A Natureza é Promíscua

Quando Lineu criou o sistema binário de classificação dos animais, ainda pensava que as espécies eram fixas, e não variavam. Este pensamento prevaleceu ainda durante um bom tempo, até que Darwin propôs que novas espécies surgiam a partir do processo de seleção natural, apesar de desconhecer qual o exato mecanismo (genético) de tal processo. Embora a transferência de informação entre gerações de uma espécie tenha sido descoberta por Mendel, somente com a descoberta do DNA e da sua função foi que o processo de transferência de informações entre gerações começou a ficar mais claro.

Com o surgimento das ciências genômicas e a descoberta da reação de polimerização em cadeia, foi possível se explorar a codificação genética de inúmeros organismos vivos, e também de entender como funciona a expressão genética em geral (ou seja, qual é a função de um determinado gene, e qual o processo ou característica fenotípica que ele regula). A partir deste momento a biologia sofreu uma verdadeira revolução e o volume de informações sobre regulação gênica de processos biológicos aumentou exponencialmente.

Uma das grandes questões que surgiram após a descoberta do DNA foi: será que organismos vivos podem trocar DNA entre si? Ou seja, trocar genes? Aos poucos se verificou que esta hipótese era verdadeira. Bactérias de diferentes espécies frequentemente trocam genes entre si. Mas tarde se observou tal fato para fungos também. O surpreendente foi a observação de troca de genes entre fungos e bactérias, uma vez que são organismos que pertencem a Reinos diferentes (apenas para lembrar, a classificação dos organismos segue uma hierarquia: Reino, Filo, Classe, Ordem, Família, Gênero, Espécie). Ou seja, são organismos muito distantes do ponto de vista evolutivo. Mais recentemente, se observou a troca de genes entre bactérias e plantas. Esponjas marinhas, por exemplo, são animais. Mas esta definição é um tanto complicada, porque determinados grupos de esponjas podem conter até 50% de sua biomassa de bactérias. 50%. Logo, é um animal ou uma colônia de bactérias?

Esta troca de genes entre espécies de diferentes grupos biológicos é chamada de transferência lateral de genes, ou transferência horizontal de genes, em oposição à transferência vertical de genes, que ocorre entre gerações de uma mesma espécie. Atualmente, se considera que a TLG é muito mais comum do que se pensava, e a árvore da vida de Darwin se transformou em uma rede de vida, na qual organismos vivos trocam genes de maneira promíscua.

Um exemplo recente foi a descoberta de que afídeos (insetos da ordem Hemiptera) apresentam capacidade de biossintetizar carotenos, e que os genes que codificam a biossíntese destes carotenos são muito parecidos com genes de fungos que também regulam a biossíntese de carotenos. Logo, tais organismos devem, em algum momento de sua história evolutiva, ter trocado genes que regulam a biossíntese de carotenos. Vamos à história.

Carotenos estão presentes em vários grupos biológicos da natureza: Archea (bactérias primitivas), bactérias, fungos e plantas. Por sua vez, os animais utilizam carotenos para diversas funções, como antioxidantes, como moduladores do sistema imune e como precursores para a formação de pigmentos da visão (em humanos, uma dieta muito pobre em carotenos causa uma doença chamada cegueira noturna). Mas, nenhum animal biossintetiza carotenos. Estes devem ser adquiridos através da dieta.

Os afídeos da espécie Acyrthosiphon pisum apresentam coloração amarela, alaranjada e até vermelha por conterem quantidades apreciáveis de carotenos. A coloração destes insetos está relacionada à sua predação (seus predadores têm preferência por afídeos de determinada coloração): afídeos verdes não são consumidos por predadores de afídeos vermelhos, e vice-versa. Os afídeos verdes apresentam alfa-caroteno, ß-caroteno e gama-caroteno, enquanto que os afídeos vermelhos apresentam os mesmos compostos e também toruleno e desidro-gama,psi-caroteno. A presença de tais carotenos em afídeos era creditada à sua dieta. Contudo, a composição carotenóide dos afídeos é significativamente diferente da composição carotenóide das plantas de que se alimentam, e tal hipótese passou a ser questionada. Uma segunda hipótese levantada é que os carotenos de afídeos teriam origem bacteriana, de seus endossimbiontes. Porém, a análise genômica dos endossimbiontes de A. pisum não indicou qualquer gene com homologia a genes que comumente codificam a biossíntese de carotenos (em plantas, por exemplo). Além disso, os endossimbiontes de A. pisum são transmitidos entre gerações pela fêmea, e, portanto, se determinada pelos endossimbiontes a distribuição de cores deveria seguir uma distribuição genética determinada pela mãe. Na verdade, as variações de cor entre os afídeos seguem uma distribuição mendeliana entre gerações, o que significa que os genes que codificam a biossíntese dos carotenos estão igualmente presentes nos machos e nas fêmeas dos afídeos.


Clones verdes (A), vermelhos (B) e clone verde mutante (C) obtido a partir do clone vermelho do afídeo A. pisum

Logo, os genes codificantes da biossíntese de carotenos em afídeos devem ser do genoma destes insetos.

Uma vez que o genoma de A. pisum já havia sido seqüenciado, a análise deste buscando genes codificadores de carotenos levou à descoberta de genes de carotenos muito similares de genes que codificam a biossíntese de carotenos em fungos. Assim, considerou-se a possibilidade da contaminação do DNA de A. pisum quando de seu seqüenciamento. Porém, a expressão de sete genes de A. pisum mostrou ser altamente reprodutiva em diferentes laboratórios de pesquisa. Logo, a contaminação também foi descartada.

Os dados obtidos indicam que houve transferência lateral de genes de um fungo para um afídeo em um evento único, seguido de duplicação do genoma do afídeo. Possivelmente, o doador do gene ancestral pode ter sido um fungo patogênico ou simbionte de afídeos, ou ainda um simbionte de plantas fonte de alimento de afídeos. A transferência lateral de genes também foi evidenciada para outra espécie de afídeo, Myzus persicae. O mais impressionante é que a variação de carotenos decorre de uma única substituição no gene, de guanosina para adenosina, que leva à substituição de um único aminoácido na enzima dessaturase carotenóide, de ácido glutâmico para lisina. Esta mudança altera totalmente o sítio ativo enzimático, já que o ácido glutâmico, como o próprio nome diz, é um aminoácido de caráter ácido, enquanto que a lisina é um aminoácido com caráter básico. Tal mudança no sítio enzimático determina a cor do caroteno produzido, e esta mutação está presente nesta enzima encontrada em bactérias, plantas e fungos. A mutação não permite mais a biossíntese de toruleno e desidro-gama,psi-caroteno, mas somente de gama-caroteno.


Árvores filogenéticas de enzimas que codificam a biossíntese de carotenos. (A) Dessaturases carotenóides e (B) cyclase carotenóide-sintase carotenóide. As sequencias ilustradas são de afídeos, bactérias, plantas e fungos. Não foram encontrados homólogos que codificam a biossíntese de carotenos em genomas de outros animais.

A história chega ao fim quando se verifica que a transferência lateral de genes codificadores da biossíntese de c
arotenóides de um fungo para um afídeo promoveu uma série de eventos, como duplicações genéticas, diversificação seqüencial e mudanças na expressão de cópias dos genes, que resultaram no surgimento de variantes de afídeos com diferentes cores. Suas diferentes cores promovem diferentes interações com o ambiente (absorção de luz) e com outros organismos (predadores). Levando-se em conta que carotenos são essenciais para muitas espécies de animais, é surpreendente que tal transferência lateral de genes não tenha ocorrido com mais freqüência. De qualquer forma, esta é a primeira aquisição de genes codificantes da biossíntese de carotenos por animais já documentada.

ResearchBlogging.orgMoran, N., & Jarvik, T. (2010). Lateral Transfer of Genes from Fungi Underlies Carotenoid Production in Aphids Science, 328 (5978), 624-627 DOI: 10.1126/science.1187113

Discussão - 5 comentários

  1. maria disse:

    que legal!
    escrevi uma vez sobre transferência lateral e achei o máximo (http://revistapesquisa.fapesp.br/?art=3853&bd=1&pg=1&lg=), mas incluir um invertebrado é mais interessante ainda!

  2. Dônovan disse:

    Bom pessoa… pra começar devo dizer que o texto está ótimo e já até retwittei (são poucos seguidores, mas quase todos biólogos que podem contribuir e apreciar tais escritas)… Em segundo lugar gostaria de saber se seria possível postar algo nos mesmos moldes, só que dessa vez colocando em voga os transgênicos e a transferência horizontal, onde seria, pelo menos em teoria, possível os genes modificados acabarem sendo compartilhados por diferentes espécies podendo modificar muita coisa. Deixo claro que não penso em uma demonização dos transgênicos, mas apenas num esclarecimento visto que é um tema que não é muito discutido hoje. Talvez vc tenha fontes que possam ajudá-lo e nos ajudar a entender melhor o tema…
    No mais… Vlwsão awe pela atenção e parabéns de novo.
    Ps: BIOLOGIA RULES FOREVER.

  3. Roberto disse:

    Oi Dônovan,
    Hum, boa proposta esta de falar sobre TLG entre transgênicos. Quem sabe algum de meus companheiros daqui do Science Blogs Brasil já não postou algo sobre isso? Vou ver. Se não, gostei da idéia.
    abraço,
    Roberto

  4. Letícia Paola Alabí disse:

    Olá, cara escritor…
    em verdade não é que as transferências não são tão frequentes.
    Somos nós quem não a notamos.
    Abraço

  5. Rudolf disse:

    Muito interessante! 🙂

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