Evo-Devo: Genes Homeobox

Os genes homeobox  são genes homeóticos do desenvolvimento embrionário. A atuação destes genes dá-se por ativação ou inibição de outros genes que por sua vez produzem proteínas que se vão ligar e influenciar a atividade de outros genes, sucessivamente com um efeito cascata. Este segmento é compartilhado por muitas classes de genes homeóticos.

Um homeobox mede cerca de 180 pares de bases; ele codifica um domínio de 60 aminoácidos que fará parte das proteínas (o "homeodomínio") que se podem ligar ao ADN. Genes homeobox codificam fatores de transcrição que tipicamente ativam outros genes numa reação em cadeia, para desenvolver segmentos do corpo.

O homeodomínio liga-se ao ADN numa maneira específica. A especifidade de um único homeodomínio protéico não é geralmente suficiente para reconhecer apenas seus genes desejados como alvo. A maior parte do tempo, as proteínas do homeodomínio agem na região promotora dos genes alvos como complexos com outros fatores de transcrição, muitas vezes outras proteínas de homeodomínio. Tais complexos têm uma especificidade de alvo muito maior que uma única proteína de homeodomínio.

Estes genes são expressos de forma colinear: genes anteriores são expressos cedo durante o desenvolvimento e em direcção á frente do corpo e genes posteriores mais tarde no desenvolvimento e em porções mais distais do corpo. 

Nos invertebrados apenas um unico cluster foi encontrado (no entanto este encontra-se dividido em Drosophila) – foi então proposto que o ancestral comum tivesse também um cluster apenas, que terá sofrido 4 duplicações em diferentes cromossomas, acompanhando a complexidade do corpo – as 4 duplicações do cluster ainda hoje são facilmente identificadas.  Uma reconstituição filogenética pode ser observada na figura em baixo:



É de notar que o peixe zebra ao contrário dos 4 clusters típicos dos vertebrados, possui 6 clusters (mais 2 duplicações).

As duplicações dos genes homeobox podem produzir novos segmentos corporais, e essas duplicações provavelmente foram importantes na evolução de animais segmentados.

Estes genes são um belo exemplo de como um gene codificante pode divergir e transformar-se num pseudogene ou adquirir mutações que permitem a manutenção da funcionalidade (codificante).

Alterações nestes genes foi confirmado poder causar modificações anatómicas em larga escala – o que pode ser inferido que ocorreu pelas análises genéticas comparativas. Estes facto, além de contribuir para explicar a origem da complexidade, apoia a teoria do equilíbrio pontuado. 

A evolução da complexidade pode ser parcialmente explicada pelas mutações que ocorreram nestes genes, que combinadas com as epimutações podem conferir incrível complexidade.

Domesticação de Transposões e Retrotransposões

Em muitos casos a evolução de sistemas complexos - Ex.: cascatas de regulação genética, pode ser explicada por processos de duplicação com sub e neo-funcionalização (como já exemplificado também em textos anteriores). Outros processos como splicing alternativo – recombinação de exões, fusão genética, mutações pontuais, mutações com efeito em conjunto e inserção de material exógeno com domesticação (exaptação ou co-opção) também, sendo este um processo também de duplicação (no caso de retrotransposões), que pode ter originado o sistema do ciclo de krebs mais comum (completo) e redes de proteínas em geral, quando combinado com outras mudanças.

Neste texto serão descritas as vias de expressão de 2 tipos comuns de elementos exógenos e apresentada uma perspectiva evolutiva do processo de domesticação que se encontra em concordância com os dados existentes.    

Os transposões possuem processo normal de transcrição e tradução e sofrem excisão.

Os retrotransposões possuem uma via de expressão com transcrição reversa intermediária.

Pressões selectivas actuam durante o processo de domesticação: a transposição ‘egoísta’ não é uma estratégia evolutivamente favorável, pois este processo pode causar danos no DNA da célula hospedeira e conduzir á sua morte, o que leva á destruição destes – os que possuíam características propicias a desempenharem funções celulares forma seleccionados naturalmente, assim como certos hospedeiros com mecanismos inibidores de transposição foram seleccionados (ex: Drosophila).

A Questão da Resistência aos Antibióticos

Um dos maiores inimigos do criacionista (e ironicamente do profissional de saúde) é a ocorrência de mutações potencialmente benéficas que conferem resistência aos antibióticos e antivirais caso se trate de bactérias ou de vírus respectivamente. Qual o porquê do desespero dos criacionistas face á resistência aos antibióticos? - É simples: um dos seus argumentos preferidos é que as mutações que ocorrem naturalmente não são em nada benéficas.

Estas mutações potencialmente benéficas são bastante comuns e bem documentadas tanto em vírus como em bactérias.

Numa cultura de bactérias sensíveis a um antibiótico pode haver uma pequena percentagem de mutantes que, devido a essa mutação, resistem ao antibiótico.

Em 1943, Salvador Luria e Max Delbrück fizeram uma experiência usando como caso de estudo a resistência de bactérias a um vírus. Quando uma cultura de bactérias é infectada com um bacteriófago, um vírus que afecta bactérias, a maioria das células é destruída mas algumas resistem à infecção e todas as suas descendentes serão resistentes também. Alguma mutação torna essa linhagem resistente ao vírus. O que Luria e Delbrück fizeram foi obter culturas, em meio líquido, a partir de bactérias isoladas. Depois, inocularam cada cultura com bacteriófago, retiraram uma amostra do líquido e espalharam numa placa com meio sólido de cultura. As bactérias que sobreviveram formaram colónias, visíveis a olho nu, e que permitiram determinar a quantidade de bactérias resistentes em cada cultura.

Se a mutação fosse conduzida pela própria célula, que se auto-impõe uma certa adaptação em resposta ao meio-ambiente, de uma forma pré-determinada, seria de esperar que se formasse um número semelhante de colónias em todas as placas e também que uma maioria sobrevivesse. Isto não aconteceu.

A mutação foi seleccionada naturalmente por conferir determinada característica que se mostrou benéfica no contexto ambiental.

Casos semelhantes, em que ocorre selecção natural de mutações devido aos seus benefícios em contexto, são os da resistência a anti-virais.

Um estudo de 2012 sobre mutações benéficas no vírus H1N1, que é um fenómeno monitorzado que ocorre á escala da vida humana (tal como o fenómeno da resistencia aos antibióticos), relata o aparecimento de novas variantes do vírus a partir de mutações que conferem resistencia a anti-virais. Verificou-se também uma acumulação de mutações que em conjunto potenciam multi-resistência.

 

Referências:

- Mutations of Bacteria from Virus Sensitivity to Virus Resistance - Salvador Luria e Max Delbrück

- PLoS One. 2012;7(8):e37095. Epub 2012 Aug 24 - I223R Mutation in Influenza A(H1N1)pdm09 Neuraminidase Confers Reduced Susceptibility to Oseltamivir and Zanamivir and Enhanced Resistance with H275Y, Legoff J, Rousset D, Abou-Jaoudé G, Scemla A, Ribaud P, Mercier-Delarue S, Caro V, Enouf V, Simon F, Molina JM, van der Werf S.

 

Evolução de Estruturas Complexas e a Crise Existencial de Michael Behe

EVOLUÇÂO DE REDES DE INTERAÇÃO PROTEINA-PROTEÌNA E LOCAIS DE LIGAÇÃO

 

O Dr. Michael Behe contestou em 1997 a possibilidade da evolução dos locais de ligação proteína-proteína. Este deu o exemplo dos anticorpos em que 5 ou 6 locais teriam que se modificar em simultâneo, o que é bastante improvável á luz da evolução natural. No entanto, a produção de anticorpos é devida a um conjunto de mutações (somáticas) naturais que vemos ocorrer á escala da vida humana – de que é que se queixa então o Dr. Behe? Na realidade o Dr. Behe queixa-se de que a teoria da evolução não inclui nenhuma intervenção divina que poderia manipular processos naturalmente aleatórios a nível subatómico, manipulação que se manifestaria através de mutações. Essa alegação sai do âmbito de estudo da biologia molecular e da própria ciência. O Dr. Behe deveria cingir essas dúvidas existenciais á sua mente perversa em que um deus louco faz as bactérias e os vírus resistirem aos antibióticos e aos anti-virais matando dezenas de pessoas. 

Existem várias famílias de proteínas (fosfatases, proteases, proteínas-adaptador) nas quais apenas 2 ou 3 aminoácidos são críticos para o desempenho da função adequada.

Genes duplicados muitas vezes codificam proteínas em rede PPI, sendo que o par proteínas provenientes de genes duplicados muitas vezes partilham parceiros PPI embora estes possam ser perdidos. Existe uma forte correlação entre as funções das proteínas na rede e a estrutura PPI não sendo porém aplicável a todos os casos. Através de exames de pares originados por duplicação na S. cerevisiae foi demonstrado que a proteína com mais parceiros PPI evoluiu mais devagar em 134 de 216 pares examinados, o que faz com que as perdas tenham sido mais do que os ganhos para aumentar a velocidade de adaptação, o que se enquadra num contexto de vantagem evolutiva. 

Referências

- Evolution of Protein-Protein Interaction Network, Makino, T. (Mishima/Shizuoka/Dublin); Gojobori, T. (Mishima/Tokyo) - Volff J-N (ed): Gene and Protein Evolution. Genome Dyn. Basel, Karger, 2007, vol 3, pp 30–47.

 

- Carroll, Sean (2007-07-08). "Evolution: God as Genetic Engineer". Science 316 (5830): 1427–8.

 

 

 

Evolução natural do Flagelo bacteriano

CARACTERÌSTICAS DO FLAGELO BACTERIANO E INFERENCIA DA EVOLUÇÂO NATURAL:

As unidades funcionais do flagelo bacteriano são constituídas por módulos.

O filamento flagelar da S. typhimurium é formado por incorporação repetitiva de muitas subunidades de uma só proteína (FliC ou FljB), sendo que o mesmo se aplica a outras estruturas da secreção tipo III (flagelares e não flagelares), incluindo estruturas côncavas e em anel.

As proteínas flagelares formam espontaneamente filamentos em solução na ausência do resto da estrutura – são capazes de se montarem naturalmente. Semelhantemente, um componente da agulha na salmonela (PrgH) pode auto-polimerizar-se numa estrutura tetramerica (um possível intermediário evolutivo). PrgH e outro componente da agulha, PrgK, pode, na ausência de outros componentes tipo III, oligomerizar numa estrutura em anel idêntica em forma e tamanho á base do complexo – as estruturas bioquimicas são capazes de se auto-organizarem naturalmente e os genes capazes de regular essa organização. Um tipo de organização que confira vantagem é seleccionado e o fundo genético ou epigenético associado pode ser perpetuado.

O motor proteico é constituído pelo sator e pelo rotor. O sator é constituído por múltiplas cópias de 2 proteínas (Mat A e B) que se mantêm numa estrutura associada á membrana interna ancorada a um peptidoglicano. O rotor consiste em múltiplas cópias da FliG, que em conjunto com mais 2 proteínas formam o anel em C. Estas proteínas têm homólogos fora do flagelo. É sugerida a ancestralidade comum entre a FliG (proteína do complexo rotatório) e a proteína MgtE de Y. Pestis (bomba iónica transmembranar), pela semelhança sequencial e no ‘fold’. Possivelmente estas proteínas derivam de uma proteína estrutural de membrana mais simples. A evolução a partir de um ancestral funcional e o facto de existirem sistemas com semelhanças relativas ao flagelo, mas cujas estruturas não se encontram todas presentes e ainda assim desempenham outra função descarta o conceito de complexidade irredutível, pois segundo o Dr. Michael Behe uma estrutura irredutivelmente complexa não pode por definição ter sido originada a partir de um ancestral funcional passível de ser seleccionado naturalmente.

Em certos sistemas existe mais do que um flagelo e as análises sequenciais forneceram evidências de ancestralidade comum. O mesmo se aplica a proteínas flagelares e á família de proteínas associadas ao gancho, bem como a uma série de proteínas da base do gancho e do filamento.

Para o flagelo evoluir, modificações no genoma seriam necessárias. Algumas delas podem ser detectadas observando a estrutura das próprias proteínas e da sua organização. As comparações sequenciais evidenciam que as proteínas anteriormente referidas teriam sido originadas por duplicações -  as proteínas são cópias umas das outras com algumas modificações.  Sucessivas duplicações e evolução divergente explica o aparecimento da sub-estrutura axial e de componentes não axiais, tais como o domínio SpoA partilhado por FliM e FliN. Os processos de duplicação ocorrem naturalmente, bem como mutações e conjuntos de mutações vantajosos.

Processos de auto-organização como os que originam sistemas complexos a partir de elementos simples (como a formação de furacões) são constantemente observados na natureza. A evolução natural é a explicação que está de acordo com os dados obtidos por observação. Eu diria que o flagelo bacteriano é uma dor de cabeça para os criacionistas, pois um dos seus argumentos preferidos – a complexidade irredutível, fica neste caso posto de parte. As alegações de Michael Behe de que as evidências de ancestralidade comum não são contrarias á ideia de design inteligente não estão erradas. No entanto, se a complexidade irredutível não é aplicável para indiciar o design inteligente, os criacionistas estão a ficar sem argumentos.   

Referencias:

Bacterial Flagella and Type III Secretion: Case Studies in the Evolution of Complexity, Pallen, M.J. (Bir mingham); Gophna, U . (Tel-Aviv) - Volff J-N (ed): Gene and Protein Evolution. Genome Dyn. Basel, Karger, 2007, vol 3, pp 30–47

Complexidade Especificada: Epic Fail

O meu primo tem 14 anos e o que ele mais gosta de ver no youtube são os epic fails de todo o mundo. Eu por outro lado, o que mais gosto de observar nos argumentos criacionistas são todos os seus… epic fails! Seguindo o epic fail da complexidade irredutível, os criacionistas apoiados na hipótese do design inteligente inventaram o argumento da complexidade especificada. Na realidade não é necessário ser cientista nem estudante de ciências (que é o meu caso) para compreender que é mais um epic fail criacionista.

William Dembski (filósofo e matemático) é um dos principais proponentes do design inteligente. Este promoveu a hipótese do D.I. nas suas obras. Em ‘The Design Inference’ este afirma que existem 3 tipos de fenómenos essenciais na natureza: regular, aleatório e projectado. Este cenário não corresponde á realidade. Deixando de lado o projectado, não existem apenas as 2 outras opções. Caos e teoria da complexidade têm demonstrado a existência de fenómenos de auto-organização (Kauffman, S.A. (1993) The origins of order. Oxford University Press, New York; Shanks, N. and Joplin, K.H. (1999) Redundant complexity: a critical analysis of intelligent design in biochemistry. Philosophy of Science 66:268-282), situações em que a ordem espontânea emerge de interacções complexas entre partes de 1 sistema – certos fenómenos meteorológicos como furacões não são regulares (não dependem de leis), mas são resultados de fenómenos de auto-organização. Tanto um furacão como a galáxia M51 são exemplos da emergência natural da complexidade através deste tipo de fenómenos. Então, a natureza é capaz de auto-organização e de gerar complexidade. .

Dembski propôs o argumento da complexidade especificada a favor da hipótese do design inteligente. Com a sua obra ‘No Free Lunch’ pretendia demonstrar, aplicando os teoremas NFL, a inabilidade dos algoritmos evolutivos em seleccionar ou gerar configurações de grande complexidade especificada, pelo que seria necessário uma intervenção inteligente. Na realidade, segundo Mark Perakh na obra ‘Unintelligent Design’, não se pode refutar a teoria da evolução que se enquadra no âmbito da ciência experimental através da matemática ignorando todas as evidências experimentais e empíricas.

Quando o autor calcula a probabilidade de ‘busca’ de uma proteína específica este não pode aplicar essa fórmula de cálculo, pois a evolução não é uma ‘busca’ direccionada, é um processo cego com várias buscas, pelo que a probabilidade seria aumentada em muitas ordens. Portanto, os cálculos de Dembski são irrelevantes para a Teoria da Evolução. O trabalho de Dembski tem recebido críticas relativas ao facto destes cálculos serem despropositados relativamente ao processo ‘evolução’, inclusivamente por um dos colaboradores na elaboração dos teoremas NFL, como é o caso de David Wolpert. Se este trabalho fosse submetido a revisão de pares nunca passaria, não por incorrecções matemáticas, mas pela irrelevância das propostas para a Teoria da Evolução. 

Já foi demonstrado que a natureza pode originar complexidade, mas será que pode produzir códigos (informação especificada)? A resposta é: sim, pode. O exemplo mais óbvio de um código é o código genético. Um código é uma correspondência específica entre elementos. Existe afinidade directa entre segmentos de RNA e certos aminoácidos (em péptidos). A zona de ligação corresponde aos codões específicos desse aminoácido – deste modo pode-se verificar a correspondência específica entre os elementos – um código que se forma espontaneamente na natureza.         

Algo que se pode afirmar complexo e específico pode ser gerado naturalmente através da adição de sequencias: tem-se uma pequena sequência codificante, á qual por processos de auto-organização natural (em certas condições a polimerização de nucleótidos é possível) podem ser adicionadas outras sequencias sucessivamente.

Deste modo pode obter-se complexidade (longas sequencias) especificada (codificantes).  Classificar como impossível a emergência natural da complexidade especificada é realmente incorrecto. Afirmar que é difícil de acontecer seria correcto, mas isso seria o que uma versão imparcial de Dembski faria.

 

O autor afirma não ser criacionista:

“Face a esta consideração do criacionismo, eu sou um criacionista? Não. Eu não considero o Génesis como um texto científico. Não tenho interesse teológico na idade da Terra ou o do universo. Considero os argumentos dos geólogos persuasivos quando eles argumentam que a terra é de 4,5 bilhões de anos de idade. Além do mais, eu acho os argumentos dos astrofísicos persuasivos quando eles argumentam em favor de um universo que é de aproximadamente 14 bilhões de anos. Eu acredito que eles acertaram. Mesmo assim, eu me recuso a ser dogmático aqui. Eu estou disposto a ouvir argumentos contrários. No entanto, até agora eu não encontrei nenhum dos argumentos para uma Terra jovem ou uma universo jovem convincente. A natureza, tanto quanto me interesessa, tem uma integridade que lhe permite ser compreendida sem o recurso a textos reveladores. Dito isto, acredito que a natureza aponta para além dela própria para uma realidade transcendente, e que essa realidade é, simultaneamente, refletida num idioma diferente, pelas Escrituras do Antigo e Novo Testamentos."

Na realidade, a associação com as escrituras bíblicas foi mesmo o toque final para que essa aparência despretensiosa entrasse em colapso – William Dembski não só é criacionista como é cristão (baptista) praticante, o que, face aos seus argumentos vazios e cálculos matemáticos descontextualizados propostos em defesa de uma ideia indefensável, não é de espantar.

A NASA pode conduzir as pesquisas que lhe aprover, os cientistas podem até vir a destrinçar a evolução do código genético a partir da afinidade directa, mas uma coisa é certa: o criacionismo vai sempre existir. A experiencia permite inferi-lo: uma vez que as ciências experimentais não conferiram credibilidade a esta doutrina religiosa (antes pelo contrário), tentaram sem sucesso a matemática. Contudo, apesar do epic fail do criacionismo, o Discovery Institute continua com a sua crise existencial sobre a ciência materialista, digna de uma criança de 8 anos a quem acabaram de dizer que o Pai Natal não existe. A única diferença é que quando se diz a uma criança que o Pai Natal ou o Coelhinho da Páscoa não existem a ‘birra’ normalmente não dura mais que um dia ou 2… neste caso a ‘birra’ já dura há mais de 150 anos.

http://www.talkreason.org/articles/newmath.cfm.

Evolução de Máquinas Moleculares Complexas: TIM das Mitocôndrias

As nossas células, e as células de todos os organismos, são compostas por máquinas moleculares. Estas máquinas são constituídas por componentes, cada um dos quais contribuindo com uma função parcial ou elemento estrutural para a máquina. Como são sofisticadas, o motivo dessas máquinas multi-componentes pelo qual teriam evoluído tem sido algo misterioso, e extremamente controversa.

A pesquisa do Dr. Lithgow mostra que essas máquinas, complexas foram resultado da Evolução. Máquinas de ‘núcleos simples’ foram estabelecidas nos primeiros eucariontes, aproveitando pré-proteínas existentes, que tinham previamente desempenhado funções simples e distintas. Por isso, estas servem de prova que a Teoria da Evolução realmente modelou tudo isso.

A pesquisa centrou-se numa máquina molecular específica, o complexo da TIM, sistema que transporta as proteínas para dentro da mitocôndria. Caso vocês tenham esquecido o Ensino Médio (ou mesmo o as noções de citologia no Ensino Fundamental, as mitocôndrias são as responsáveis pela produção de energia das nossas células. Curiosamente, as mitocôndrias possuem seu próprio DNA, já que há muito, muito tempo, elas eram bactérias que entraram em endossimbiose com as primeiras células eucariotas.

As bactérias não possuem complexos TIM, em contrapartida de suas “primas” mitocôndrias possuem.

O grupo estudou a bactéria Caulobacter crescentus e foram descobertas proteínas bacterianas relacionadas com os componentes do complexo TIM mitocondrial (homologia). Em seguida, os pesquisadores demonstraram que essas proteínas bacterianas não são encontradas como parte das máquinas de transporte de proteínas. Relativamente poucas mutações seriam necessárias para que estas passassem a desempenhar tais funções.

Referências:

The reducible complexity of a mitochondrial

molecular machine

Abigail Clementsa,1, Dejan Bursaca,b,1, Xenia Gatsosb, Andrew J. Perrya, Srgjan Civciristova,b, Nermin Celika,

Vladimir A. Likicc, Sebastian Poggiod, Christine Jacobs-Wagnerd,e, Richard A. Strugnellf, and Trevor Lithgowa,2 - PNAS _ September 15, 2009 _ vol. 106 _ no. 37 _ 15791–15795