Como os supergenes alimentam a evolução apesar das mutações prejudiciais

A milhares de quilômetros de casa, na fumegante floresta amazônica, em meados de 1800, o naturalista britânico Henry Walter Bates teve um problema. Mais de um, realmente; havia insetos picadores do tamanho de um polegar, a ameaça sempre presente da malária, cobras venenosas e mofo e bolor que ameaçavam atingir seus preciosos espécimes antes que pudessem ser enviados de volta para a Inglaterra. Mas o incômodo problema científico que o incomodava envolvia borboletas.

Bates notou que algumas das cores vivas Helicônio as borboletas na floresta não voavam como as outras; moviam-se mais devagar. Quando os capturou e os examinou sob seu microscópio improvisado, descobriu que não eram realmente Helicônio em tudo, mas surpreendentes sósias de famílias de borboletas não relacionadas.

Quando a descoberta de Bates chegou ao conhecimento científico na Inglaterra, a então nova proposta de seleção natural de Charles Darwin poderia explicar por que esse brilhante mimetismo ocorreu. Aves e outros predadores evitam Helicônio borboletas porque são tóxicas para comer, com sabor amargo. Os mímicos não eram tóxicos, mas porque eles se pareciam tanto com o gosto ruim Helicônio, eles eram menos propensos a serem comidos. Quanto mais próxima a semelhança, mais potente a proteção.

O que Bates e muitos biólogos evolucionistas posteriores não conseguiram explicar foi como esse mimetismo era possível. Conseguir os tons certos de água-marinha e laranja ardente nos lugares certos nas asas exigia uma constelação de genes precisamente ajustados. Esses traços teriam que ser herdados com perfeita fidelidade, geração após geração, para preservar a Helicônio disfarce. Talvez real Helicônio as borboletas podiam se dar ao luxo de se desviar um pouco na coloração porque suas toxinas ainda podiam ensinar os predadores a ficarem longe no futuro, mas os mímicos precisavam ser réplicas consistentemente perfeitas. No entanto, o rearranjo aleatório e a remistura de traços na reprodução sexual deveriam ter interrompido rapidamente os padrões essenciais de coloração.

Hoje sabemos que em muitas espécies a resposta são supergenes – trechos de DNA que unem vários genes em uma única unidade herdável. "Eles são uma espécie de curinga", disse Marte Sodeland, ecologista molecular da Universidade de Agder, na Noruega. Essa forma agregada de herança “tem vantagens óbvias, pois permite uma adaptação rápida, mas ainda há muita coisa que não sabemos”.

Os supergenes já pareceram uma estranheza evolutiva, mas a ascensão do sequenciamento genético mostrou que eles são muito mais comuns do que os pesquisadores acreditavam. Nem todos os supergenes podem ter uma função, mas o trabalho nos últimos anos revelou que características em uma ampla gama de espécies animais e vegetais podem ser impulsionadas por esses grupos de genes que funcionam como um único gene. Supergenes ajude os girassóis selvagens adaptam-se a uma variedade de ambientes, como dunas de areia, planícies costeiras e ilhas barreira. Em outras famílias de plantas, elas produzem sutis, mas importantes variações em seus órgãos sexuais e fertilidade que ajudam a prevenir a consanguinidade. Pesquisas publicadas na primavera passada mostraram que, em algumas espécies de formigas-de-fogo, os supergenes determinam que tipo de organização social predomina — se uma colônia tem uma única rainha reprodutora ou mais de uma, ou se produz mais machos ou fêmeas. (Supergenes específicos em humanos não foram confirmados, mas prováveis ​​candidatos foi encontrado.)

Os supergenes também parecem conter explicações para muitos mistérios de longa data da evolução, como como as espécies podem às vezes se adaptar a novos ambientes rapidamente, como as populações podem às vezes evoluir em direções diferentes mesmo quando vivem juntas e por que algumas espécies têm “sistemas letais equilibrados”. ” de reprodução, de modo que eles devem ter duas versões diferentes de um cromossomo para sobreviver.

Mas os supergenes não são todo-poderosos. Trabalhos recentes sobre a evolução dos supergenes estão pintando um quadro sutil de seus efeitos. Esses modelos teóricos e estudos de populações reais mostraram que os supergenes geralmente acumular mutações prejudiciais muito mais rapidamente do que outros pedaços de DNA, e isso pode levar gradualmente a efeitos degenerativos que minam os benefícios originais.

Separando a lavanderia genética

A definição de um supergene é bastante técnica, e os cientistas ainda discutem sobre seus pontos mais delicados, embora o conceito exista desde a década de 1930. Mas em seu nível mais simples, diz Simão Martinho, um biólogo evolucionário da Universidade de Edimburgo, um supergene é um grupo de genes que são herdados juntos como uma unidade, muitas vezes com muitos outros DNAs não codificantes.

“Você pode continuar a produzir duas características distintas com vários genes e não se preocupar com a confusão deles”, disse Martin.

Essa confusão geralmente ocorre durante a produção de óvulos e espermatozóides. Nesse processo, as cópias maternas e paternas dos cromossomos se alinham e trocam aleatoriamente segmentos de DNA em um balé chamado recombinação. A recombinação protege as apostas da natureza sobre o valor de diferentes permutações de genes; aumenta a diversidade genética e ajuda a eliminar mutações nocivas.

O superpoder dos supergenes é que eles bloqueiam isso. Normalmente, os supergenes contêm deleções, inserções ou inversões de DNA (sequências que foram cortadas e emendadas para trás). Como resultado, essas partes do DNA cromossômico não se alinham com um parceiro e são muito menos propensas a se recombinar.

Na década de 1970, os pesquisadores mostraram que esse mesmo mecanismo – com desalinhamentos nos cromossomos bloqueando a recombinação em segmentos de cromossomos que continuam a perder genes – levou à evolução dos cromossomos sexuais Y dos cromossomos X em mamíferos. Os cromossomos sexuais são essencialmente supergenes enlouquecidos. Tanto os supergenes quanto os cromossomos sexuais existem porque às vezes há um benefício em ter alguns conjuntos de genes herdados juntos, diz Débora Charlesworth, um dos geneticistas evolucionários que foi pioneiro nos estudos de cromossomos sexuais e recentemente se aposentou da Universidade de Edimburgo. Nesses casos, “seria ideal não haver recombinação, mas ter as coisas que combinam bem juntas para sempre”, disse ela.

Para entender por que isso pode ser vantajoso, pense em lavar roupa, diz Emma Berdan, um biólogo evolutivo da Universidade de Gotemburgo, na Suécia. Digamos que você tenha uma cesta de toalhas brancas e uma cesta de toalhas vermelhas. A recombinação faz o equivalente a jogar as duas cargas no mesmo tambor, ligar a água quente e pressionar start. O que resulta é um monte de toalhas cor de rosa. Mas o equivalente evolutivo das toalhas cor-de-rosa muitas vezes não é um problema, diz Berdan: Uma mistura de características pode ser benéfica.

Às vezes, porém, a vida se beneficia de manter sua roupa genética separada. Para Bates Helicônio imita borboletas, ter uma mistura de salpicos de cores de diferentes genes pode ser desastroso. As borboletas só colhem a recompensa da mímica se se parecerem o suficiente com Helicônio enganar os predadores.

É por isso que muitos pesquisadores vêm investigando como os supergenes surgem e quais podem ser as consequências para as espécies à medida que seus supergenes continuam a evoluir. Compreender a origem de um supergene é “uma das questões mais desafiadoras”, disse Tanja Slotte , geneticista evolucionista da Universidade de Estocolmo que estuda supergenes em plantas. “E não é certo que seja sempre possível.”

Em um esforço recente, Katie Lotterhos, um biólogo marinho evolutivo da Northeastern University, construiu um modelo de computador para estudar os primeiros passos experimentais dados no caminho da inversão ao supergene. Seu modelo, Publicado no Philosophical Transactions, da Royal Society B em agosto, como parte de uma edição especial sobre supergenes, mostrou que quanto maior o flip-flop inicial do DNA, maior a probabilidade de um supergene evoluir. A razão era simples: um fragmento de DNA invertido maior tinha maior probabilidade de capturar vários genes e bloqueá-los como uma única entidade. Quaisquer mutações benéficas que surjam dentro da inversão poderiam então promover sua disseminação como um supergene.

Mas o insight mais importante do modelo de Lotterhos foi que as inversões em si não fornecem necessariamente uma vantagem evolutiva. Se um conjunto de genes já está bem adaptado ao ambiente, bloqueá-lo em uma inversão não permitirá que ele subitamente decole como um supergene. Esse fato pode ajudar a explicar por que traços vitais complexos não são rotineiramente garantidos como supergenes: as pressões de seleção comuns são muitas vezes suficientes para preservar os traços.

A questão de saber se uma adaptação precede uma inversão ou vice-versa, percebeu Lotterhos, pode nunca ser respondida. “O que vem primeiro, a inversão ou a adaptação?” ela disse. “Provavelmente é um pouco dos dois.”

O custo dos supergenes

Os supergenes oferecem vantagens robustas na herança de características adaptativas, mas têm um custo.

Pense na analogia da lavanderia de Berdan: lavar toalhas vermelhas e brancas em uma única carga elimina as diferenças de cor entre os dois conjuntos de lençóis. No entanto, se você rasgar ou manchar uma toalha rosa, você tem uma toalha rosa idêntica que pode ser usada como backup. Se uma cópia de um cromossomo pega uma mutação prejudicial que quebra um gene, é provável que uma cópia de backup funcional esteja no cromossomo correspondente para ajudar o organismo a sobreviver. E como a recombinação garante que a mutação seja herdada independentemente de outros genes, a seleção natural pode eliminar a mutação ao longo do tempo.

Para supergenes, no entanto, isso não é verdade. Como raramente se recombinam, quaisquer mutações prejudiciais que adquirem tendem a permanecer no lugar. Os benefícios dos supergenes, então, podem ser acompanhados por desvantagens significativas. Por exemplo, Berdan e Benjamim Wielstra do Instituto de Biologia de Leiden descobriram que na salamandra chamada salamandra, metade dos ovos que ela põe não são viáveis ​​por causa de todas as mutações que se acumularam em um supergene. Seus supergenes parecem estar impedindo seu sucesso reprodutivo.

Os supergenes também podem complicar o processo de acasalamento. Em algumas espécies, os supergenes criam um sistema de reprodução que, na verdade, tem quatro sexos. Por causa de um supergene nas aves norte-americanas chamado pardais-de-garganta-branca, por exemplo, existem dois “morfos” com coloração e comportamentos diferentes. Não apenas os machos precisam encontrar as fêmeas, mas também devem encontrar um parceiro da metamorfose oposta. Caso contrário, a prole morrerá por herdar supergenes de ambos os pais ou por não herdar nenhum. Apenas os filhotes que recebem uma herança “letal equilibrada” de um supergene e um segmento comum de cromossomo sobrevivem.

Com um preço tão alto, é uma maravilha que os supergenes tenham evoluído, diz Berdan. “Qualquer conjunto de variantes será muito difícil de manter, especialmente ao longo de milhões de gerações”, disse ela. “Esse é um dos grandes mistérios dos supergenes.” Ela sugeriu que vários tipos de seleção podem estar trabalhando juntos para preservar supergenes e que certos ambientes podem ser mais propícios à sua persistência na população.

Ironicamente, um dos mecanismos que às vezes podem preservar supergenes parece ser a recombinação – o fenômeno ao qual eles normalmente resistem. Amanda Larracuente, geneticista evolutiva da Universidade de Rochester, e seus coautores descreveram esse caso Abril passado in eLife.

Larracuente não estava inicialmente interessado em supergenes ou seus custos evolutivos. Seu foco estava em genes egoístas, segmentos de DNA que proliferam em populações sem beneficiar seus hospedeiros. Ela era fascinada por um gene egoísta chamado Distorcedor de Segregação (SD) que surgiu em certas moscas da fruta na Zâmbia e distorce a proporção sexual de seus descendentes. "É um assassino de esperma", explicou ela, mas só mata o esperma que não carrega um cromossomo com SD.

Em algum momento nos últimos 3,000 anos, uma versão do SD capturou um grande pedaço de DNA cromossômico, criando um supergene conhecido como SD-Mal que se espalharam para as populações de moscas-das-frutas em toda a África. "É realmente o gene egoísta final", disse Larracuente.

Sequenciamento e análise de DNA por Larracuente, Dave Presgraves e seus colegas mostraram que os cromossomos com SD-Mal acumular mutações prejudiciais, como previsto pela quase completa falta de recombinação entre SD-Mal e seu cromossomo irmão. Mas os pesquisadores não encontraram tantas mutações quanto esperavam.

A razão, eles descobriram, é que ocasionalmente uma mosca herdará dois cromossomos com SD-Mal – e esses dois supergenes são semelhantes o suficiente para permitir alguma recombinação entre eles. Essa recombinação, por sua vez, possibilita que algumas mutações prejudiciais sejam eliminadas dos supergenes das moscas ao longo do tempo.

“Como se vê, apenas um pouco de recombinação é suficiente”, disse Larracuente. Ela e Presgraves estão agora à procura de outros SD supergenes em populações de moscas-das-frutas selvagens para obter pistas sobre a evolução e os impactos dos supergenes em geral.

Seus resultados mostram que os efeitos purificadores da recombinação nos genomas nunca deixam de ser importantes. As características complexas que a herança estável e previsível dos supergenes torna possível podem ser inestimáveis ​​para ajudar as espécies a se adaptarem, mas mesmo os supergenes podem se beneficiar de misturar as coisas de vez em quando.