores, que fazem a maior parte do trabalho no formigueiro e saem pra procurar comida, e as soldado, que protegem o formigueiro e processam comida. Algumas espécies no norte do México e no estado americano do Arizona, ainda possuem uma terceira subcasta de operárias, as super soldado, que possuem a cabeça significativamente maior que a soldado e tem um cotoco no lugar das asas, chamadas asas vestigiais (vejam a foto aqui em baixo com operárias, as menores, as soldado, intermediárias, e as super soldado, com a cabeça gigante). A grande descoberta deste grupo foi que há uma espécie de Pheidole no estado de Nova York, isso é, muito distante dessas espécies que ocorrem mais próximas a fronteira com o México, que também produzem formigas com características de super soldado, como a cabeça e o corpo muito maior que a de um soldado e a asa vestigial, só que muito raramente, esse fenótipo é considerado uma anomalia pra essa espécie. A distância geográfica entre estas espécies sugeria que este era um caso de evolução convergente, onde os super soldados apareceram de forma independente pelo menos duas vezes. Além disso, eles mostraram que dentro da árvore filogenética do grupo as espécies que fazem super soldados estão separadas e não tem um ancestral comum só delas.


Mas então, se as espécies criaram super soldados independentemente será que o caminho do desenvolvimento é o mesmo? A decisão entre o desenvolvimento de operária e soldado é regulado pela nutrição que por sua vez regula a produção de hormônio juvenil (HJ). Eles então mostraram que o fenótipo de super soldado que é muito raro nessa espécie de Nova York, P. Morrisi, pode ser induzido em grandes quantidades com o tratamento das larvas com o análogo de HJ, o metoprene, após a sua decisão por serem soldados. Existem então dois pontos de decisão, um primeiro entre soldado e operária, e um segundo entre soldado e super soldado. E eles mostraram que conseguiam induzir super soldados em outras duas espécies que não os produzem normalmente. Assim, por mais que muitas destas espécies de formigas não desenvolvam uma subcasta de super soldados, a informação para o caminho de desenvolvimento está em algum lugar escondido e sendo herdada a milhões de anos.

É muito comum ouvir que no caso de características que aparecem paralelamente em grupos separados filogeneticamente, que estas teriam aparecido por evolução convergente, que indica a idéia de que esta teria surgido independentemente pelo menos duas vezes. Mas no caso dos super soldados de Pheidole os dados levam a uma diferente explicação. Esse gênero teve um ancestral comum aonde surgiram os super soldados, a expressão desse fenótipo desapareceu durante a história do grupo mas não a informação para tal. Assim, algumas espécies próximas a fronteira entre os Estados Unidos e o México encontraram um pressão semelhante que as levou a re-expressar o fenótipo de super soldados. Então, o surgimento de super soldados nesta região não apareceu graças a uma nova mutação e sim através da plasticidade dos mecanismos de regulação do aparecimento do fenótipo, mecanismo conhecido por acomodamento genético. No acomodamento genético, por a via estar sendo herdada continuamente, pode-se induzir o seu aparecimento mesmo que a espécie não o faça naturalmente. E por ser independente de uma nova mutação a indução pode ser feita em muitos indivíduos de uma vez e não em um só indivíduo (Vejam também aqui o texto sobre o primeiro a propor o conceito de acomodamento genético, Conrad Waddington).

Esta é uma bela demonstração de que a heranca da informação para o desenvolvimento de fenótipos silenciados na história da espécie é uma boa fonte de variação que pode levar ao surgimento em paralelo das mesmas características em grupos separados. Esse também é uma bom exemplo de como são valiosos os dados obtidos sobre o desenvolvimento da espécie para traçar a sua história.

O link para o artigo original.

No site da Science tem uma entrevista bem legal com o Dr.Abouheif.

sábado, 10 de março de 2012

Vai pra antártica? Vai pra praia? Passaporte e edição do RNA!




Os organismos ao redor do planeta se adaptaram as mais extremas condições climáticas. Agora imagina aqueles animais que resolveram viver nas geladas águas do mar da Antártica. Um dos protagonistas da nossa história de hoje, o polvo Paraledone sp. (esse cara aqui em cima), vive em águas a -1,8oC que estão em equilíbrio com o gelo do mar. Acontece que um dos desafios para animais que se adaptaram a este ambiente foi mudar a velocidade com a qual os canais iônicos se abrem e fecham, o que é importante para a transmissão de sinais elétricos ao longo dos neurônios. Um estudo recente mostrou que ao invés de mutações nos genes desses canais, esses polvos modificam o RNA que os codificam de maneira diferente nos polos.

Entre os anos 40 e 50, uma série de estudos realizados em axônios muito grandes (os axônios gigantes da figura aqui em baixo) presentes nas lulas (que curiosamente também são moluscos cefalópodes, como nossos protagonistas) estabeleceram as propriedades iônicas das membranas dos neurônios necessárias para a condução do sinal nervoso.
As membranas das células possuem uma diferença de carga elétrica entre suas faces interna e externa, a interna é negativa e a externa positiva. Esse potencial, chamado potencial de repouso, é ativamente criado pela célula através da regulação da permeabilidade da membrana aos diferentes íons presentes em seu interior e exterior. Quando uma sinapse que excita o neurônio é ativada, canais que liberam a entrada de cátions, íons positivos, abrem e aumentam a carga interna da membrana. Assim, a membrana passa de um estado polarizado, onde a face interna era mais negativa do que a externa, para um estado despolarizado. Pensando agora na extensão da membrana do neurônio, nós temos um local específico da membrana, aquele na sinapse, despolarizado e o resto da membrana no potencial de repouso, polarizado. Essa diferença de potencial gera uma voltagem na membrana e leva à abertura de canais dependentes de voltagem, que se abrem sequencialmente de acordo com a passagem da corrente liberando a entrada de Na+ na célula. Após a passagem da corrente, a membrana deve voltar a seu potencial de repouso. Enquanto isso não acontecer, este neurônio não vai ser capaz de transmitir uma atividade sináptica seguinte. Para restabelecer a carga negativa interna, canais de K+ se abrem para a saída deste cátion da célula. Acontece no entanto, que a velocidade de abertura e fechamento destes canais de K+ depende da temperatura em que este animal, e seu neurônio, estão.



Seguindo a lógica Mendeliana que aprendemos na escola, o que deveríamos esperar? O lógico seria pensar que aqueles animais que foram viver em regiões muito frias selecionaram mutações nos genes dos canais que possibilitem que eles tenham uma dinâmica de abertura e fechamento mais rápida nestas temperaturas. E foi exatamente oque os pesquisadores Sandra Garrett e Joshua Rosenthal (2012), da Universidade de Porto Rico, testaram. Eles compararam os genes dos canais de K+ do polvo da Antártica, Paraledone sp., e de um polvo que eles coletaram nos corais de Porto Rico, o Octopus vulgaris, que vivem numa temperatura que varia entre 25 e 35oC. Acontece que as sequências eram bem similares e quando estes canais foram expressos em oócitos de sapos pela injeção do DNA, suas propriedades eletrofisiológicas não eram diferentes em qualquer temperatura. O canal do polvo antártico não compensa para o frio, ele abre 14 vezes mais devagar e fecha 60 vezes mais lento no frio do que o canal porto-riquenho a 25oC.

Mas e então, o que poderia estar acontecendo? Acontece que muita coisa pode acontecer após o gene ser lido para fazer o RNA mensageiro. Uma das modificações possíveis é a ação de enzimas chamadas deaminases de adenina que transformam adeninas em ionodinas, um nucleotídeo diferente, que são lidas como guanina e podem causar a alteração do aminoácido que é lido naquele códon. Eles então isolaram os RNAs de nervos das diferentes espécies e encontraram diferentes pontos de edição. Alguns desses pontos eram exclusivos de uma espécie. E quando canais com estas substituições foram expressos, alguns mostraram uma adaptação a temperatura, lentificando a resposta no canal tropical ou acelerando o fechamento no canal antártico.

Estes autores então coletaram diversas espécies de polvo ao longo do planeta e observaram que o aparecimento da edição que leva à aceleração do fechamento em temperaturas frias é altamente correlacionada com a temperatura da água onde a espécie vive. Isso inclui espécies que estão na Antártica e outras no polo norte ou regiões temperadas da Califórnia!

É certo que ainda precisamos saber como a edição do RNA é diferente entre as espécies de diferentes temperaturas. Não acredito que seja a seleção de uma mutação que leve a mesma adaptação em espécies tão distantes geograficamente. Talvez estejamos diante de um mecanismo de resposta ao ambiente, plasticidade, que possa ser selecionado. Como já discutimos por aqui, existem mecanismos de seleção sobre a resposta ao ambiente (deem uma olhada nos posts sobre o Waddington e sobre o Schmalhausen). Neste caso parece um mecanismo interessante para a adaptação sobre o canal sem modificar a base dessa sequencia tão importante, lá no DNA.

Para um bom texto sobre a propagação do potencial criado na sinapse veja aqui.

sábado, 29 de outubro de 2011

Ivan Ivanovich Schmalhausen e a dura vida da biologia evolutiva durante o regime comunista da União Soviética


Quando eu escrevi o texto sobre o Waddington (leia aqui), fui alertado por meu querido amigo Ricardo Iglesias Rios que deveria também ter falado do Schmalhausen já que os dois estavam falando das mesmas coisas ao mesmo tempo. E a razão para tal injustiça é muito simples, eu nunca havia lido um texto original do Schmalhausen (que pronuncia Schmalgausen segunda minha amiga russa aqui no laboratório, Olga Balashova). Então aqui vou escrever sobre as ideias que o Schmalhausen publicou e porque essas ideias de um cara que estava tão a frente do seu tempo se perderam no tempo e são praticamente inacessíveis hoje em dia.


Existem muito poucos textos traduzidos deste autor. O seu único livro traduzido para o inglês chama-se “Fatores da evolução: A teoria de seleção estabilizadora”. Este também não é um livro muito fácil de achar. A rede de bibliotecas da Universidade da Califórnia não o tem mas acabei encontrando pra vender na internet. Ele foi publicado em 1946 na União Soviética e a tradução pro inglês foi publicada em 1949. Naquela época, a síntese neo-darwinista ignorava o papel da embriologia para a evolução. A teoria de herança mendeliana tinha muita força e já que os alelos davam origem ao fenótipo, seja lá o que acontecesse durante o desenvolvimento seria somente a leitura de uma mensagem pré-estabelecida. O grande conceito introduzido por Schmalhausen neste livro, como o próprio título diz, é o de seleção estabilizadora. Dei-me a liberdade de traduzir um trecho aqui:


“As seleções dinâmica e estabilizadora sempre atuam juntas. Por um lado, o ambiente externo muda gradualmente mas continuamente de maneira que o papel dinâmico da seleção e as variações herdáveis da norma possam ser detectadas. Por outro lado, o lento processo de seleção estabilizadora está o tempo todo causando surgimento de mecanismos reguladores que protegem a norma de distúrbios por influencias externas.”


Isso é, para ele, durante a evolução podem haver dois tipos de pressões sobre um fenótipo, para que ele seja mais maleável e responsivo a mudanças externas ou mutações, ou que ele deixe de responder a estas variações através da criação mecanismos que garantam aquele caminho de desenvolvimento. Esse é o mesmo conceito que o Waddington propôs independentemente e chamou de canalização (veja aqui o post sobre o Waddington). Outra coisa importante é que para os dois, o Schamalhausen e o Waddington, existe uma seleção não só sobre o fenótipo mas sobre o processo de desenvolvimento desse fenótipo. O quão influenciável esse desenvolvimento é pelo ambiente ou variações genéticas varia ao longo da evolução. A discussão ao longo do livro sobre as implicações que a teoria traz é maravilhosa. Ali nasce o conceito de mutações escondidas. Quando um fenótipo está estabilizado, isso faz com que mutações se acumulem sem que o desenvolvimento seja afetado. Mas outra consequência é que há um acúmulo de variabilidade genética que pode ser mobilizado a qualquer momento em que o desenvolvimento seja pressionado a ser mais responsivo. O Waddington foi além e mostrou a mobilização dessa reserva através de alterações ambientais bruscas e a seleção de alterações, fenômeno que ele chamou de assimilação genética (veja o post sobre o Waddington). O “Factors of Evolution” é a primeira síntese que inclui Darwin, Mendel e a influência do desenvolvimento para a evolução.


Mas então, porque diabos ouvimos falar tão pouco desse autor tão visionário, tão a frente de seu tempo? Bom, acontece que o Schmalhausen vivia na União Soviética e a vida de um biólogo por lá não era lá das mais fáceis. Eu já ouvi diversas vezes que uma das consequências do capitalismo sobre o pensamento biológico ocidental foi a criação de um individualismo excessivo. Tudo para a biologia ocidental é a sobrevivência do mais forte até que atingimos o auge com a publicação nos anos 70 da ideia de que o importante mesmo é o gene e nós somos simples máquinas de replicar genes, o indivíduo dentro do indivíduo (a idéia é anterior na verdade mas ficou popular com “O gene egoísta”de Richard Dawkins). Isso tem tudo a ver com os conceitos capitalistas de liberdade individual e propriedade privada mas até então eu achava meio exagero (para ver mais discussão sobre isso leiam “Biology under the influence”de Lewontin e Levins). Pois é, mas não é que na União Soviética comunista aconteceu exatamente o contrário? Lá havia um tal de Lysenko. O Lysenko era um cientista de origem humilde, o que era muito valorizado pelo partido comunista que tinha como princípio substituir a elite intelectual russa por uma nova inteligência, vinda do proletariado. O Lysenko propôs o conceito de vernalização que era um método onde ele conseguia através do tratamento de sementes importadas, fazer com que qualquer planta crescesse nas frias condições russas através de um simples tratamento com frio. Mas a verdade é que o Lysenko inflava os resultados positivos e ignorava os negativos. A ideia de que ele conseguia impor a herança de um caractere adquirido às plantas cultivadas (a resistência ao frio) era oposta à ideia de herança genética. Assim, o Lysenko, que lá pelas tantas já tinha se infiltrado no partido e era muito forte politicamente, iniciou uma caça aos geneticistas. Segundo o próprio, estes acreditavam em “uma substancia hereditária mítica-endossada por Weissman com características de existência contínua, sem experimentar o desenvolvimento, e ao mesmo tempo controlando o desenvolvimento de um corpo perecível.” Este Weissman a quem ele se refere é o proponente da distinção gameta-soma onde a substância herdável está nos gametas e qualquer alteração em células somáticas não pode ser herdada (assim como a resistência ao frio através de um simples tratamento com frio). Em agosto de 1948, o ministro da educação superior da URSS assinou uma série de ordens que em resumo causou a destruição da disciplina genética naquele país. Nesta época, Schmalhausen era professor de darwinismo na Universidade de Moscou e diretor do Instituto pela Morfologia Evolutiva. Ele foi imediatamente demitido e teve seus livros e projetos científicos destruídos. Lysenko utilizou trechos do “Factors of Evolution” para se referir a Schmalhausen como um pro-Morganista (Morgan foi o primeiro a publicar uma síntese Darwin-Mendeliana), idealista genético. Diferente de muitos geneticistas de carreira que foram presos e/ou desapareceram, Schmalhausen era um morfologista e conseguiu se estabelecer novamente como pesquisador sênior Instituto de Zoologia da Academia de Ciências pesquisando anatomia e embriologia comparadas de peixes e anfíbios. Mas ele morreu em Moscou em 1963, antes de ver a queda de Lysenko em 1965 e a retomada da genética na União Soviética.


Talvez a introdução da biologia do desenvolvimento na síntese darwinista ainda não fosse acontecer naquela época, até porque o Waddington foi amplamente ignorado por décadas mesmo sem ser perseguido, demitido, preso ou coisa parecida. Esse é um bom exemplo de que a ciência não deve sofrer interferência de governantes. Boicotes por parte do governo podem ser mais mascarados como na distribuição de fomento. Apesar de hoje em dia ser amplamente aceito na comunidade acadêmica de que existe seleção sobre o desenvolvimento, nós continuamos cultivando quantidades enormes de sementes que são praticamente clones genéticos. Não existe reserva para condições adversas. O que nós fazemos é o contrário, tentar controlar as condições. Nós tentamos compensar a falta de adaptabilidade de nossas cultivares com uma corrida por invenção de pesticidas e transgênicos. Será que nossos governos capitalistas não estão fazendo a mesma coisa que o Lysenko fez, só que de uma forma mais velada? Através do controle do fomento à pesquisa que dá toneladas de dinheiro para o sequenciamento do genoma de um indivíduo de uma espécie? Será que as pessoas que tomam as decisões sobre a distribuição do dinheiro para a pesquisa possuem um bom conhecimento sobre biologia e a teoria evolutiva? Eu acho que não.

Referências:
A traducão para o inglês recebeu uma edicão em 1986 que é a que eu tenho. Nesta há um prefácio por David B. Wake que utilizei principalmente para o contexto histórico.

quarta-feira, 20 de julho de 2011

Breve histórico da epigenética

Olá,
Inicio com esse texto abaixo a publicação de textos de autores convidados aqui no blog. A primeira convidada é a Catarina F. Lira-Medeiros, pesquisadora do Jardim Botânico do Rio de Janeiro. O convite para Catarina se deu pelo seu trabalho com a plasticidade fenotípica em plantas. Espero que vocês curtam e comentem!



A plasticidade fenotípica é a capacidade de um organismo ou grupo de organismos de se adaptarem às alterações ambientais. Nas plantas, que são sésseis, a plasticidade é um recurso muito importante para a sobrevivência de indivíduos ou populações principalmente nos dias atuais em que alterações ambientais, provocadas principalmente pelo Homem, ocorrem de forma desenfreada. Acredita-se que a plasticidade fenotípica esteja muito ligada às alterações epigenéticas do DNA, principalmente quando os indivíduos possuem pouca variação genética entre eles. Epigenética é o estudo das mudanças produzidas na expressão gênica causadas por outros mecanismos que não as mudanças na seqüência de bases do DNA, daí o nome do epi-(grego: επί-over, acima) -genética.

Em 1905, o geneticista britânico, Wiliam Bateson (1861-1926) cunhou o termo da genética como o termo relacionado à hereditariedade e variação dos organismos, baseado nos trabalhos de Gregor Mendel (1822-1884). Três décadas depois (1942), o geneticista, biólogo e filósofo Conrad Hal Waddington (1905-1975) definiu "epigenética" como "o ramo da biologia que estuda as interações causais entre genes e seus produtos, que trazem o fenótipo a ser". Quando Waddington cunhou o termo paisagem epigenética (“epigenetic landscape”), a natureza física dos genes e seu papel na hereditariedade não era conhecido, ele usou-a como um modelo conceitual de como os genes podem interagir com o ambiente para produzir um fenótipo. E demonstrou que as idéias de herança apresentadas por Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) poderiam, pelo menos em princípio, ocorrer. Dois posts anteriores são interessantes para aprofundar nas teorias de Waddington, que incluem a canalização e a assimilação genética. Todas esta teorias foram fundamentadas nos estudos de Lamarck sobre assimilação de caracteres adquiridos por informação ambiental (aqui os links para os dois posts 1 e 2)

Robin Holliday (nascido em 1932, nessa foto ai do lado) definiu epigenética como "o estudo dos mecanismos de controle temporal e espacial da atividade dos genes durante o desenvolvimento de organismos complexos". Assim, a epigenética pode ser usada para descrever qualquer coisa, que não cause alteração de seqüência de DNA, e que influencie o desenvolvimento de um organismo. Em 1975, foi proposto por Robin Holliday, junto com seu estudante John Pugh, e independentemente por Arthur Riggs, que a metilação do DNA podia ser um importante mecanismo para o controle da expressão gênica em organismos superiores. O DNA contém quatro unidades de informação: adenina, guanina, citosina e timina, conhecidas coletivamente como bases, e abreviado para A, G, C e T (veja a figura aqui em baixo, na esquerda). Mas uma quinta base é produzida através de alteração química, que é a metil-citosina (veja a figura abaixo, na direita). Holliday acreditava que a citosina metilada ou metil-citosina podia ter um papel importante no controle da atividade do gene. Também foi proposto que o padrão de citosina metilada poderia ser herdado através de divisões celulares. Na época não haviam evidências diretas sobre este controle da expressão gênica via metilação de citosinas e hoje isso tornou-se documentado como um mecanismo básico da epigenética para o silenciamento de genes.

Atualmente além da metilação de DNA, a modificação de histonas por acetilação ou metilação e os pequenos RNAs regulatórios são também considerados alterações epigenéticas. Os mecanismos que controlam a metilação do DNA e seus efeitos sobre os fenótipos têm sido investigados em plantas modelo, mas o seu impacto sobre a evolução de populações naturais é pouco explorado. Organismos interagem entre si e com seu ambiente abiótico, e através dessas interações adquirem informação epigenética, algumas das quais são herdadas. Ao contrário da variação genética, as mudanças epigenéticas, que geram fenótipos novos e herdáveis, podem representar alterações genômicas reversíveis que permitem colonizar ambientes variáveis e novas paisagens durante um processo evolutivo a longo prazo.


Para maiores detalhes:
Holliday R. (2006) Epigenetics A Historical Overview. Epigenetics 1:2, 76-80. (esse artigo vocês conseguem de graça aqui)

Jablonka E. & Lamb M.J. (2002) The Changing Concept of Epigenetics. Ann. N.Y. Acad. Sci. 981: 82–96). (e este também de graça aqui)

terça-feira, 31 de maio de 2011

Com que roupa eu vou?

“…Com que roupa que eu vou

Pro samba que você me convidou?
Eu hoje estou pulando como sapo

Pra ver se escapo desta praga de urubu…”
(Noel Rosa)

Nós sabemos que os organismos tem diversas modificações que são selecionadas pelo ambiente onde vivem. Mas quando o ambiente varia drasticamente regularmente estes podem ter diversos caminhos de desenvolvimento selecionados que são disparados nas diferentes situações, os chamados polifenismos. Para ilustrar esse fenômeno, escolhi falar das larvas de anfíbios que apresentam diversas alterações no seu desenvolvimento induzidas pelo ambiente. Os embriões de salamandras de Hynobius retardatus podem ou não dar origem a um girino com uma cabeça maior que as facilita para terem hábitos carnívoros (vejam na foto ai em cima o girino da direita). E esse Noel Rosa dos anfíbios muda de roupa de acordo com o samba. Acontece que os girinos desta espécie vivem em poças aonde estão outros girinos de outros anfíbios além de seus co-específicos. Quando a densidade destes girinos aumenta, seja por mais animais ou por menos água na poça, os embriões de H retardatus geram mais girinos carnívoros, canibais inclusive. Mas como os embriões sentem a densidade populacional ao redor? Michimae e colaboradores (2005) mostraram que a vibração das nadadeiras dos girinos ao redor dos embriões induz a formação de girinos cabeçudos carnívoros. E esse fenótipo pode ser induzido inclusive com o bater de nadadeiras falsas feitas de vinil. Assim, da mesma maneira que os fenótipos nesta espécie foram selecionados, também a sensibilidade a alterações ambientais sofreu seleção.

Essa coisa de mudar a cabeça é pra quando a festa tá boa mas às vezes a coisa pode ficar feia pro lado dos girinos dessa salamandra. Acontece que lá no Japão, nas poças aonde estes caras ficam, também tem uma larva de libélula que acha esses girinos bem apetitosos. Mas o grande lance é que as larvas de libélula tão do lado de fora d’água e ai quando tem muitas destas predadoras por perto os embriões desenvolvem brânquias maiores (vejam na foto o embrião da esquerda que foi criado na presenca de larvas de libélula) que possibilitam que estes malandros fiquem mais distantes da superfície e aguentem um ambiente com menos oxigênio (Iwami e colaboradores, 2007).

Já os girinos da rã Rana Pirica são a base da cadeia alimentar. Isso é, são comidos pelas larvas de libélula e pelos girinos de salamandra. Mas esses caras também desenvolvem um corpo mais fortinho na presença dos girinos de salamandra que evitam que estas os engulam, apesar de não conseguirem evitar serem engolidos pelas larvas de libélula. Ai acontece que o Japão é na verdade um arquipélago. Na ilha principal esses pobres girinos tem que se virar quando tem muito predador e desenvolvem esse corpo mais gordinho. E quando os girinos de salamandra desenvolvem o fenótipo cabeçudo carnívoro ai que os girinos de rã desenvolvem corpos mais gordinhos para evitar serem engolidos (Kishida e colaboradores, 2006). Mas então acontece que uma das ilhas japonesas, Okushiri, não tem salamandras! Essa ilha se separou da ilha principal, Hokkaido, a algumas dezenas de milhares de anos e só carregou as rãs. E ai? Será que depois de tanto tempo de moleza os embriões de rã conseguem mudar seus caminhos de desenvolvimento na presença dos girinos de salamandra? Pois é, os girinos de Rana Pirica que não viam girinos de salamandras há tempos ainda fazem corpos mais gordinhos quando se deparam com as tais mas nem de perto ficam tão gordinhos quanto os da ilha principal (Kishida e colaboradores, 2007). Mas mesmo assim é interessante que este possível fenótipo continue lá escondido durante todo este tempo refletindo a historia da população.

Vale lembrar que estas alterações são ativadas por gatilhos de desenvolvimento que foram selecionados e não de forma consciente porque os bichos quiseram ficar assim. Muito pouco se sabe sobre como embriões traduzem sinais em forma de vibrações em caminhos de desenvolvimento efetivos. Mas a falta deste conhecimento é uma boa demonstração de que não prestamos muita atenção na influência do ambiente sobre o produto do desenvolvimento dos organismos.

Leitura recomendada:

Existe um livro texto publicado recentemente com uma ótima discussão sobre polifenismos e suas consequências para a evolução, biologia da conservação etc. Chama-se "Ecological developmental biology" e tem como autores Scott Gilbert e David Epel.

segunda-feira, 2 de maio de 2011

Conrad Waddington e a herança de caracteres adquiridos


No século passado, um movimento de cientistas uniu as idéias provenientes dos trabalhos de Mendel, que mostravam o padrão de herança dos alelos na determinação do fenótipo, e da teoria da seleção natural de Darwin. Então, segundo esta que foi chamada de síntese neo-darwinista (ou síntese moderna), alterações nos alelos gerariam modificações nos organismos que então passaraim pelos mecanismos de seleção. Com o passar dos anos e o avanço nos conhecimentos de genética, os genes passaram a ser o centro deste universo e as mutações nas suas sequências a ser a grande força geradora de diversidade dos organismos. A dedicação destes cientistas para difundir estas idéias foi muito importante para a aceitação que temos hoje em dia sobre a teoria evolutiva. Mas como toda teoria esta também possuia seus furos que foram percebidos ao longo da história e ignorados gracas ao poder de convencimento da infalibilidade da teoria. Um dos furos é o fenômeno de canalização proposto por Conrad Waddington em 1942 (esse cara aqui em cima, cheio de marra, mas ele podia)

Vou resumir aqui o que o Waddington falou mas sugiro fortemente a leitura do artigo original que vocês podem encontrar de graça aqui. O Waddington observou que algumas características não podem ter a sua origem explicada pela seleção de mutações que apareceram ao acaso. Como exemplo, ele utilizou o avestruz. Acontece que o avestruz possui diversos calos pelo corpo nos pontos em que ele usa de apoio quando esta descansando, como um no peito cobrindo o externo. Segundo a teoria neodarwinista, este animal foi selecionado de maneira que sua pele responde ao atrito gerado engrossando. Mas o problema é que os embriões de avestruz já possuem este calo dentro do ovo. Este seria um caso em que uma característica apareceu claramente graças a um estímulo ambiental mas com o passar das gerações teve o seu desenvolvimento selecionado para acontecer independente do estímulo. A este fenômeno ele deu o nome de canalização. Então, canalização é o mecanismo utilizado pelos organismos que garante que um caminho de desenvolvimento seja seguido independente de variações ambientais. Uns anos mais tarde, o próprio Waddington mostrou isso acontecendo. Ele pegou as moscas-de-fruta Drosophila melanogaster e comecou a induzir defeitos nas veias das suas asas através de um choque térmico nos embriões. Então ele comecou a cruzar essas moscas defeituosas entre si simulando uma seleção desta caracetrística. Depois de algumas gerações de cruzamentos, ele observou que mesmo sem dar o choque térmico as mosquinhas nasciam com os defeitos. E isso aconteceu em mais de uma mosquinha de uma vez. Lembrem-se que se por acaso esse fenômeno fosse dependente de uma mutação este ocorreria em uma só mosquinha. Mas não, o Waddington conseguiu mudar o desenvolvimento que estava canalizado para veias normais para veias defeituosas em boa parte de uma geração. O caminho que levava ao desenvolvimento deste defeito estava lá escondido na população. Estes animais estavam canalizados para desenvolver as veias mesmo com uma certa variação de temperatura e a variação genética da população. Mas quando ele deu o choque térmico ele conseguiu quebrar esse tamponamento e após algumas gerações canalizar o desenvolvimento para outro caminho. Então, houve a aquisição de uma informação ambiental que foi assimilada por esta população e herdada pelos seus descendentes. O Waddington chamou de assimilação genética a aquisição deste fenótipo induzido inicialmente pelo ambiente.

Eu vou falar em outros posts sobre mecanismos moleculares de herança de caracteres adquiridos. Na verdade eu falei disso nesse post aqui mas existem outros mecanismos interessantes pra discutir.

Leitura sugerida:

O artigo em que o Waddington mostrou a assimilação genética:
http://www.jstor.org/stable/2405747

Esse artigo vocês vão ter que pagar pra baixar mas tem uma boa discussão feita pelo Waddington aqui, e de graça.

quinta-feira, 28 de outubro de 2010

O que a obesidade do seu pai tem a ver com a sua saúde?


Nós já vimos aqui no blog que a obesidade da mãe influencia a composição da flora intestinal da prole. E esta composição influencia o aparecimento de obesidade nestes filhotes (veja aqui). Mas e o pai? Os pais são necessários na hora de fazer os filhotes mas na maioria das espécies de animais estes nem tem contato com a sua prole. Então a princípio não interessa para uma pessoa se a sua mãe transou com um cara que não se liga em fazer exercícios e se amarra em uma comidinha gordurosa. De acordo com a teoria de herança Mendeliana o importante é a composição dos genes que estavam ali naquele espermatozóide que fertilizou o óvulo. Mas um estudo recente veio para colocar esta idéia em cheque.

O que Ng e colaboradores viram (2010; é assim mesmo que escreve o nome do autor. Não esqueci nenhuma vogal) foi que, em camundongos, se o pai for alimentado com uma dieta com altos nívies de gordura, as filhas desenvolvem uma forma de diabetes, mesmo comendo uma dieta equilibrada. Quando elas são submetidas a um teste de resposta ao aumento de glicose, seus níveis deste açucar sobem mais e a secreção de insulina é debilitada. Essas fêmeas apresentam uma redução no número de células ß, que são células do pâncreas responsáveis pela produção de insulina. Além disso elas possuem a expressão de 77 genes alterada. Muito provavelmente por mecanismos de alteração da conformação da cromatina como a metilação do DNA (boiou? Nesse outro texto aqui eu discuto melhor como a cromatina é importante na influência do ambiente sobre a expressão gênica).

Essa é a primeira demonstração de herança de caracteres adquiridos pelo pai em mamíferos. O Lamarck deve estar se divertindo lá de cima. Mas esse trabalho deixa algumas dúvidas. Porque somente as filhas herdam este defeito? Será que as próximas gerações também são afetadas? Esta última informação é importante para sabermos o quanto este mecanismo pode ser importante para a evolução.

sexta-feira, 13 de agosto de 2010

Parto sincronizado



Quem já conviveu com grupos de mulheres que frequentam um mesmo grupo social sabe que existe uma tendência destas sincronizarem os seus ciclos hormonais. Não se sabe bem porque isso acontece mas existe uma hipótese de que se elas tiverem filhos em uma mesma época isso seria melhor para as crianças por elas cooperarem na criação desta geração. Assim, existe um substrato para que a seleção natural atue sobre aquelas mulheres mais sensíveis a sincronizar o seu ciclo com o de outras. Mas por mais que elas sincronizem os seus ciclos e seus bebês sejam concebidos em um mesmo par de dias, nós sabemos que é muito improvável que os partos sejam na mesma noite.

Mas para as fêmeas de suricatos de Uganda (Mungos mungo) isso acontece. Hodge e colaboradores (2010), observaram que 64% das fêmeas desta espécie dão a luz aos seus filhotes na mesma noite. Então eles também procuraram saber qual seria a pressão seletiva que levaria à tamanha sincronia. Como existem ainda os outros 36% de filhotes que nascem ou antes ou depois da tal noite, eles observaram que filhotes que nascem antes sofrem maior infanticídio e filhotes que nascem depois tem pior ganho de peso. Isso é, aqueles que nascem na tal noite entram no bolo e não são mortos porque as mães ficam na dúvida se estão matando sua própria cria. Já os que nascem depois morrem mais por serem menores e perderem a competição por recursos.

Ia ser legal investigar qual é o mecanismo utilizado para tal sincronia. Será que sincronizar a data da fertilização é suficiente? Ou sera que também é possível acelerar ou retardar o desenvolvimento do embrião e as reações fisiológicas maternas que acontecem antes do parto?

domingo, 30 de maio de 2010

Se plantar transgênicos o gene fica ali?


No Brasil e no mundo cresce o cultivo de plantas transgênicas, aquelas que tiveram genes introduzidos por engenharia genética. Em teoria, o uso destas plantas é aprovado após analisadas mudanças nas substâncias que elas produzem. A intenção é saber se estas podem causar mal àqueles que a consomem. Porém, um novo trabalho que mostra a transferência genética entre espécies de planta traz uma nova crítica. Nós não sabemos onde o gene introduzido vai parar.

Plantas transgênicas são todas aquelas que tiveram material genético não pertecente à sua espécie introduzidos ao seu DNA. Este novo material genético geralmente contém um ou mais genes que melhoram a sua produtividade. Este gene pode aumentar um hormônio vegetal que está envolvido no acúmulo de nutrientes, por exemplo, e os tomates ficarem mais gordinhos. Mas a maioria das linhagens cultivadas hoje em dia receberam genes envolvidos com a resistência ao uso de herbicidas. Assim, os fazendeiros podem utilizar mais destas drogas sem matar as plantas que eles querem produzir. Mas quando pensamos nos genes dentro de um organismo, como nós, geralmente pensamos que estes são propriedade dele náo é? Nós não pensamos que nossos genes vão sair passeando por ai.

Só que não é bem assim. Quando comemos um alface, os genes daquele alface vão parar também no nosso intestino. E se de alguma maneira os genes do alface entrarem em uma célula do seu intestino? Na relação com microrganismos e vírus a coisa fica ainda mais promíscua. Estes vivem entrando em células por ai e com certeza trocam muito material genético nestes processos. Mas o que Yoshida e colaboradores mostraram num artigo publicado esta semana na Science foi que plantas trocam genes entre si. Assim, nós não podemos garantir que os genes introduzidos por nós em cultivos não vão parar em espécies da natureza. Esses caras estudaram uma planta parasita, S. hermonthica, que ataca algumas plantas cultivadas, como o arroz (olha lá em cima a planta roxa atacando uma plantação de milho). Daí eles procuraram por sequências genéticas típicas do grupo ao qual esses cultivares pertencem (mas não S. Hermonthica), as monocotiledôneas. E foi batata. Opa, bem, não exatamente batata. Eles encontraram um gene de monocotiledônea na S. Hermonthica, que é uma dicotiledônea.
Agora imaginem se uma planta parasita dessa rouba justamente o gene de resistência a herbicidas. Vai virar um super parasita que não morre com herbicida. É primordial agora saber o quanto essas transferências são frequentes.

A liberação do cultivo de transgêncios no Brasil é centralizada pela Comissão Técnica Nacional de Biossegurança, CTNBio. Ao meu ver, esta aprovação deveria ser melhor discutida com outras entidades, como o IBAMA, a EMBRAPA e a comunidade acadêmica. A lei de biossegurança contém também a regulação sobre o uso de células tronco. Uma bizarrice. O uso de transgênicos em cultivos vegetais merece uma discussão separada. A falta de discussão sobre assuntos de tal importância sempre gera erros em tomadas de decisão. O cultivo de soja no Brasil, por exemplo, tem a caracetrística de ser feito muito próximo a grandes áreas protegidas (que muitas vezes são até derrubadas pra dar lugar ao cultivo). Qual será o impacto da troca de genes entre a soja transgênica e espécies nativas? Até agora ninguém sabe.

sexta-feira, 14 de maio de 2010

Porque lamarckista? Parte 1: Linnaeus e o fixismo


Vocês devem estar se perguntando porque esse cara chega, cria um blog pra falar um bando de coisas doidas de biologia, diz que é lamarckista e nem explica porque. Então resolvi escrever uma série de textos sobre a história do pensamento evolutivo pra tentar chegar ao porque da idéia de que o Lamarck estava errado e se contrapunha a teoria de Darwin, interpretações erradas ao meu ver. Nesse primeiro vou tentar descrever como era a situação antes do Lamarck publicar o “Philosophie zoologique” em 1809.

Eu não sei quanto a vocês, mas eu sempre achei que antes da idéia de evolução a tradição bíblica havia induzido ao pensamento de que as espécies foram todas criadas de uma vez só e que eram entidades fixas (não mudam). Pois é, mas acontece que até o século 18 os conceitos de geração espontânea e transmutação eram incrivelmente bem aceitos. Nos séculos 16 e 17 era comum encontrar relatos como os que diziam que a girafa era o produto do cruzamento de camelos e leopardos. Santo Agostinho assumia que as espécies não deveriam ter sido criadas durante os seis dias do "Gênese". Durante este período somente um potencial se formaria e as formas apareceriam muito depois. Autoridades do clero, como Albert the Great, acreditavam que deus havia conferido poderes aos elementos, como a terra e as águas. Estes teriam então gerado as diversas formas de vida em tempos diferentes. E essas formas eram capazes de reproduzir-se. Santo Tomás de Aquino admitiu que “...novas espécies de animais são produzidas por putrefação, pela força que as estrelas e os elementos receberam no início. Novamente, animais de novos tipos aparecem ocasionalmente da conexão de indivíduos pertencentes a diferentes espécies...”

Então pensem bem, imagina desenvolver uma teoria evolutiva no meio dessa bagunça onde as espécies se transformavam em outras, cruzavam entre si formando híbridos e eram geradas de matéria inanimada. Impossível. Então a descoberta do fixismo das espécies no meio do século 18 representou uma novidade. Só depois que este conceito foi aceito pelos naturalistas este também foi incorporado como uma interpretação literária da bíblia pelo clero.

Dentre as observações de transmutações estavam as que plantas quando mudadas de ambiente se transformavam em plantas completamente diferentes morfologicamente. Este fenômeno acontece mesmo. Existem diversas espécies de Mata Atlântica, por exemplo, que conseguem se estabelecer em restinga ou mangue. Mas para isso passam por diversas modificações morfológicas. O que o Linnaeus e outros fizeram no século 18 foi realizar transplante e re-transplante de plantas entre ambientes para mostrar que estas não estavam se tornando outras espécies. Então, o fixismo era não só uma novidade como também um progresso cientifico!

O Linnaeus também foi importante por ter gerado o primeiro sistema de classificação dos seres vivos, o sistema binomial. Inclusive o nome de nossa espécie, Homo sapiens, foi por ele dado. Este sistema já utilizava a classificação de grupos maiores e menores, reino, classe, ordem gênero e espécie. Houveram outros sistemas antes mas o interessante do Sistema Natural, como o Linnaeus o batizou, foi ser o primeiro não antropocêntrico. Assim, nós fomos classificados neste sistema assim como qualquer outra espécie. A classificação que utilizamos hoje é fruto de releituras do Sistema Natural do Linnaeus.

O próprio Linnaeus assumia que os critérios para classificação que ele usava eram artificiais, não refletiam uma relação real entre os organismos. O Linnaeus era criacionista, acreditava no design inteligente das espécies por um deus. Quem sacou a relação genealógica entre os organismos foi o Lamarck. Aqui está, então, a primeira razão porque todos nós somos lamarckistas. No próximo texto eu vou me deter mais ao que o Lamarck disse.

Fontes:
Amundson R (2005) The changing role of the embryo in the evolutionary thought. Cambridge University Press.

Gould S.J.(1995) Dinossauro no Palheiro. Companhia das Letras.
Em especial o capitulo “Linnaeus e o avô de Darwin”

Zirkle C. (1959) Species before Darwin. Prooced. Am. Philos. Soc. 103:636-644.

quinta-feira, 22 de abril de 2010

Você é o que dá pra sua flora intestinal de comer


Esse título é uma óbvia referência ao dito popular que diz que você é o que você come. Então vou começar esse texto refletindo sobre o que somos nós. Nosso corpo é o produto da fusão de um gameta de cada um de nossos pais. Essa célula fusionada tem o incrível poder de se multiplicar e se desenvolver nesse corpo que nós temos hoje. Mas assim que deixamos o ambiente estéril da membrana placentária, zilhões de microorganismos encontram nas milhares de curvas do seu corpitcho um interessante nicho ecológico. Mas então? O quanto esses microorganismos são importantes para o produto final que é o nosso corpo? Para simplificar, vou me deter a uma população, a das bactérias que vivem em seu intestino.

As primeiras bactérias a colonizarem o seu intestino vem dos primeiros líquidos que você ingere (fórmula, ou leite materno ou leite de seja lá quem te amamentou). No leite materno, além de haverem muitos nutrientes estão também anticorpos que servem como uma imunidade adquirida para o bebê. Existem diversos estudos clínicos que mostram que estes primeiros eventos, como o parto (normal ou cesariana) e o tipo de amamentação influem na composição da microbiota dos adultos (que espécies estão e em que abundância). Essa idéia foi diretamente testada por Diaz e colaboradores (2004) que observaram que filhotes de mães com deficiencia na produção de anticorpos desenvolvem diferentes abundâncias de espécies de bactérias intestinais. Espécies pioneiras são importantes porque uma vez que elas chegam a um ambiente elas o modificam, e isso determina se as espécies que virão depois serão capazes de se estabelecer. Mas isso não significa que estes primeiros eventos são determinantes, e sim instrutivos, para a composição final.

Então vamos lá, será que oque você come altera a composição de bactérias do seu intestino? Ley e colaboradores (2006) compararam a flora de indivíduos normais e obesos e observaram que os obesos possuem uma alta na proporção de bactérias do tipo Firmicutes e que se perderem peso após uma ano esta proporção baixa novamente. Mas então vem a pergunta, o aumento de Firmicutes foi causado pela obesidade ou ele por si ajudou no aumento do peso destes indivíduos? Bom, esse mesmo grupo mostrou também que este aumento de Firmicutes acontece em camundongos obesos (Turnbaugh e colaboradores 2006). Então eles pegaram um camundongo que estava livre de microorganismos e inocularam bactérias do intestino de um camundongo obeso ou de um normal. Aqueles camundongos que tiveram bactérias de obesos inoculadas engordaram mais. Mais recentemente, Vijay-Kumar e colaboradores (2010) mostraram que camundongos mutantes para uma proteína importante para o sistema immune (o receptor semelhante a Toll 5) desenvolvem diversos sintomas de obesidade como hipertenção, hiperfagia (comer muito) e excesso de gordura. E muitos destes sintomas foram reproduzidos em camundongos normais que receberam a inoculação de bactérias do intestino destes animais. Assim, existe um balanço na comunidade de bactérias do nosso sistema digestivo que é influenciado pelo nosso sistema immune. Alterações nesta composição levam a um desbequilíbrio em nosso metabolismo e, o que me chama mais atenção, a uma modificação em nosso comportamento, no caso a hiperfagia.

A dependência do nosso sitema immune em relação à nossa microbiota não para por ai. Associada ao nosso intestino existe uma grande rede de tecido linfático, o GALT. Este tecido é importante pois os linfócitos precisam ir até lá para passarem por sua maturação final, onde começam a produzir os diferentes anticorpos. Acontece que as bactérias do nosso intestino são necessárias para o desenvolvimento do GALT. Isso é, sem as bactérias os nossos linfócitos não teriam aonde maturar e nós teríamos uma imunodeficiência semelhante à AIDS (ou até pior pois o GALT possui algumas outras funções). E Rhee e colaboradores (2004), mostraram que nenhuma das espécies encontradas no intestino do coelho é por si só suficiente para induzir o desenvolvimento do GALT. Somente a combinação entre algumas espécies induz. Assim, o desenvolvimento do nosso corpo de Homo sapiens não se completa sem nossos microorganismos moradores.

Bom, nós já vimos que nós influenciamos o balanço ecológico da nossa microbiota intestinal com nossos hábitos alimentares. Vimos também que a nossa microbiota influi no nosso metabolismo e comportamento alimentar. E que sem ela o nosso corpo não se desenvolve completamente. Mas o que Hehemann e colaboradores (2010) mostraram é que esta relação é muito mais interessante. Nós sempre ouvimos dizer que nós não digerimos muito bem as folhas que comemos por não possuirmos as enzimas, coisa e tal. A população do Japão então, que come muito frutos do mar, come aquela alga do Sushi só pra enfeitar mesmo não é? Não, acontece que estes caras mostraram que as bactérias do intestino de grande parte da população japonesa “roubou” os genes para digerir polissacarídeos de alga encontarados em bactérias marinhas. Assim, a cultura e os hábitos alimentares de um povo moldaram a microbiota para um melhor aproveitamento calórico daquele alimento mais comumente consumido. Isso tem diversas implicações como por exemplo a influência de tais eventos de transferência lateral de informação na evolução de hábitos alimentares, como a herbivoria.

No fim, vimos que esse corpo que você diz ser seu é um produto de todos os genomas de quem o habita, de como vocês percebem o ambiente e se comportam nele, e da história da sua relação. É hora também de pararmos de pensar na evolução como um processo interno. Nós não somos produtos somente da seleção de mutações. Todas estas coisas enumeradas acima podem trazer novidades que podem ser herdadas.

quarta-feira, 31 de março de 2010

O mistério da flutuação de populações de linces e lebres: Ponto pro Lamarck


Bom, lá vai a minha veia lamarckista pulsando de novo. Existe uma história muito contada nos livros de ecologia que é a relação entre populações de linces e lebres. Lebres, como todos sabem, são animais que gostam muito de se reproduzir e o fazem muito rápido. Assim, em épocas em que os linces não são muitos, a população de lebres aumenta (claro que dependendo de outras coisas como a oferta de comida). Mas ai então, os linces tem esse aumento na sua oferta de comida (as lebres) e começam também a reproduzir. Quando a população de linces então aumenta, por consequência a população de lebres diminui, por mais das pobres serem devoradas. Só que ai então chega um momento em que os linces comeram demais e sua população entra em colapso tendendo a diminuir. E ai, por reproduzirem mais rápido, a tendência seria que a população de lebres se recupere por falta de predação.

Mas não acontece bem assim. Existe uma fase, logo após o declínio dos linces, em que as lebres não reproduzem muito e continuam a cair mesmo com abundância de alimentos. Esse é um mistério que há muito tempo intriga os ecólogos. Eu lembro de certa vez ver uma palestra no congresso de ecologia explicando que esse comportamento imprevisível das lebres se deve a um comportamento caótico de sua população. Mas bom, colocar a teoria do caos no meio e só uma forma elegante de dizer que não faz a menor idéia do que tá rolando (para uma boa discussão sobre isso veja o capítulo "The end of Natural history?" no "Biology under the influence" de Lewontin e Levins, já vi uma tradução pelas livrarias).

Mas e ai? Oque que tá rolando com as lebres após o sumiço dos linces? Bom, acontece que as lebres gostam de sentir um clima na hora de reproduzir. Se elas estão estressadas elas não reproduzem muito. E se tem uma coisa que deixa elas estressadas é esse tal de lince. Mas se a população de lince entrou em declínio e tá cheio de comida, porque elas continuam estressadas? Ai entra a já famosa herança do comportamento maternal. Eu vou falar muito rapidinho agora porque eu já falei sobre isso neste blog (não lembra? Olhe aqui). Acontece que os comportamentos de stress e maternal são dependentes dos níveis de glicocorticóides no sangue. E os níveis de receptor de glicocorticóides que você expressa no seu cérebro são dependentes de se você foi bem cuidado pela sua mãe ou não. Isso é, fillhos de mães cuidadosas expressam bastante deste receptor, são menos estressados e as filhas cuidam bem de seus filhos. E o contrário vale pros filhos de mães estressadas. Sheriff e colaboradores (2010) publicaram um artigo mostrando que os níveis de corticóides nas fezes da prole (que são reflexo dos níveis do sangue)que nasceu numa época de poucos linces continua alto por algum tempo. Justamente porque suas mães eram estressadas por terem vivido numa época com linces e cuidaram mal desses filhotes. Eles tambem fizeram testes em laboratório de estresse com filhotes de fêmeas capturadas grávidas. Eles viram então que os filhotes dessas fêmeas que viveram com linces mantinham o resposta acentuada ao estresse. Assim, essas fêmeas herdaram uma informação ambiental vivida por seus antepassados que lhes foi transmitida independentemente dos genes que ela herdou através dos gametas dos seus pais.

Essa e uma confiramação que a heranca de informação ambiental pode ocorrer em populações naturais. Porém é necessário que o acompanhamento desta população seja feito por mais tempo para observar a perpetuação desta informação na população. Esses dados implicam na possibilidade de que tal forma de herança é uma possível fonte de novidade fenotípica e pode ser o gatilho para um evento de especiação.

sexta-feira, 12 de março de 2010

A anarquia celular na escolha de sexo das galinhas


Quando estamos na escola aprendemos que meninos são meninos porque tem um cromossomo Y e um cromossomo X. Já as meninas possuem dois cromossomos X e nenhum Y. Acontece que um gene presente nos cromossomos Y, o Sry, ativa a diferenciação das gônadas em testículos. Mas nem todas as diferenças entre homens e mulheres estão nas gônadas. Oque acontece é que estes órgãos produzem hormônios que sinalizam para as outras células qual é o sexo escolhido. Então para uma célula de fora do testículo do homem como uma célula muscular, por exemplo, tanto faz se ela possui o cromossomo Y ou não. A decisão é da ditadora gônada que só informa aos seus súditos qual é o sexo escolhido. Outra consequência disto é que se, por algum balanço diferente de hormônios, um menino produzir muita progesterona, as células que formam o seu peito vão fazer um peitinho mais “feminino”. Assim como meninas com muita testosterona crescem pelos nos bigodes, independente da composição cromossômica das células acima dos seus lábios.

Os organismos com dimorfismo sexual, isso é, com machos diferentes de fêmeas, definem o sexo de duas formas. Ou por mecanismos genéticos, como nós, ou por mecanismos ambientais. As tartarugas, por exemplo, tem o seu sexo definido pela temperatura em que os ovos são incubados. As fêmeas são geradas em temperaturas mais altas e os machos nas mais baixas. No buraco na areia onde a mãe coloca seus ovos, os machos são gerados na periferia enquanto as fêmeas são aqueles ovos que ficam no meio sem tocar na areia fria. Mas independente de como o sexo é definido, se genético ou ambiental, até agora acreditava-se que todas as células viviam sob a ditadura das gônadas. Mas ai então chegaram as galinhas para contrariar.

Antes de contar como as galinhas contrariaram o regime de governo celular vamos entender oque são ginandromorfos. Os ginandromorfos são organismos que por alguma razão apresentam características dos dois sexos. Isso pode acontecer por diversas razões. Uma delas é a má distribuição de cromossomos na hora da divisão celular. Quando uma célula vai se dividir, ela dobra o seu numero de cromossomos e pareia aqueles que são iguais para que na hora da divisão cada um vá para um lado. Só que podem haver erros. A síndrome de Down é um exemplo em que na geração dos gametas os dois cromossomos 21 foram para uma só célula. Esse gameta, depois de fusionado com o outro, acabou por gerar um bebê com três cromossomos 21 em cada célula. Agora imaginem um embrião que está fazendo sua primeira divisão celular para ficar com duas células. Se os dois cromossomos Y forem para só um lado, este terá uma célula com a informação para fazer meninos e outra que não tem. Assim, metade do corpo vai ter a informação e metade não. Mas tudo bem, porque um dos testículos deste menino vai ser gerado e produzir testosterona pra informar o resto do corpo o que fazer.

As galinhas também tem o sexo determinado por cromossomos sexuais. Os machos possuem dois cromossomos Z e as fêmeas possuem um cromossomo Z e um W. Só que então, Zhao e colaboradores observaram que existe uma ocorrência rara de galinhas que apresentam metade do corpo masculino e metade feminino. Olhem na foto lá em cima. Nesta galinha a plumagem branca é exclusiva de galos e o lado branco é mais fortão. Eles mostraram que o lado branco tem mais células ZZ e que o lado marrom possui mais células ZW. Mas lembrem-se, estas células estão recebendo os mesmos hormônios através do sangue. Então apesar da informação que vem das gônadas, a sua identidade é definida autonomamente.

Para confirmar essa hipótese, estes autores fizeram o transplante de células que dariam origem às gônadas de um macho para o ovário em desenvolvimento de uma fêmea e vice-versa (assim como os controles que eram transplantes entre animais de mesmo sexo). O que eles observaram foi que progenitores de gônada de um macho quando integrados a um ovário não expressam moléculas típicas de uma célula de ovário assim como progenitores de ovário não expressam moléculas típicas de testículos neste tecido. Assim, mesmo quando as células são transplantadas antes de haver a diferenciação das gônadas e liberação dos hormônios estas já sabem qual é o seu sexo. Em mamíferos, este mesmo experimento dá origem a células transplantadas que expressam moléculas de acordo com a identidade sexual da gônada hospedeira.

E será que este é um mecanismo exclusivo de galinhas? Qual será a regra entre os vertebrados, a das galinhas ou a dos mamíferos? Ainda falta observar com mais calma representantes dos diversos grupos mas vou dar meu chute aqui com o pouco que está descrito. Este não parece ser um mecanismo exclusivo de galinhas e sim parece abranger todas as aves. O dentilhão zebra é um animal muito estudado pelas bases neurais do comportamento de canto que, como vocês sabem, é exclusivo dos machos desta espécie. Pois é, acontece que machos castrados desenvolvem os núcleos do cérebro necessários para o canto e cantam normalmente. E fêmeas que tem o desenvolvimento de testículos induzidos artificialmente não desenvolvem estes núcleos e não cantam. Assim, também para as células cerebrais dos dentilhões zebra o mais importante é a sua identidade autônoma, sugerindo que eles utilizam o mesmo mecanismo das galinhas.

Mamíferos e aves são membros de um mesmo grupo chamado amniota. Estes são aqueles vertebrados que criaram uma membrana, a membrana amniótica, ao redor dos seus embriões que possibilitou o seu desenvolvimento sem que precisem estar mergulhados na água. Então aves e mamíferos possuem um ancestral comum que se parecia mais com um réptil que colocava ovos. Os primeiros mamíferos foram animais que colocavam ovos, como o ornitorrinco o faz até hoje. A partir daí apareceram uns animais que não colocavam mais ovos mas os seus embriões migravam para uma bolsa aonde continuavam seu desenvolvimento ligados a glândula de leite. Estes são os marsupiais, como os cangurus e os nossos gambás. Alguns mamíferos ainda inventaram uma outra membrana chamada placentária que envolve o embrião por mais tempo e permite a difusão de nutrientes da mãe para o embrião através do sangue. Estes são os mamíferos que ficam grávidos (ou grávidas), como os humanos. Então, os mamíferos marsupiais podem ser considerados em diversas características como ancestrais dos mamíferos placentários (claro que eles também fizeram suas invenções depois). Nos marsupiais o desenvolvimento de um saco escrotal ou de um marsúpio (a bolsa) acontece antes do desenvolvimento das gônadas e qualquer liberação de hormônios sexuais. Essa decisão ocorre de acordo com a dosagem de cromossomos X. Aqueles animais com dois X desenvolvem uma bolsa e aqueles com um X desenvolvem um escroto. Assim, as células do marsupial que tem que decidir entre estas duas estruturas não estão muito interessadas na decisão da gônada. E o meu chute é que o regime ditatorial das gônadas sobre as outras células é uma invenção de mamíferos placentários.

Vale lembrar que os hormônios continuam tendo funções na maturação sexual destes animais. Eles são importantes sinalizadores do estado das gônadas para o resto do corpo. O importante é que a identidade sexual de cada célula é adquirida de forma diferente em galinhas e em nós mamíferos placentários.