Evolução de proteínas III: o papel da duplicação e da evolução neutra

Ultimamente têm sido conduzidos trabalhos de investigação sobre a origem da complexidade e função proteica.

Em 2011 foi publicado um artigo na revista Nature sobre a evolução das estruturas da ATPase de células de fungos. Um dos líderes da investigação é Joseph W. Thornton, da Universidade de Oregon (autor de um óptimo artigo sobre o qual já falei aqui no blog, também sobre evolução de proteínas – Evolução de proteínas II). Nos fungos (Agaricus bisporus), as células têm que mover os átomos de um lugar para outro. Uma das maneiras de fazer isso é com bombas moleculares, os complexos ATPase vacuolar. Um anel de proteínas lança átomos de um lado de uma membrana no fungo para o outro. Este anel é claramente uma estrutura complexa. Ele contém seis moléculas de proteína: Quatro das moléculas consistem da proteína Vma3, quinto é a Vma11 e o sexto a Vma16. Todos os três tipos de proteínas são essenciais para o anel de girar.

Para saber como essa estrutura complexa evoluiu, os cientistas compararam as proteínas relacionadas noutros organismos, como animais (fungos e animais compartilham um ancestral comum que viveu há cerca de um bilião de anos).

Nos animais, os complexos de ATPase vacuolar também têm anéis feitos de seis proteínas. Mas esses anéis são diferentes dos anéis dos animais: em vez de ter os três tipos de proteínas nos seus anéis, têm apenas duas. Cada anel da proteína animal é constituído por cinco cópias de Vma3 e uma de Vma16. Os fungos são mais complexos do que os animais, pelo menos quando se trata de seus complexos ATPase vacuolar.

Os investigadores olharam atentamente para os genes codificantes responsáveis pelas proteínas do anel. A Vma11, a proteína exclusiva dos fungos, acaba por ser um parente próximo da Vma3 em animais e fungos. Os genes para Vma3 e Vma11 devem, portanto, compartilhar um ancestral comum. A equipe de Thornton concluiu que no início da evolução dos fungos, um gene ancestral das proteínas do anel foi acidentalmente duplicado. Dessas duas cópias, uma evoluiu para Vma3 e outra para Vma11.

Ao comparar as diferenças entre os genes para Vma3 e Vma11, os cientistas reconstituíram o gene ancestral do qual ambas as proteínas (Vma3 e Vma11) evoluíram. Depois usaram a sequência de DNA em causa para criar uma proteína, reconstituindo uma proteína de 800 milhões de anos de idade. Thornton e a sua equipa chamaram a esta proteína Anc.3-11. Então, os cientistas quiseram saber como o anel de proteína funcionava com esta proteína. Para descobrir, inseriram o gene para a Anc.3-11 no DNA duma levedura. Eles também “desligaram” os seus genes descendentes (Vma3 e Vma11), o que numa situação normal seria letal. No entanto foi descoberto que as leveduras poderiam sobreviver com Anc.3-11 a substituí-los, com anéis totalmente funcionais.

Então: os fungos começaram com anéis feitos de apenas duas proteínas - as mesmas encontradas nos animais (como nós, humanos). As proteínas eram versáteis, capazes de se ligar a si ou aos seus parceiros, juntando-se a proteínas ou à sua direita ou à sua esquerda. Mais tarde, o gene para a Anc.3-11 foi duplicado, originando-se a Vma3 e a Vma11. Estas novas proteínas continuaram a fazer o que as antigas faziam. Mas ao longo de milhões de gerações de fungos, começaram a sofrer mutações. Algumas dessas mutações reduziram a sua versatilidade. A Vma11, perdeu a capacidade de se ligar a Vma3 do seu lado dos ponteiros do relógio. A Vma3 perdeu a capacidade de se ligar à Vma16 do seu lado dos ponteiros do relógio. Estas mutações não mataram o fungo, porque as proteínas ainda poderiam unir num anel, sendo consideradas mutações neutras. Mas agora o anel só se pode formar com êxito, apenas se todas as três proteínas estiverem presentes.

Resumindo: com o tempo, evoluíram mais partes e, em seguida, as partes adicionais começaram a divergir uma da outra. Os fungos acabaram com uma estrutura mais complexa do que a dos seus antepassados.

Outro exemplo de evolução neutra construtiva é a edição de RNA. Um cenário proposto é o seguinte: uma enzima sofre mutações, podendo mudar certos nucleótidos do RNA. Esta enzima não prejudica a célula, nem a ajuda, pelo menos não no início, persistindo. Mais tarde ocorre uma mutação prejudicial num gene. Felizmente, a célula já tem a enzima de ligação ao RNA, o que pode compensar essa mutação editando o RNA. Ele protege a célula dos danos da mutação, permitindo a esta passar para a próxima geração e disseminar-se pela população. A evolução desta enzima de edição de RNA e a mutação que se fixou nada teve a ver com a selecção natural e uma vez que se apoderou da população, já não se puderam livrar dela.

Referências:

- http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=the-surprising-origins-of-evolutionary-complexity

- http://pages.uoregon.edu/joet/PDF/finnigan-thornton_nature2012.pdf

Einstein não era religioso

Albert Einstein era panteísta, ou talvez pandeísta (*).
Não acreditava num deus pessoal, como o deus judaico-cristão. No entanto, foi criado o mito de que Einstein era religioso, sobretudo devido a esta sua frase: "Deus não joga dados com o Universo".

Uma carta escrita por Albert Einstein em 1954, foi vendida a um comprador desconhecido on-line por 3,000,100.00 dólares americanos. Nesta, a chamada "Carta de Deus" (“The God Letter”), Einstein abordou temas como a religião, o tribalismo – e a sua descrença no deus bíblico.

Este documento histórico é particularmente importante porque vem esclarecer o significado da frase supra-citada. Os historiadores suspeitam que ele usou o termo como uma espécie de metáfora para coisas como as leis da física, ou mesmo a totalidade do próprio cosmos.

O excerto que fala sobre a sua posição relativamente á religião (especialmente ao judaísmo) é o seguinte:

* Nota: Pandeismo é uma doutrina teológica, que combina aspectos do panteísmo e deísmo: o criador do universo, na verdade, tornou-se o universo, e por isso deixou de existir como uma entidade separada e consciente.

Site consultado:

http://io9.com/5954119/einsteins-i-dont-believe-in-god-letter-has-sold-on-ebay--and-youre-not-going-to-believe-the-price

P.S.: Lembrem-se disto quando resolverem vir com a conversa do “Cientista X era religioso”.  

Alergias evolutivas

As alergias incomodam muita gente. Incluindo eu própria. Incomodam até mais do que o criacionismo. No entanto investigadores têm tentado descobrir uma possível vantagem evolutiva para as reacções alérgicas. Relembrando as minhas aulas de imunologia, uma hipótese foi proposta com base no envolvimento das IgE (sistema imunitário adaptativo) tanto na defesa contra parasitas intestinais, como na reacção alérgica, a qual afirma que as IgE evoluíram para nos proteger dos parasitas e as alergias eram um efeito colateral dessa evolução. Mas há mais: num um artigo publicado em Abril de 2012 na revista Nature, Medzhitov e os seus colegas argumentam que as alergias surgiram para nos proteger de substâncias potencialmente tóxicas no meio ambiente ou em alimentos. Por outras palavras, não são apenas uma desorientação do sistema imune. O investigador explica: "Como é que alguém se defende contra algo que inala que não quer? Faz muco. Faz o nariz escorrer, espirra, tosse. Ou se é na pele, induz a sensação de comichão, para ser removido, arranhando". Da mesma forma, se ingerir algo prejudicial, o corpo pode reagir com vómitos.

Entre as evidências Medzhitov cita um estudo de 2006 publicado na revista Science, que relatou que as células-chave envolvidas em respostas alérgicas degradam e desintoxicam o veneno de cobra e de abelha. E um estudo de 2010 publicadono Journal of Clinical Investigation sugere que reacções alérgicas às secreções da carraça evitam as pragas de fixação e alimentação.

Esta pode coexistir sem problemas com a ressuscitada hipótese higiénica, que sugere que as pessoas que se deparam com uma série de bactérias e vírus no início da vida investem mais recursos do sistema imunológico em respostas do tipo I.

Para quem é alérgico, isto são boas notícias: nem tudo é mau nas alergias e não somos assim tão disfuncionais.  

Mas como evoluíram as moléculas do sistema imunitário adaptativo? O sistema imunitário adaptativo, em mamíferos, que está centrado nos linfócitos receptores de antigénios que são gerados por recombinação somática, surgiu há aproximadamente

500 milhões de anos em peixes da família Opistognathidae. Acredita-se que tenham contribuído para a génese do sistema imunitário adaptativo: o surgimento do gene (transposão) de activação da recombinação (RAG), e duas fases de duplicação do genoma inteiro, numa época próxima da altura da origem dos vertebrados. Foi recentemente descoberto que algo semelhante, incluindo duas linhagens de células linfóides, surgiu em peixes sem mandíbula por evolução convergente.

Em termos de pressões selectivas, uma hipótese que enfatiza a importância do intestino sugere que, com o advento das maxilas, material digerido poderia ferir o intestino e, portanto, resultar em infecções maciças. O sistema imunitário surgiu então como sistema de defesa e tornou-se mais importante e mais sofisticado, com o surgimento de predadores vertebrados maiores com mandíbula que tinham poucos descendentes.

Refs.:

- http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=allergies-sneezing-may-be-good-for-you

- http://theory.bio.uu.nl/immbio/pdf/Flajnik_Kasahara_2010.pdf

Evolução? Os fósseis dizem sim!

Existem várias linhas de evidência da embriologia, da genética molecular – por exemplo, os pseudogenes (com as mesmas mutações) e retrovírus endógenos; tudo o que é vestigial e mal adaptado a uma mudança recente, tal como cobras com membros atrofiados e cavalos com dedos de lado atrofiados (vestigiais), o facto de nós sermos mal adaptados ao bipedalismo (as dores nas costas, por exemplo) – tudo isto (e ainda mais) faz com que a evolução seja a hipótese que mais se adequa ao que é observado e, por conseguinte, praticamente um consenso entre os cientistas. Há ainda uma linha de evidências muito importante, que é o registo fóssil. 

Pois é, os criacionistas ficam a perder outra vez. Os fosseis são uma chatice para os cristãos, não são? Mas vamos ao que interessa: a teoria da evolução faz bastantes previsões e uma delas, relativamente aos fósseis, é que estes deviam aparecer numa progressão temporal, numa hierarquia de linhagens e que seria possível relacionar animais modernos a outros mais antigos e diferentes. Existem 2 modelos diferentes para o aparecimento de novas espécies, mas que não são mutuamente exclusivos e ambos prevêem que, pelo menos algumas (poucas) transições de espécie para espécie devem aparecer. Estes modelos são o equilíbrio pontuado e o gradualismo.

Quanto ás previsões do criacionismo, os criacionistas normalmente não afirmam quaisquer previsões (pode haver alguma excepção). No entanto, cientistas já indicaram algumas e é basicamente o contrário do que prevê a teoria da evolução, sendo de salientar a previsão de que não deve haver fósseis de transição entre tipos básicos criados por deus, pois isso é muito subjectivo: tipo básico varia entre espécie e classe. Mas podemos dar o benefício da dúvida e considerar classe ou ordem (os mais elevados). Se considerarmos a classe vem logo á memória um dos exemplos mais conhecidos, que é o género Archaeopteryx que demonstra a transição de répteis para aves – um dos muitos que demonstram essa transição.

É claro que as previsões da teoria da evolução se verificaram e as do criacionismo falharam. Vamos ver como:

http://www.talkorigins.org/faqs/faq-transitional.html (vai ter a um índice do “Talkorigins” da secção de fósseis de transição; não me apeteceu estar a enumerar fósseis de transição, e visto que já há uma enorme lista feita, deixo apenas o endereço). 

P.S. - Para os criacionistas que aqui aparecerem: não vale apena choramingar no molhado.

Criacionistas psicopatas no blog “Darwinismo”

Hoje vi uma coisa num blog criacionista (“Darwinismo”) na caixa de comentários, que me deixou espantada: o criacionista Azetech deixou o seguinte comentário:

«Carlos Natário

– 3 Referências bibliográficas são meta-referências não isentas , isto é, apontam para paginas online de fundamentalistas Bíblicos em que este Blog se apoia e suporta. (…) Proponho-me focar exclusivamente no que vem escrito nas duas únicas referências jornalísticas (Beatrice Daily Sun e The Tribune) devido à sua maior capacidade de isenção e não esquecendo obviamente neste texto(…)

Devo presumir que, segundo a tua cosmovisão, fontes pelo qual apoiam o darwinismo e evolucionismo são automaticamente considerados Isentos e científicos, correto?

Porém, em contrapartida, ainda segundo tua cosmovisão, fontes pelo qual questionam o darwinismo e evolucionismo, são “meta-referências” não isentas, propagada por fundamentalistas fanáticos, terroristas, inimigos da razão, da ciência e da humanidade, pertencentes a maléfica religião cristã, pelo qual precisam se extirpadas juntamente com os religiosos (queimando Bíblias, destruindo templos e fuzilando em um paredão quem não negar a Cristo)

Não seria isso fanatismo de tua parte somado com um desejo ditador de imputar suas crenças forçadamente a todos?
Não seria isso fruto de sua revolta intrínseca e ódio contra Deus, Cristo e quem o servem? (sic)»

A partir do pequeno parágrafo escrito pelo Carlos Natário, o Azetech inventou uma série de coisas que não se podiam depreender pelo comentário do Carlos.

“(…) pertencentes a maléfica religião cristã, pelo qual precisam se extirpadas juntamente com os religiosos (queimando Bíblias, destruindo templos e fuzilando em um paredão quem não negar a Cristo) (sic)”? De onde é que este psicopata foi tirar isto? Acho que já descobri a doença mental do Azetech: paranóia. Ele tem a mania da perseguição relativamente a ele próprio e aos cristãos de um modo geral. Este indivíduo devia pensar em tratar-se. Acho que neste momento é uma pessoa com a qual é quase impossível a convivência e isso deve ser difícil para ele também. Procurar um especialista iria ajudar, mas não me parece que ele se aperceba da sua condição de doente mental. É triste, muito triste. Mas por outro lado ver o psicopata a dizer disparates dá vontade de rir. Estou entre a condescendência e a vontade de rir. Não sei o que hei-de fazer.

Vejam por vocês mesmos, seguindo este link: http://darwinismo.wordpress.com/2013/08/06/fossil-de-baleia-coloca-em-causa-os-imaginarios-milhoes-de-anos/#comment-21628

Evolução? Os genes dizem sim! (parte II)

Tal como anteriormente foi exemplificado através das evidências da evolução de baleias, podemos exemplificar mais evidências da evolução proveniente da genética molecular da nossa própria espécie (não somos nenhuma excepção).

O sentido do olfacto é possibilitado por um conjunto de proteínas, os receptores olfactivos, encontrada na superfície de células que revestem a cavidade nasal. Compostos que andam pelo ar ligam-se a estes receptores, enviando assim os sinais para o cérebro, que interpreta o padrão de ligação de um determinado odor.

Consideremos 15 pseudogenes presentes nos seres humanos, mas não em chimpanzés. De acordo com a hipótese da ancestralidade comum, estes 15 pseudogenes têm surgido desde que os humanos e os chimpanzés tiveram um ancestral comum (há cerca de 6 milhões de anos atrás). Se isso for assim, poderiamos prever que nenhum dos 15 pseudogenes estará presente em primatas teriam divergido ainda mais cedo. Isto é exactamente o que encontramos ao examinar os genomas do gorila e do orangotango.

Seis pseudogenes com mutações de inactivação idênticas são encontrados em todas as quatro espécies. Humanos e chimpanzés compartilham doze pseudogenes idênticos em comum, mas os seres humanos e os gorilas compartilham apenas nove. Estes nove, como previsto, são um subconjunto dos 12 pseudogenes partilhados por humanos e chimpanzés. É de lembrar que muitos, muitos mais foram analisados e dão resultados paralelos.

Os dados de pseudogenes também pode ser estendido para muito mais espécies distantemente relacionadas. Todos os mamíferos, por exemplo, seriam os descendentes evolutivos de antepassados que punham ovos. A previsão da evolução, de que os mamíferos são descendentes desses antepassados, ​​já foi testada, procurando os restos de um gene inactivado, responsável pela produção de gema de ovo no genoma humano. Este gene, o chamado gene da vitelogenina, é utilizado como um componente de gema de ovo numa ampla gama de espécies que põem ovos. Um grupo de investigadores levantou a seguinte questão: seria possível encontrar os restos mortais do gene da vitelogenina no genoma humano? E foi possível encontrar esses vestígios no nosso genoma.

Genes intimamente ligados, podem ficar juntos por muito, muito tempo. Usando essa noção, os investigadores: localizaram o gene da vitelogenina (funcional) no genoma de galinha, verificaram qual era o gene "do lado" do gene da vitelogenina na galinha, confirmaram que este gene vizinho estava presente no genoma humano e no mesmo local em relação ao gene vizinho no genoma humano descobriram os restos mutantes do gene da vitelogenina no genoma humano, precisamente neste local.

A hipótese da ancestralidade comum é uma boa explicação para o padrão de pseudogenes que observamos, bem como para o todo do padrão de semelhanças e diferenças que observamos.

Referências:

- Brawand, D., Wali, W. and Kaessmann H. 2006. Loss of Egg Yolk Genes in Mammals and the Origin of Lactation and Placentation. PLoS Biology 6: 0507-0517. (http://www.plosbiology.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pbio.0060063)

- Gilad, YG., Man, O., Paabo, S., and Lancet, D. 2003. Human specific loss of olfactory receptor genes. Proc. Natl. Acad. Sci. 100: 3324-3327. (http://www.pnas.org/content/100/6/3324.long)

- Zhang, ZD, Cayting, P., Weinstock, G. and Gerstein, M. 2008. Analysis of of nuclear receptor pseudogenes in vertebrates: how the silent tell their stories. Mol. Biol. Evol. 25: 131-143. (http://mbe.oxfordjournals.org/content/25/1/131.full)

P.S. Este texto foi escrito ao som desta música:

E quando passava esta parte: «I feel nothing when you cry/

I hear nothing, see no need to reply/ I can smile now and turn away», eu só conseguia pensar que era assim que eu me sentia em relação aos criacionistas, especialmente o primeiro verso: «I feel nothing when you cry». Agora chorem de vergonha (ou de raiva, se preferirem), que eu não tenho pena de vocês!

Evolução? Os genes dizem sim!

Quando pensamos na evolução das baleias, pensamos que o facto de as baleias serem mamíferos (as evidências preliminares) indica-nos que devemos encontrar mais evidências de que as baleias descendem de animais terrestres quadrúpedes. E essas evidências foram encontradas no genoma das próprias baleias e no seu desenvolvimento. Durante o mesmo, é observado o desenvolvimento de membros posteriores e de pêlos que depois são perdidos, á semelhança do que ocorre nos seres humanos, que evoluíram para terem menos pêlo do que os seus ancestrais.

E o que nos dizem os genes? Os genes contam-nos a mesma história que as observações durante o desenvolvimento.

Alguns dos genes conhecidos por serem utilizados em todos os mamíferos, para a formação de dentes eram os candidatos do costume: os produtos dos genes da ameloblastina, amelogenina e da enamelina são todos utilizados na formação do esmalte dos dentes, a estrutura mais dura do esqueleto dos vertebrados. Cientistas foram procurar esses genes em várias espécies de baleias sem dentes. Os resultados mostraram que todas as espécies estudadas tinham efectivamente estes três genes presentes como pseudogenes. Encontrar esses genes como pseudogenes em baleias sem dentes era exactamente o que a evolução previra, mas havia um problema: nenhumas das mutações que removeram as funções destes três genes foram compartilhadas entre as diferentes espécies, sugerindo que estes genes perderam a sua função de forma independente nas espécies estudadas. Este achado estava em desacordo com os dados do registo fóssil, o qual sugeria que os dentes foram perdidos apenas uma vez, e no início da linhagem que conduz a todas as baleias sem dentes modernos. Assim, os investigadores pareciam ter duas linhas de evidência que se contrariavam uma á outra. O registro fóssil sugere que a perda dos dentes ocorreu uma vez no ancestral comum de todas as baleias sem dentes, mas esses três genes parecem ter sido inactivados independentemente, várias vezes, o que sugere que a perda de dentes deveria acontecer mais tarde na evolução.

Uma explicação proposta para a aparente discrepância (entre várias propostas) era de prever que um quarto gene necessário para a formação do esmalte foi perdido no início da evolução dessas baleias. A perda de qualquer gene necessário para a formação do esmalte seria suficiente para impedir o processo como um todo. Neste caso, a perda deste quarto gene impediria a formação de esmalte dos dentes, embora as sequências genéticas dos outros três genes de esmalte ainda estaria intacto. Uma vez que a função esmalte estava perdido, mutações aleatórias nos genes do esmalte restantes poderia, então, acumular-se mais tarde na evolução depois da especiação neste grupo já estar em andamento. Para testar esta hipótese, o grupo de investigadores foi à caça de outros genes do esmalte em baleias sem dentes. E encontraram: um quarto gene, necessário para a produção de esmalte, e transformado com a mesma mutação em todas as baleias sem dentes modernos. O gene em causa foi destruído quando um elemento genético móvel (transposão SINE) se inseriu neste, dividindo-o em dois, tendo destruído a sua função.

O fato de que o mesmo a mesma mutação de inserção num local idêntico é encontrado em todas as espécies sem dentes modernas indica que esta mutação aconteceu uma vez num ancestral comum e, em seguida, foi herdada por todo o grupo.

E que mais nos dizem os genes das baleias? As baleias também têm um pseudogene para o factor XII da cascata de coagulação sanguínea, isto é uma versão do gene presente nos mamíferos terrestres. Isso está de acordo com o previsto pela evolução e demonstra que as baleias possuem um ancestral comum com outros mamíferos.

Referências:

- Semba U, Shibuya Y, Okabe H, Yamamoto T (1998) Whale Hageman factor (factor XII): prevented production due to pseudogene conversion. Thromb. Res. 90: 31– 37. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9678675)

- Meredith, R.W., Gatesy, J., Cjeng, J., and Springer, M.S. (2011). Pseudogenization of the tooth gene enamelysin (MMP20) in the common ancestor of extant baleen whales. Proceedings of the Royal Society B: 278 (1708); 993 – 1002. (http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/early/2010/09/16/rspb.2010.1280.full.pdf)