A EVOLUÇÃO NEUTRA E A QUASE NEUTRA

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1 A EVOLUÇÃO NEUTRA E A QUASE NEUTRA

2 I INTRODUÇÃO: O que as técnicas de biologia molecular, que começaram a ser desenvolvidas a partir da década de 1950, acrescentaram processo de evolução biológica? De que forma essas novas informações modificaram o pensamento evolutivo?

3 Os estudos de polimorfismo em nível molecular: Surgem a partir dos anos 1950/60, com o advento das técnicas de eletroforese e de sequenciamento de proteínas. Variação alélica

4 A partir dos anos 1980, tais estudos se estendem ao DNA, permitindo, assim: A caracterização da diversidade presente nas populações naturais. Um melhor entendimento sobre os papéis da seleção e da deriva na evolução biológica. Uma maior compreensão sobre o processo evolutivo em nível molecular. Variação alélica ainda maior

5 Exemplo espécies que passaram por gargalos de garrafa ou pela deriva genética normalmente apresentam menores níveis de diversidade genética:

6 Estimativa de heterozigosidade (H) a partir de, no mínimo, 20 locos proteicos ou isoenzimáticos (Avise, 1994): Distribuição de frequência da heterozigosidade (H) média por espécie, derivada de experimentos de eletroforese de proteínas conduzidas em espécies de vertebrados, invertebrados e plantas. Por que, nas décadas de , os cientistas consideravam que esse elevado grau de polimorfismo proteico seria um problema para a teoria evolutiva?

7 Polimorfismo (do grego poli = muitas, morphos = formas) proteico, via eletroforese de proteínas (a partir de 1966): Os estudos começaram a indicar que entre 10 e 20% dos locos analisados em drosófilas e humanos seriam polimórficos. Estendendo tal estimativa para o genoma humano expresso em peptídeos: locos x 0,10 = locos em heterozigose locos x 0,20 = locos em heterozigose. Isso quer dizer que, em uma população, uma quantidade significativa de locos apresentaria mais de um alelo! Mas, quais desafios essa nova perspectiva criou para os teóricos da evolução biológica?

8 Acontece que o modelo evolutivo aceito até final da década de 1960 considerava que: A maioria das variantes alélicas de um loco confeririam menor aptidão e, portanto, seriam prontamente eliminados pela seleção natural. Como a taxa de reposição desses alelos pela mutação seria comumente baixa, as espécies deveriam apresentar níveis baixos de diversidade genética Então, como explicar os resultados desses estudos em nível proteico?

9 Os evolucionistas selecionistas daquele período levantaram as seguintes hipóteses para tentar explicar tal polimorfismo: A seleção natural seria implacável contra a maioria das variantes alélicas recessivas, porém, elas ficariam mascaradas nos heterozigotos. Ou então, a interação entre essas variantes alélicas resultaria em sobredominância, quer dizer, heterozigotos com maior W que os homozigotos levariam à ação da seleção balanceadora. Problema 1 Alelos recessivos que conferem baixa aptidão costumam ser encontrados em frequências muito baixas nas espécies! AABBCCDd AABBCcDd AaBbCCDD AaBBCCDD AABbCCDD AaBBCcDD

10 Problema 2 Se os heterozigotos tivessem maior W que os homozigotos e isso explicasse a diversidade genética: Linhagem 2: Linhagem 1: Se fosse assim, seriam aabbccddee AABBCCDDEE X gerados muitos W = 0,8 homozigotos com baixo W W = 0,8 caso isso se estendesse para muitos locos diferentes. F1: 100% AaBbCcDdEe W = 1,0 F2: Só (2/4)5 = 32/1.024 (3,25%) descendentes serão heterozigotos para todos os 5 locos e terão, portanto, W = 1,0!

11 2 A TEORIA NEUTRALISTA: Qual foi a contribuição do modelo neutralista para a compreensão do processo de evolução biológica? De que maneira esse conhecimento modificou a teoria evolutiva moderna?

12 O sequenciamento de proteínas começou a se tornar comum a partir de 1950/1960: Isso permitiu a comparação de sequências peptídicas de diferentes espécies. Exemplo: Quantidade de aminoácidos diferentes nas α-globinas de globinas de diferentes vertebrados. Observação: A α globina humana possui 141 aminoácidos.

13 Problema 1 para os selecionistas, devido a esse alto grau de divergência observado: Como explicá-globinas de lo, tendo em vista que o modelo evolutivo aceito na época pregava que a maioria das modificações nos genes dentro das espécies resultariam em maior ou menor W e, portanto, seriam alvo da seleção natural purificadora? Ou seja, como uma proteína se modificou tanto entre as espécies se as mutações seriam, na maioria das vezes, nocivas, sendo portanto eliminadas pela seleção natural?

14 Problema 2 para os selecionistas, devido a esse alto grau de divergência observado: E se tal grau de substituição de aminoácidos encontrado na alfa globina fosse extrapolado para todas as proteínas das espécies? Considerando o tempo de divergência no registro fossilífero, seria necessário concluir que uma nova mutação substituindo um dado aminoácido teria tido, em média, dois anos para ser fixada pela seleção natural em cada uma das espécies!

15 A teoria evolutiva moderna revisitada: A Evolução não Darwiniana (King e Jukes, 1969): Mudanças evolucionárias nos níveis morfológico, funcional e comportamental seriam resultantes da seleção natural. Por outro lado, a deriva genética, e não a seleção natural, teria uma participação majoritária na fixação das modificações no DNA que fossem seletivamente neutras.

16 A teoria evolutiva moderna revisitada: Kimura e Ohta (1971): Mutações vantajosas seriam relativamente raras e, mutações deletérias, seriam removidas rapidamente pela seleção natural purificadora. Por outro lado, uma grande quantidade de mudanças nos aminoácidos não teria nenhum efeito no funcionamento das proteínas, não influenciando o W dos indivíduos. Assim, a taxa de mudança nessas moléculas não seria explicada pela seleção natural, mas sim pela deriva genética.

17 Uma das consequências dessa visão neutralista, é que a taxa de modificações nessas sequências em cada espécie seria influenciada apenas pela frequência com que as mutações ocorreriam no DNA: Logo, as mudanças evolutivas ocorreriam a uma taxa constante ao longo do tempo, sendo dependentes apenas da mutação recorrente e da deriva. Fixação Perda Deriva Mutação

18 Porém, conforme os estudos se aprofundavam, observou-se que a situação, do ponto de vista molecular, era bem mais complexa: Comparando uma mesma sequência de DNA entre duas ou mais espécies: Algumas delas apresentavam pouquíssima modificações. Outras apresentavam um grau médio de modificações. E haviam aquelas que acabaram acumulando mais modificações que a média. Ou seja, as mudanças evolutivas ao nível molecular não era homogênea!

19 3 NEUTRALISMO E SELECIONISMO NA ATUALIDADE: Com a visão atual, quais seriam os papéis da seleção natural e da deriva genética na evolução em nível molecular? Esses fatores operariam de maneira exclusiva ou poderiam acontecer simultaneamente?

20 Em 2002, Tomoko Ohta apresentou uma extensão importante à teoria neutralista, conhecida como teoria quase neutra (Bromham e Penny, 2003): Mutações levemente não adaptativas tenderiam a ser eliminadas pela seleção em populações muito grandes. Mas, em populações pequenas, elas poderiam ser fixadas pela deriva genética. Na verdade, em populações pequenas, a fixação de mutações com coeficientes de seleção (s) baixos quer fossem levemente positivos ou negativos (ou seja, quase neutras) estaria vinculada à ação da deriva genética! N x s

21 As mudanças conceituais sobre os papéis das forças direcionadoras do processo evolutivo nas últimas décadas (Bromham e Penny, 2003):

22 A) Teoria selecionista inicial: Todas as mutações afetariam a aptidão e, portanto, ou seriam vantajosas ou nocivas, nunca neutras. Aliás, a grande maioria das mutações seriam nocivas, sendo eliminadas pela seleção natural ou seja, as espécies teriam uma diversidade genética não muito elevada.

23 B) Teoria neutralista original: Para a maioria dos genes codificadores de proteínas, as mutações neutras excederiam as vantajosas. As diferenças nas quantidades de sítios neutros entre diferentes locos influenciariam a sua evolução ou seja, quanto mais sítios neutros, maiores seriam as taxas de mudança evolutiva.

24 C) Teoria quase neutra (atual): Além das mutações deletérias, vantajosas e neutras, existiriam as mutações quase neutras aquelas com efeitos levemente positivos ou negativos na aptidão. O tamanho populacional afetaria a taxa de fixação das mutações quase neutras, levando a um balanço entre a ação da deriva genética e da seleção natural no processo evolutivo.

25 Assim, na concepção atual, o poder de ação da deriva genética e da seleção natural dependeriam do tamanho populacional (N) e do coeficiente de seleção (s): Quando N e s forem altos: o principal motor propulsor das mudanças evolutivas será a seleção natural. Quando N e s fossem baixos: esperar-globinas de se uma maior atuação da deriva genética. Portanto, as modificações acumuladas nos diferentes segmentos do DNA ao longo do tempo dependeriam tanto da ação da seleção natural como da deriva genética!

26 Trocando em miúdos: O alelo a será eliminado pela seleção natural em qualquer população! Ambos os alelos poderão ser fixados ou perdidos apenas pela ação da deriva genética, mas isso acontecerá mais facilmente e rapidamente nas populações pequenas! A seleção natural sempre fixará o alelo B¹ nas populações grandes, mas a deriva genética poderá levar à sua fixação ou perda nas populações pequenas!

27 4 AS TAXAS DE EVOLUÇÃO EM DIFERENTES SEQUÊNCIAS: Como as diferentes sequências de DNA evoluem ao longo do tempo? Quando uma nova mutação pode ser um alvo mais fácil da seleção natural? Que tipo de sequências estarão mais sujeitas à fixação apenas pela ação da deriva genética?

28 Os genomas são estruturas complexas: Estes contém regiões gênicas e não gênicas, sequências únicas e repetitivas, regiões teloméricas e centroméricas, etc. Os genes possuem promotores, reguladores, acentuadores, éxons, íntrons etc. Etc Então, de que forma a seleção natural e a deriva genética atuam sobre as suas diferentes regiões?

29 Embora as taxas de mutação costumem ser constantes, as regiões homólogas do DNA poderão apresentar níveis maiores ou menores de modificações em suas sequências nucleotídicas devido à ação: Fortuita da deriva genética: que atuará livremente nas regiões que não afetem o W dos indivíduos, ou então, quando as mutações não alterarem o funcionamento dos genes e dos seus produtos. Da seleção estabilizadora: nas regiões onde parte significativa das mutações venham a comprometer o W dos indivíduos. Da seleção direcional: nas regiões onde algumas dessas mutações venham aumentar a aptidão dos indivíduos.

30 Assim, as regiões que não interferem na aptidão dos indivíduos deverão acumular muito mais diferenças nas suas sequências nucleotídicas!

31 Por outro lado, sequências reguladoras e/ou codificadoras evoluirão a taxas menos elevadas (ou seja, acumulam menos modificações ao longo do tempo) que as não codificadoras e/ou não reguladoras:

32 Por exemplo, as taxas de divergência evolutiva nas regiões intrônicas é comumente maior que as exônicas. E, regiões não transcritas costumam acumular mais diferenças ao longo do tempo que as transcritas. Exemplificando homologia para o tamanho das unidades de transcrição dos genes da família globina, incluindo as sequências transcritas e não transcritas:

33 E, genes expressos costumam evoluir a taxas mais lentas que os pseudogenes: Quando comparados aos genes originais, os pseudogenes costumam apresentar uma maior quantidade de modificações em suas sequências nucleotídicas. Novamente, isso acontece por conta do relaxamento da ação da seleção purificadora sobre as regiões genômicas que não são essenciais para a aptidão dos indivíduos!

34 As sequências nucleotídicas de genes homólogos parecem divergir a taxas aproximadamente constantes em diferentes espécies, independente do seu tempo de geração, isso porque: As espécies de ciclo de vida curto teriam um maior tamanho populacional e, por conseguinte, um maior número de mutações por geração porém, acumulariam menos mudanças evolutivas devido a ação da deriva genética. As espécies de ciclo de vida longo, por terem um menor tamanho populacional, apresentariam uma menor taxa de mutações por geração mas evoluiriam mais rapidamente pela ação da deriva genética.

35 Mutações silenciosas se acumulam mais rapidamente que as não silenciosas: Relembrando que as mutações silenciosas ou sinônimas são aquelas que alteram os códons, mas não os aminoácidos dos peptídeos, não modificando assim o seu funcionamento. Já, as mutações não silenciosas ou não sinônimas, alteram os códons e os aminoácidos dos peptídeos, o que pode modificar ou mesmo comprometer o seu funcionamento. Mutações que alteram o funcionamento dos peptídeos podem ser alvo da seleção natural purificadora!

36 Exemplo taxa de acúmulo de mutações silenciosas e não silenciosas em diferentes proteínas (Freeman e Harron, 2001): Observe que a quantidade de mutações silenciosas e não silenciosas varia entre os genes expressos! Por quê?

37 Os dados moleculares indicam que genes responsáveis pelas funções celulares mais vitais apresentam baixas taxas de acúmulo de mutações não sinônimas: Tais locos devem sofrer uma maior pressão da seleção estabilizadora!

38 Por outro lado, os locos relacionados com a resistência à doenças costumam apresentar maiores taxas de substituições não silenciosas: Inclusive, em muitos desses locos são encontrados indícios da ação da seleção direcional (seleção positiva) favorecendo as variantes mutantes!

39 Uma evidência de seleção positiva para novas mutações na evolução do homem provém do gene homeótico FOXP2: Este loco se relaciona com a habilidade da fala, incluindo a competência gramatical. Mutações nele podem levar a dificuldades na compreensão e, as anomalias encontradas nas regiões corticais do cérebro associadas a linguagem, indicam que os problemas gerados costumam ir além de modificações no sistema motor. Contudo, são observadas duas mutações não sinônimas na linhagem dos humanos, quando comparado com outros mamíferos.

40 Onde as substituições não sinônimas parecem ser particularmente abundantes?

41 As substituições não sinônimas parecem ser particularmente abundantes: Em genes recentemente duplicados que adquiriram novas funções: num primeiro momento, novas mutações terão baixo risco de piorar o seu funcionamento; e se uma delas conferir uma nova habilidade, mesmo que esta seja precária, não existirão concorrentes mais aptos e esta será alvo da seleção direcional positiva! Em genes envolvidos com a determinação do sexo ou nas interações espécie específicas: se os híbridos têm baixa aptidão, a seleção disruptiva pode favorecer indivíduos produtores de gametas incompatíveis. Em genes relacionados com a resistência à doenças: devido a corrida armamentista entre parasitas e hospedeiros, a seleção direcional favorecerá as novas mutações.

42 Além disso tudo, ao compararmos diferentes espécies notamos que diferentes peptídeos evoluem a taxas diferentes (Freeman e Harron, 2001): Alguns locos (ou regiões dentro destes) estarão mais sujeitos à ação da deriva genética, outros da seleção estabilizadora e outros da seleção direcional!

43 A taxa de evolução pode variar, inclusive, dentro de uma mesma região expressa de um gene, como ocorre com o citocromo C (Pierce, 2004):

44 continuação...

45 E, as taxas de evolução para os diferentes códons não são idênticas, sendo que, alelos com alterações na terceira base do códon são mais comuns que aqueles com mutações na segunda e na primeira: Acontece que, alterações na terceira base nem sempre resultam na troca de aminoácido. Assim, existe uma maior chance destas mutações serem silenciosas.

46 Mas, será que as mutações sinônimas estariam totalmente livres da ação da seleção natural? Por exemplo, se um aminoácido possui 6 códons diferentes, podemos esperar encontrar todos eles numa mesma proporção (1/6 de cada) nos genes, certo?

47 Frequência relativa dos códons encontrados em genes com alta ou baixa taxa de transcrição em três espécies distintas (Sharp et al., 1988): Desvios em relação ao valor 1 indicam um viés na frequência de utilização de um dos códons nos locos para as diferentes proteínas estudadas.

48 O motivo da maior discrepância na frequência dos códons sinônimos nos locos das proteínas mais requisitadas é que a frequência de trnas para os diferentes códons sinônimos não é a mesma: Para proteínas pouco requisitadas isso não é um problema mas, para aquelas muito expressas, ter o códon mais comum significa uma maior velocidade de síntese.

49 RESUMINDO:

50 Mutações silenciosas e a evolução em nível molecular para locos expressos: Mutações silenciosas costumam ser encontradas em maior quantidade que as não silenciosas, quando comparamos um mesmo loco em espécies diferentes. Por não alterarem as sequências peptídicas, estas costumam, de um modo geral, ser alvo apenas da deriva genética, podendo, na grande maioria das vezes, ser fixadas ou perdidas por puro acaso.

51 Mutações não silenciosas e a evolução em nível molecular para locos expressos: Para muitos locos, a troca de aminoácidos pode se mostrar altamente prejudicial, então a seleção estabilizadora tratará de eliminar a grande maioria dessas mutações (Ex: histonas). Por outro lado, para determinados locos, estas poderão ser favorecidas pela seleção direcional positiva (Ex: imunoglobulinas). E, se tais mutações não alterarem significativamente a aptidão, estas também poderão ser perdidas ou fixadas pela deriva genética.

52 5 O RELÓGIO MOLECULAR: Será que as diferenças acumuladas em termos de nucleotídeos ou mesmo aminoácidos em sequências homólogas de linhagens diferentes poderiam ser usadas para se estimar o tempo de divergência entre elas? Quais seriam as limitações disso?

53 Zuckerkandl e Pauling (década de 1960): Encontraram uma correlação entre a quantidade de mudanças na sequência de aminoácidos da hemoglobina dos vertebrados com o grau de relacionamento filogenético entre eles. Esses dados indicavam que a taxa de mudanças nas sequências de aminoácidos teria sido constante ao longo do tempo.

54 Se as mutações para um determinado gene ocorressem a taxas constantes, tais informações poderiam ser calibradas com os dados fornecidos pelo registro fossilífero, podendo funcionar como um relógio molecular: Assim, essa técnica poderia indicar o tempo de divergência de outros grupos filogeneticamente relacionados, inclusive aqueles em que não houvessem evidências no registro fossilífero sobre o período em que ocorreu o evento cladogênico.????

55 Exemplo de como o relógio molecular mudou a forma de enxergarmos a nossa própria evolução:

56 Filogenia dos primatas segundo o antropólogo e anatomista escocês Arthur Keith (1927): A separação da nossa linhagem evolutiva da dos outros antropoides teria acontecido há muitos milhões de anos atrás! 5-23,5 ma 23,5 35 ma

57 Sarich & Wilson (1967): A filogenia obtida, baseada na sequência de aminoácidos da proteína albumina sérica, indicava que a separação das linhagens evolutivas de gorilas, humanos e chimpanzés havia ocorrido há apenas ~5 milhões de anos.

58 Horai & cols. (1992): A comparação entre sequências de DNA mitocondrial, também indicou uma separação não tão antiga. Por exemplo, a separação entre humanos e gorilas teria ocorrido por volta de 7,7 +/-globinas de 0,7 ma atrás e, entre humanos e chimpanzés, há 4,7 +/-globinas de 0,5 ma.

59 Filogenia atualmente aceita para a Família Hominidae: Tantos os fósseis recentes como as análises moleculares indicam que o último ancestral comum dos humanos e nosso parente vivo mais próximo, o chimpanzé, surgiu, na África, entre seis e oito milhões de anos atrás. Mas, que tipos de críticas existem em relação ao uso sem critérios do relógio molecular?

60 O uso de proteínas ou de sequências de DNA diferentes podem resultar em diferentes conclusões quanto às taxas de evolução de grupos filogeneticamente distintos: Proteínas diferentes e segmentos diferentes de DNA podem evoluir a taxas diferentes. Isso pode fazer com que o evento cladogênico entre duas ou mais espécies seja interpretado como tendo ocorrido mais recentemente ou menos recentemente do que o real!

61 Ademais, o fato de uma sequência estar presente em apenas um dos grupos estudados nem sempre é suficiente para se inferir que esta tenha evoluído depois da ocorrência do evento cladogênico: No exemplo ao lado, a nova mutação (azul), que foi fixada na espécie B, ocorreu muito antes da separação dos dois grupos. Assim, filogenias baseadas numa única sequência de DNA têm maiores chances de incorrerem em erros nas estimativas temporais. Nesse caso, essa análise nos contaria quando a mutação surgiu, e não quando as espécies se separaram!

62 Outras críticas ao relógio molecular: Também já foram detectadas diferenças nas taxas de evolução das mutações sinônimas e não sinônimas, o que pode variar tanto dentro como entre proteínas, bem como entre espécies. As taxas de evolução molecular podem se correlacionar com o tempo de geração (ao invés do tempo cronológico), com as taxas metabólicas e com a eficiência nos mecanismos de reparo do DNA etc. Não é possível detectar possíveis reversões (como por exemplo, uma mutações do tipo Leucina Treonina Leucina, ou então, GTC GCC GTC). Etc. Assim, as formas de se contornar alguns desses problemas é analisar várias sequências de DNA e optar por estudar as regiões não codificantes (geralmente de efeito neutro nos fenótipos)!

63 CONCLUSÕES: O tamanho populacional e o coeficiente de seleção são dois componentes importantes para se definir os papéis da seleção natural e da deriva genética na evolução em nível molecular. As taxas de evolução das sequências de DNA variam bastante entre as espécies, podendo ser encontrados: Segmentos bastante conservados, graças a ação preponderante da seleção balanceadora. Trechos que sofreram pressões seletivas positivas para a fixação de novas mutações. Regiões que acumularam muitas mudanças devido a ação da deriva genética.

64 Bibliografia: FREEMAN S, HERRON JC (2001). Evolutionary Analysis. 2ª Ed. Upper Saddle River. Prentice Hall. 704p. FUTUYMA DJ (1992). Biologia evolutiva. Ribeirão Preto. SBG/CNPq. 646p. GRIFFITHS AJF, MILLER JH, SUZUKI DT, LEWONTIN RC GELBART WM (2002). Introdução à genética. Rio de Janeiro. Guanabara-globinas de Koogan. 794p. GIBBS, WW. O genoma oculto. Scientific American Brasil, dezembro de MATTICK JS. Páginas ocultas no livro da vida. Scientific American Brasil, novembro de MATIOLI SR (2001). Biologia Molecular e Evolução. Ribeirão Preto. Holos Editora. RIDLEY M (1996). Evolution. 2ª ed. Cambridge. Blackwell Science. 719p. ZHANG J (2003). Evolution by gene duplication: an update. Trends in Ecology and Evolution, 18(6): 292-globinas de 298.