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.
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.
