Quando surgiram os vertebrados, genes de desenvolvimento passaram a gerar mais variantes de proteínas

Há momentos na evolução em que pequenas alterações ganham um peso desproporcionado. Um novo estudo sugere que, precisamente quando surgiram os primeiros animais com coluna vertebral, alguns genes-chave do desenvolvimento começaram a gerar muito mais variantes de proteínas.

Essa margem extra de “ajuste fino” muda a forma como olhamos para a origem da complexidade: uma alteração genética relativamente pequena pode ter ampliado a capacidade de formar tecidos e órgãos variados em toda a linhagem dos vertebrados.

Em embriões de uma ascídia (um invertebrado simples), de uma lampreia e de uma rã, os mesmos genes de sinalização não se comportaram da mesma maneira.

Ao comparar esses padrões, o professor David Ferrier, da Universidade de St Andrews, concluiu que os vertebrados estavam a produzir muitas mais versões a partir de cada gene.

As lampreias já mostravam esse salto, o que coloca a mudança muito perto da primeira grande separação evolutiva conhecida dos vertebrados.

Com essa datação, um detalhe na forma como as proteínas são produzidas passa a ser uma pista sobre como novos “componentes” do corpo se tornaram possíveis.

Cell messages multiply

Durante o desenvolvimento, as células mantêm-se organizadas através da sinalização intercelular, mensagens que trocam constantemente entre si.

Essas mensagens acabam por se traduzir em proteínas que determinam que genes ficam ativos ou silenciosos dentro de cada célula. Se a forma final da proteína mudar, o mesmo sinal vindo do exterior pode empurrar a célula para um destino diferente.

Isto ajuda a perceber porque é que contar versões adicionais foi mais importante do que uma simples subida no número de cópias de genes.

One gene, many outcomes

As células criam essa diversidade através de splicing alternativo: um único gene pode ser “cortado” de formas diferentes em mensagens de RNA antes de a célula fabricar a proteína.

Cada mensagem, conhecida como transcrito, é uma cópia de RNA usada para construir proteínas e pode gerar versões ligeiramente distintas.

Uma abordagem mais recente de sequenciação permitiu à equipa observar mensagens completas de RNA nestes animais, em vez de inferir a partir de fragmentos.

Isto foi relevante porque muitas variantes escondidas ficam em regiões em falta, onde métodos mais curtos podem misturá-las e apagar diferenças.

Numbers that stand out

Uma família de sinalização tornou o salto particularmente claro: as ascídias tinham um gene com um transcrito, enquanto as rãs tinham quatro genes e nove transcritos.

Estes números foram importantes porque descreviam apenas uma família, e não uma expansão generalizada de todo o genoma.

O padrão destacou-se de imediato porque só um pequeno grupo de genes se comportou de forma diferente de tudo o resto que os investigadores analisaram.

Os resultados transformaram uma contagem aparentemente seca numa possível nova explicação para a complexidade dos vertebrados.

Signal-reading genes stood out

No conjunto restante de genes medidos, os investigadores não observaram uma explosão generalizada de variedade proteica.

Mesmo genes ligados ao desenvolvimento embrionário como um todo mantiveram-se muito mais próximos entre a ascídia, a lampreia e a rã.

Isso torna estes genes “leitores de sinais” invulgares, porque a sua diversidade aumentou mais depressa do que o restante “equipamento” do desenvolvimento.

Em vez de um aumento em todo o genoma, a mudança parece direcionada, reforçando a hipótese de um verdadeiro ponto de viragem.

More than duplicates

Trabalhos anteriores já tinham mostrado que os vertebrados possuíam cópias extra de uma grande família de genes leitores de sinais, mas o número de cópias era apenas parte da história.

O novo estudo acrescenta uma segunda camada: cada cópia também podia originar várias formas distintas de proteína.

Essa combinação deu às células dos vertebrados mais maneiras de interpretar o mesmo estímulo externo e escolher uma resposta.

Assim, os corpos puderam refinar a identidade celular com mais precisão, o que ajuda a explicar o aparecimento de novos tecidos, órgãos e planos corporais.

A sea squirt twist

Um resultado na ascídia também complicou a comparação simples, porque um dos seus genes leitores de sinais não era totalmente fixo.

Os investigadores encontraram um novo segmento de gene junto de elementos transponíveis - pedaços de DNA que se podem mover pelo genoma - capaz de ajudar a criar novos finais de proteínas.

Essa versão extra surgiu apenas mais tarde no desenvolvimento, o que sugere que mesmo parentes invertebrados próximos guardavam alguma flexibilidade “oculta”.

Apesar disso, o padrão dos vertebrados manteve-se muito mais forte, e a tendência principal continuou a destacar-se.

Implications for the medical field

Estes genes estão nos pontos finais de vias importantes que moldam embriões, ajudam a reparar tecidos e falham em doença.

As suas proteínas funcionam como fatores de transcrição, interruptores genéticos dentro das células que respondem após a chegada de um sinal.

Quando esses decisores finais mudam de forma, o mesmo sinal pode sustentar o crescimento normal ou favorecer o avanço do cancro.

Isto ainda não faz destas novas formas de proteína alvos médicos diretos, mas torna-as um tema com potencial para investigação.

Drivers of vertebrate complexity

O passo mais difícil agora é provar o que cada versão faz, de facto, dentro de um embrião vivo.

Algumas podem ativar genes, outras podem desligá-los, e outras ainda podem atuar apenas em determinados tecidos.

“Será entusiasmante determinar como estas várias formas diferentes de proteína funcionam de maneiras distintas”, disse Ferrier.

Responder a isso vai decidir se estas variantes proteicas foram apenas passageiras na história dos vertebrados ou construtoras ativas da complexidade.

Vistos em conjunto - entre embriões e famílias de genes -, os dados apontam para proteínas leitoras de sinais mais flexíveis como motores iniciais da complexidade dos vertebrados.

Mais espécies e experiências diretas irão testar essa ideia, mas o estudo já dá ao surgimento das colunas vertebrais um contorno genético mais nítido.