A passagem dos animais sem coluna para os vertebrados não foi só uma questão de “ganhar ossos”. Um novo trabalho sugere que, precisamente nessa altura, genes-chave do desenvolvimento começaram a gerar muito mais variantes de proteínas.
Essa margem extra de manobra ajuda a repensar como uma mudança genética pequena pode abrir caminho a tecidos e órgãos mais complexos ao longo da evolução 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 forma.
Ao comparar esses padrões, o professor David Ferrier, da University of St Andrews, concluiu que os vertebrados produziam muito mais versões a partir de cada gene.
As lampreias já exibiam esse salto, o que coloca a mudança muito perto da primeira grande separação evolutiva conhecida dos vertebrados.
Esse momento transforma um detalhe aparentemente técnico da produção de proteínas numa pista sobre como novas partes do corpo se tornaram possíveis.
Cell messages multiply
Durante o desenvolvimento, as células mantêm-se organizadas graças à sinalização intercelular - mensagens que trocam constantemente entre si.
Essas mensagens acabam por convergir em proteínas que decidem que genes se ligam ou permanecem silenciosos dentro de cada célula. Se a forma final da proteína mudar, o mesmo sinal externo pode empurrar a célula para um destino diferente.
Isto ajuda a perceber por que razão as versões extra pesaram mais do que um simples aumento do número de cópias de genes.
One gene, many outcomes
As células criam essa variedade através de splicing alternativo: um único gene pode ser “cortado” de maneiras diferentes em mensagens de RNA antes de a célula produzir a proteína.
Cada mensagem, chamada transcrito, é uma cópia em RNA usada para fabricar proteínas e pode originar 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 importante porque muitas variantes escondidas estão em partes em falta, onde métodos mais curtos podem misturá-las e torná-las indistintas.
Numbers that stand out
Uma família de sinalização tornou o salto claro: as ascídias tinham um gene com um transcrito, enquanto as rãs tinham quatro genes e nove transcritos.
Estes números eram relevantes porque descreviam apenas uma família, não uma expansão generalizada em 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 seca numa possível nova explicação para a complexidade dos vertebrados.
Signal-reading genes stood out
No restante conjunto de genes medidos, os investigadores não observaram uma explosão generalizada da variedade de proteínas.
Até genes ligados ao desenvolvimento embrionário no seu todo se mantiveram muito mais próximos entre a ascídia, a lampreia e a rã.
Isso torna estes genes “leitores de sinal” invulgares, porque a sua diversidade aumentou mais depressa do que o resto da maquinaria do desenvolvimento.
Em vez de um inchaço em todo o genoma, a mudança parece direcionada, o que reforça a ideia de um verdadeiro ponto de viragem.
More than duplicates
Trabalhos anteriores já mostravam que os vertebrados tinham cópias extra de uma grande família de genes leitores de sinal, mas o número de cópias era apenas parte da história.
O novo estudo acrescenta uma segunda camada: cada cópia podia também dar origem a várias formas distintas de proteína.
Essa combinação deu às células dos vertebrados mais maneiras de “ler” o mesmo sinal externo e escolher uma resposta.
Assim, os corpos puderam afinar 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 nas ascídias também complicou o contraste simples, porque um dos seus genes leitores de sinal não estava totalmente fixo.
Os investigadores encontraram um novo segmento de gene perto de elementos transponíveis - pedaços de DNA que se podem mover dentro dos genomas - que pode ajudar a criar finais novos para as proteínas.
Essa versão extra só aparecia mais tarde no desenvolvimento, o que sugere que mesmo parentes invertebrados próximos guardavam alguma flexibilidade escondida.
Ainda assim, o padrão nos vertebrados manteve-se muito mais forte, e a tendência principal continuou a destacar-se.
Implications for the medical field
Estes genes estão nas etapas finais de grandes vias que moldam embriões, reparam tecidos e falham em doença.
As suas proteínas funcionam como fatores de transcrição - interruptores de genes dentro das células que respondem depois de um sinal chegar.
Quando esses decisores finais mudam de forma, o mesmo sinal pode sustentar crescimento normal ou ajudar o cancro a instalar-se.
Isso não torna estas novas formas de proteína em alvos médicos imediatos, mas torna-as uma linha de investigação que vale a pena seguir.
Drivers of vertebrate complexity
A parte mais difícil agora é provar o que cada versão faz, de facto, dentro de um embrião vivo.
Algumas podem ligar genes, outras podem desligá-los, e outras ainda podem funcionar apenas em certos tecidos.
“It will be exciting to determine how these various different protein forms work in distinct ways,” said Ferrier.
Responder a isso vai decidir se estas variantes de proteína foram meras passageiras na história dos vertebrados ou construtoras ativas da complexidade.
Visto ao longo de embriões e famílias de genes, a evidência aponta para proteínas leitoras de sinal mais flexíveis como impulsionadores precoces da complexidade dos vertebrados.
Mais espécies e experiências diretas vão testar essa ideia, mas o estudo já dá ao surgimento das colunas vertebrais um contorno genético mais nítido.
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