Por Ann Gauger
É sabido há algum tempo que as bactérias resistem aos antibióticos através de mutações no alvo do antibiótico, muitas vezes a um custo para si mesmos. A mutação do alvo pode levar a uma perda ou redução em alguma função da bactéria, mas como esse custo é mais do que compensado pela sobrevivência da bactéria frente ao antibiótico, a mutação é benéfica para a bactéria. Assim, mesmo que uma mutação cause uma perda de alguma função, essa perda também pode ser benéfica, desde que leve a uma maior taxa de crescimento ou mais sucesso reprodutivo. No caso da bactéria, a mutação é benéfica apenas enquanto o antibiótico estiver por perto.
Esse fenômeno é bem conhecido pelos geneticistas. Eles consideram isso nas telas e seleções que usam para identificar mutações que afetam alguma característica. Desafiar as bactérias com uma infecção por bacteriófagos (fagos), por exemplo. (Aposto que você não sabia que as bactérias têm seus próprios vírus, chamados de bacteriófagos (fago), que as deixam doentes e as matam.) Quaisquer membros da população bacteriana que têm a proteína inativada da superfície da célula estarão imunes ao fago, porque o fago não pode mais se ligar à sua proteína alvo. As bactérias mutantes sobreviventes têm uma mutação de perda de função, na qual a sua proteína da superfície celular é incapacitada, mas também pode ser descrita como uma mutação benéfica, o que também é, no contexto de possibilidade de uma infecção fágica.
Isso não foi esquecido por Behe
Essa observação e padrão não passou despercebida por Michael Behe, professor de bioquímica na Lehigh University e autor de Black Box de Darwin, The Edge of Evolution, e os futuros Darwin Devolves . Em 2010, ele publicou um artigo na revista The Quarterly Review of Biology, “Evolução Experimental, Mutações por Perda de Função e a Primeira Regra da Evolução Adaptativa”. No trabalho, ele resumiu anos de trabalho de geneticistas sobre numerosas bactérias e vírus, e expôs este princípio, a Primeira Regra da Evolução Adaptativa:
Quebrar ou prejudicar qualquer elemento codificado funcional cuja perda renderia um ganho líquido de aptidão.
Ele detalhou estudo após estudo, analisando as mutações benéficas e classificando-as como perda de função, ganho de função ou modificação de função. A maioria provou ser perda de função. O motivo é simples. É muito mais fácil danificar ou destruir uma função existente do que construir uma nova. No exemplo acima, a proteína da superfície celular é uma ponte para o fago infectar a bactéria. As opções disponíveis são desativar ou eliminar a ponte, modificá-la para que não seja mais uma ponte ou criar algo novo que desvia o fago da ponte ou destrói o fago. Construir é muito difícil, até impossível diante de uma ameaça imediata. Modificar também é difícil porque existem maneiras limitadas de modificar a proteína de modo que o fago não se ligue, mas a proteína é preservada. Contudo, Behe estava apontando uma verdade inconveniente: Grande parte da evolução ocorre pela perda de função – contanto que quebrar ou embotar o elemento funcional codificado (perder sua função) realmente ajude o organismo a sobreviver ou se reproduzir melhor. Mas esta é uma estrada de mão única. Muitos tipos de mutação, como exclusões, inserções e rearranjos, podem ser essencialmente irreversíveis, a menos que o elemento funcional codificado ausente possa ser restaurado de outro lugar por algo como a transferência horizontal de genes.
Lang e Desai
Nos anos desde que o artigo foi publicado, muitos casos de mutações benéficas com perda de função vieram à tona. Com a aceleração do sequenciamento do genoma, cada vez mais evidências se acumulam. Em 2014, um artigo de revisão apareceu em um volume especial de Genomics dedicado à evolução experimental. Ele delineou o que poderia ser aprendido com os muitos estudos genômicos até hoje. Gregory Lang e Michael Desai descreveram muitas “mutações adaptativas”, significando mutações que ajudaram o organismo ou célula a crescer mais rapidamente ou a se reproduzir mais. Alguém poderia também chamar essas mutações benéficas, e elas fizeram. Eles notaram isso:
A maioria das experiências de evolução a longo prazo até agora tem sido realizada em populações de bactérias ou leveduras haplóides, onde, na maioria dos ambientes, existem várias mutações de perda de função que proporcionam uma vantagem seletiva. Dado o grande número de possibilidades para estes tipos de mutações, as mutações de perda de função predominam frequentemente os espectros de mutações recuperadas de experimentos de evolução de longo prazo. Alguns desses eventos de perda são neutros, atribuíveis à acumulação de mutação na ausência de seleção por função, como a redução da amplitude catabólica em E. coli [17], [18], [43]. No entanto, muitas mutações de perda de função foram confirmadas como fornecendo uma vantagem seletiva. Por exemplo, a esterilidade na levedura fornece uma vantagem seletiva ao eliminar a expressão gênica desnecessária [41]. A disponibilidade de mutações benéficas de perda de função e o grande número de possibilidades para esses eventos garantem que essas mutações passem a dominar a evolução experimental em escalas de tempo curtas. Em escalas de tempo longas ou em condições especializadas, os espectros mutacionais podem mudar para as mutações de ganho de função. Em populações diploides, também podemos ver uma mudança no espectro de mutação para longe das mutações de perda de função, em direção a mutações dominantes ou predominantes [24], [54]. No entanto, atualmente existem apenas dados limitados descrevendo as mutações que ocorrem durante a evolução experimental em diploides, deixando a natureza exata dessa mudança incerta . [Enfase adicionada.]
Lang e Desai reconhecem claramente que as mutações de perda de função dominam a evolução experimental em bactérias. Eles têm esperança de que em populações diploides as mutações de ganho de função possam se tornar mais comuns, o que seria útil para o progresso evolutivo. No entanto, como eles reconhecem, a natureza exata da mudança, se ocorrer, não é clara.
Nota: O câncer não é um bom modelo para fazer essa pergunta em eucariotos, porque as mutações de ganho de função no câncer não produzem estruturas ou características que levem a algo benéfico para o organismo.
Não só nas bactérias
De fato, temos evidências de que não são apenas as bactérias que podem se beneficiar da redução ou eliminação de um gene se a perda de função resultante aumentar a aptidão. Pode até acontecer apenas porque um produto genético não é mais necessário. Nos casos listados abaixo, os organismos eucarióticos reduzem ou eliminam a expressão genética quando não são necessários ou quando uma vantagem adaptativa é obtida:
- Animais cegos que habitam as cavernas perderam elementos necessários para o desenvolvimento dos olhos.
- As leveduras perdem a capacidade de se reproduzir sexualmente quando cultivadas por muitas gerações usando exclusivamente reprodução assexuada.
- Espécies de formigas sem asas as perderam por meio da inativação gênica.
- Os ursos polares diferem dos ursos pardos devido a mutações de perda de função em vários genes-chave.
- A evolução dos cetáceos parece ter ocorrido, pelo menos em parte, por uma mutação de perda de função em genes-chave.
Tome nota. Evolução por perda de função significa perda por mutação pontual, inserção, deleção ou rearranjo do DNA, e pode ser irreversível. Significa explodir pontes em vez de construí-las, para usar a metáfora convincente de Behe. Essas leveduras não podem mais se reproduzir sexualmente. As baleias não voltam a terra. Os ursos polares podem recuperar a função perdida por meio de cruzamentos e, se tiverem sorte. Talvez essas leveduras pudessem recuperar a reprodução sexual perdida pela transferência horizontal de genes. Talvez. Depende da organização desses genes.
Isso me leva a um estudo muito recente publicado na revista Cell, “Tempo e Modo de Evolução do Genoma no Subfilo de Leveduras em Brotamento”. Vou citar seu resumo na íntegra.
Leveduras de brotamento (subfilo Saccharomycotina) são encontradas em todos os biomas e são tão geneticamente diversas como plantas ou animais. Para entender a evolução da levedura em brotamento, analisamos os genomas de 332 espécies de leveduras, incluindo 220 recém-sequenciados, que representam quase um terço de toda a diversidade de leveduras conhecidas. Aqui, estabelecemos uma filogenia robusta em nível de gênero compreendendo 12 clados principais, inferimos a escala de tempo de diversificação do período devoniano até o presente, quantificamos a transferência horizontal de genes (THG) e reconstruímos a evolução de 45 traços metabólicos e o conjunto de ferramentas metabólicas do ascendente comum da levedura de brotamento (ACLB). Infere-se que o ACLB foi metabolicamente complexo e o registro do ritmo e modo de evolução genômica e fenotípica através do subfilo, que é caracterizado por níveis de THG muito baixos e perdas generalizadas de características e os genes que as controlam. De maneira mais geral, nossos resultados argumentam que a evolução redutiva é um modo importante de diversificação evolucionária .
Em linguagem simples, esses autores sequenciaram os genomas de 332 espécies de leveduras e estabeleceram uma árvore de parentesco com base nessas sequências genômicas. Eles então inferiram quais características metabólicas o ancestral metabolicamente complexo de todas essas espécies deve ter tido. Eles relatam, com base em sua filogenia, que a diversificação subsequente dos diferentes gêneros de leveduras ocorreu por “perdas generalizadas“ de características metabólicas e os genes que as codificam. Houve pouca transferência horizontal de genes. Eles dizem que “a evolução redutiva é um modo importante de diversificação evolucionária”. Nota: leveduras em crescimento são eucariontes que se reproduzem tanto sexualmente quanto assexuadamente. Portanto, a evolução pela perda de função não é apenas uma coisa bacteriana ou viral.
Duas lições
Duas coisas ficam evidentes para mim. Primeiro, o ancestral era complexo, os descendentes mais simples. Em segundo lugar, a perda de informação genética, pelo menos no que diz respeito a cada gênero de levedura, é irreversível. Esta não é a história evolucionária padrão (por isso Behe apresenta uma nova visão “evolutiva” ou, melhor, “des-evolutiva”).
Mas talvez era esperado que fosse a história evolutiva padrão. Aqui está um artigo de 2013, em Bioessays, de Yuri Wolf e Eugene Koonin, chamado “Genome reduction as the dominant mode of evolution” (Redução do genoma como o modo dominante de evolução). Eles listam um número de grupos procariotas e eucarióticos que compartilham essas características: um ancestral complexo e evolução por evolução redutiva.
Behe é vindicado, mas ele não está parado. Ele continuou a trabalhar em suas idéias: os limites da evolução e a perda da função como o principal modo de evolução. Isso leva diretamente ao tema de seu novo livro a ser lançado em fevereiro, que é chamado, de todas as coisas, de Darwin Devolves. Imagine isso.
Original: Bacteriophages, Budding Yeast, and Behe’s Vindication. Ann Gauger. November 26, 2018.
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