Genes de desenvolvimento passaram a gerar mais variantes de proteínas quando surgiram os vertebrados

Investigadores descobriram que genes de desenvolvimento essenciais começaram a gerar muito mais variantes de proteínas precisamente na altura em que apareceram os primeiros animais com coluna vertebral.

Essa margem extra de flexibilidade obriga a repensar como uma alteração genética pequena pode ter permitido o surgimento de tecidos e órgãos complexos em toda a linhagem dos vertebrados.

Ao analisar embriões de uma ascídia (um invertebrado simples), de uma lampreia e de um sapo, verificou-se que os mesmos genes de sinalização não apresentavam o mesmo comportamento.

A partir da comparação desses padrões, o professor David Ferrier, na University of St Andrews, concluiu que os vertebrados produziam muito mais versões a partir de cada gene.

O salto já era visível nas lampreias, o que coloca a mudança muito perto da divisão evolutiva mais antiga conhecida entre vertebrados.

Com esse enquadramento temporal, um pormenor do que sai no fim da cadeia (as proteínas produzidas) passa a ser uma pista sobre como se tornaram possíveis novas partes do corpo.

As mensagens entre células multiplicam-se

Durante o desenvolvimento, as células mantêm-se coordenadas graças à sinalização intercelular - mensagens que trocam continuamente.

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

Isto ajuda a perceber por que razão contar versões adicionais pode ser mais relevante do que apenas registar um aumento no número de cópias de genes.

Um gene, vários resultados

As células conseguem gerar essa diversidade através do splicing alternativo: um mesmo gene pode ser “cortado” de formas distintas, originando diferentes mensagens de ARN antes de a célula produzir a proteína.

Cada uma dessas mensagens, designada transcrito, é uma cópia de ARN usada para fabricar proteínas e pode dar origem a variantes ligeiramente diferentes.

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

Isto foi importante porque muitas variantes passam despercebidas em trechos em falta; com métodos mais curtos, essas diferenças podem ficar confundidas.

Números que sobressaem

Uma família de sinalização tornou a mudança particularmente evidente: as ascídias tinham um gene com um transcrito, enquanto os sapos apresentavam quatro genes e nove transcritos.

Estes valores eram relevantes porque descreviam apenas uma família, e não uma expansão generalizada em todo o genoma.

O padrão destacou-se de imediato, já que apenas um pequeno conjunto de genes se comportou de forma distinta do restante que os investigadores analisaram.

Assim, uma contagem aparentemente árida transformou-se numa possível nova explicação para a complexidade dos vertebrados.

Os genes de leitura de sinal destacaram-se

No conjunto dos restantes genes medidos, os investigadores não observaram uma explosão indiscriminada de diversidade proteica.

Mesmo genes ligados ao desenvolvimento embrionário de forma mais ampla mantiveram-se muito mais semelhantes entre ascídia, lampreia e sapo.

Isso torna estes genes de leitura de sinal invulgares, porque a diversidade deles aumentou mais depressa do que o resto da maquinaria do desenvolvimento.

Em vez de um inchaço em todo o genoma, o que se vê é um efeito direccionado, o que reforça a ideia de um verdadeiro ponto de viragem.

Mais do que duplicações

Trabalhos anteriores já tinham mostrado que os vertebrados possuíam cópias extra de uma grande família de genes de leitura de sinal, mas o número de cópias era apenas parte do quadro.

O novo estudo acrescenta um segundo nível: cada cópia também podia originar várias formas proteicas distintas.

Em conjunto, isso deu às células dos vertebrados mais maneiras de interpretar o mesmo estímulo externo e escolher uma resposta.

Dessa forma, os corpos poderiam afinar a identidade celular com maior precisão, o que ajuda a explicar o aparecimento de novos tecidos, órgãos e planos corporais.

A surpresa nas ascídias

Um resultado em ascídias também tornou o contraste menos linear, porque um dos seus genes de leitura de sinal não estava totalmente “fechado” em termos de variantes.

Os investigadores identificaram um novo segmento génico perto de elementos transponíveis - fragmentos de ADN capazes de se mover no genoma - que pode ajudar a criar terminações proteicas novas.

Essa versão adicional só surgiu numa fase mais tardia do desenvolvimento, sugerindo que mesmo parentes invertebrados próximos retinham alguma flexibilidade escondida.

Apesar disso, o padrão observado nos vertebrados continuou a ser muito mais forte, e a tendência principal manteve-se clara.

Implicações para a medicina

Estes genes situam-se no fim de vias principais que moldam embriões, participam na reparação de tecidos e falham em contextos de doença.

As suas proteínas funcionam como factores de transcrição, isto é, interruptores génicos dentro das células que respondem depois de um sinal chegar.

Quando esses decisores finais mudam de forma, o mesmo sinal pode sustentar um crescimento normal ou favorecer a instalação de um cancro.

Isto ainda não transforma estas novas formas proteicas em alvos terapêuticos, mas torna-as um caminho que vale a pena explorar.

Motores da complexidade dos vertebrados

O desafio mais exigente, agora, é demonstrar o que faz realmente cada versão num embrião vivo.

Algumas poderão activar genes, outras poderão desligá-los, e outras ainda poderão actuar apenas em tecidos específicos.

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

A resposta a essa questão irá esclarecer se estas variantes foram apenas passageiras na história dos vertebrados ou se contribuíram activamente para construir complexidade.

Ao comparar embriões e famílias génicas, os dados apontam para proteínas de leitura de sinal mais flexíveis como impulsionadores precoces da complexidade dos vertebrados.

Mais espécies e experiências directas irão testar esta hipótese, mas o estudo já dá ao aparecimento da coluna vertebral um contorno genético mais nítido.