Traduzido por Artur Melo

Imagem cortesia de oversnap / iStockphoto

Sabemos que determinadas sequências genéticas podem ajudar-nos a sobreviver no nosso meio ambiente – o que é a base da evolução. Mas demonstrar quais as sequências genéticas que são benéficas e como nos ajudam a sobreviver não é fácil – especialmente em populações no estado selvagem. Jarek Bryk relata alguma da investigação relevante mais recente.

Quando os humanos saíram pela primeira vez de África, há cerca de 150 000 anos, estabelecendo-se nos vales do Tigre e do Eufrates, navegando pelas ilhas da Indonésia e migrando através do estreito de Bering para a América, encontraram muitos desafios. Vindas das savanas quentes e secas, as populações tiveram que se adaptar às condições locais, e, consequentemente, ao longo das gerações, a fisiologia e a aparência foram mudando (Harris & Meyer, 2008). A pele das pessoas tornou-se mais clara depois de terem vivido em regiões menos ensolaradas (Lamason et al., 2005). As populações que bebiam leite de animais domesticados mantiveram a capacidade de digerir a lactose durante a fase adulta, uma característica perdida logo após a infância nos grupos que não bebiam leite (Tishkoff et al., 2007). As populações que comiam alimentos ricos em amido produziam mais amilase salivar, a enzima que intervém na degradação do amido (Perry et al., 2007).

Supõe-se que pelo menos algumas destas modificações tenham sido consequência da selecção positiva (ver glossário dos termos em itálico). Isto significa que em determinado ambiente (a pressão selectiva) no passado, os indivíduos que apresentavam uma sequência de ADN vantajosa sobreviveram e deixaram mais descendentes, relativamente aos indivíduos com uma sequência diferente, menos benéfica. Actualmente, usando as sequências genómicas de várias espécies, incluindo os humanos e os seus parentes evolutivos mais próximos, os cientistas conseguem comparar caracteres e sequências de ADN de populações ou espécies com diferentes nichos ecológicos e de diferentes meios ambientes, para identificar quais as sequências que terão participado nas adaptações. Este estudo, por outro lado, permite aos investigadores pesquisar a função de determinada sequência de ADN e o seu potencial valor adaptativo para um organismo.

Alguns dos genes, que sabemos influenciarem a cor da pele em humanos, apresentam um padrão geográfico específico de variação da sequência; em particular, comparações de sequências entre populações de europeus e africanos sugerem que a variação na cor da pele se deve a selecção positiva. A brancura da pele relaciona-se positivamente com o aumento da latitude, e várias hipóteses têm sido propostas para explicar os seus potenciais efeitos benéficos.

Imagem cortesia de JBryson / iStockphoto

Uma das hipóteses, que estabelece que a pele clara favorece a produção de vitamina D, é apoiada pela observação de que pessoas de pele escura, que vivem em latitudes elevadas, sofrem de deficiência de vitamina D. Além disso, a pele clara é mais sensível aos efeitos nocivos da luz solar: a maior exposição à luz solar está relacionada com o aumento de incidência de cancro da pele em pessoas de pele clara. Por isso, a pele clara em populações humanas, que vivem em latitudes superiores, pode ser um compromisso evolutivo entre a protecção aos efeitos carcinogénicos da luz solar e a permissão de produção suficiente de uma vitamina essencial.

Imagem ao microscópio electrónico de varrimento de glóbulos vermelhos falciformes e normais Imagem cortesia de EM Unit, UCL Medical School, Royal Free Campus / Wellcome Images Um mosquito com o abdómen cheio de sangue. Esta espécie, Anopheles stephensi, é o insecto vector que transmite a malária na Índia e no Paquistão Imagem cortesia de Hugh Sturrock / Wellcome Images

Apesar de ser uma hipótese consistente, as evidências que a suportam são indirectas. Uma demonstração directa do valor adaptativo desta característica exigiria determinar se, a latitudes superiores, os indivíduos com pele mais clara apresentam melhor sobrevivência e capacidade de reprodução. Tais demonstrações na nossa espécie, no entanto, são difíceis: experiências de sobrevivência (nas quais indivíduos com diferentes características são expostos a determinado ambiente para verificar quais os que sobrevivem) não podem ser realizadas em humanos, e o nosso elevado tempo de geração torna difícil investigar diferenças nas taxas de reprodução. As circunstâncias em que é possível observar o valor adaptativo de qualquer carácter em humanos são, por isso, muito limitadas – mas elas existem. Um dos exemplos envolve duas doenças: a anemia falciforme e a malária. O gene relacionado com a anemia falciforme tem duas variantes, ou alelos: um alelo ‘normal’ e um alelo ‘falciforme’. Indivíduos com dois alelos falciforme sofrem de anemia falciforme grave, enquanto que os que têm um alelo falciforme e um normal não exibem esses sintomas graves. Os registos de mortalidade sugerem que o alelo falciforme pode, contudo, ser vantajoso: em populações expostas ao parasita da malária, os indivíduos que possuem um alelo falciforme e um alelo normal têm maior probabilidade de sobreviver que as pessoas que possuem dois alelos normais, porque o parasita (Plasmodium falciparum) precisa de glóbulos vermelhos saudáveis para entrar e para se multiplicar. Por isso, a frequência do alelo que provoca a anemia falciforme aumenta em grupos expostos à malária – o alelo é adaptativo neste ambiente.

Outro exemplo que demonstra o valor adaptativo de um carácter humano está relacionado com um fragmento do cromossoma 17, que se sabe ter estado invertido nos nossos antepassados há mais de três milhões de anos (Stefansson et al., 2005). O facto desta variante se ter espalhado pelas populações europeias, sugere que ela foi positivamente seleccionada – conferiu vantagem aos indivíduos que a possuíam. Através da determinação do genótipo de quase 30 000 islandeses, os cientistas que investigaram a hipótese conseguiram determinar que, durante os últimos 80 anos, indivíduos que possuíam a sequência alterada tinham em média 3.2% mais descendentes por geração do que indivíduos com a sequência normal, uma explicação plausível para como a alteração se espalhou tão rapidamente.
Apesar dos dois exemplos demonstrarem, de forma clara, a acção recente da selecção positiva em humanos, os mecanismos moleculares que explicam como as variações da sequência conferem as vantagens, não são bem compreendidas e devem ser investigados caso-a-caso. Para elucidar as relações de causalidade entre as sequências de ADN putativamente adaptativas e a aptidão de um indivíduo, os cientistas voltam-se para organismos que são mais fáceis de usar em experiências que os humanos.

Por exemplo, a cor do pêlo no rato Oldfield, Peromyscus polionotus, está de acordo com a cor do solo do habitat, fornecendo camuflagem. Os ratos que vivem nas areias brancas das praias da Florida são muito mais claros que os ratos, da mesma espécie, que vivem no interior. O valor adaptativo desta característica foi demonstrado experimentalmente há mais de 30 anos: ratos com pêlo que combina com a cor do solo eram menos frequentemente comidos pelas corujas que os ratos menos camuflados. Porém, os cientistas só recentemente identificaram os ‘loci’ genéticos que suportam este carácter adaptativo (Hoekstra et al., 2006): a variação da cor do pêlo depende fundamentalmente de vários alelos do gene McR1. A proteína codificada por este gene age como interruptor bioquímico que controla a produção tanto de eumelanina, um pigmento escuro na pele, como de feomelanina, um pigmento claro. Os diferentes alelos do gene McR1 activam a via de produção de pigmentos de forma diferente, favorecendo a produção de um pigmento ou do outro.

Outro exemplo de relação causal demonstrado envolve a Staphylococcus aureus, uma bactéria que provoca várias doenças, incluindo a pneumonia e a inflamação das válvulas cardíacas. Numa rara experiência natural, um doente com infecções de S. aureus recorrentes foi medicado durante três meses com vancomicina, um dos poucos antibióticos que ainda é eficaz contra a S. aureus. Antes, e periodicamente ao longo do tratamento, os cientistas recolheram amostras do agente patogénico e sequenciaram a totalidade do genoma da primeira e da última amostra. Quando compararam os três milhões de pares de bases (as ‘letras’ do código genético) que constituem o ADN desta bactéria, descobriram apenas 35 diferenças entre a primeira e a última amostra.

Micrografia electrónica de varrimento de agregados de bactérias Staphylococcus aureus resistentes à meticilina Imagem cortesia de Annie Cavanagh / Wellcome Images

Mas ao sequenciar parcialmente as amostras intermédias, os cientistas descobriram a ordem pela qual as alterações devem ter ocorrido. Através de testes da resistência bacteriana à vancomicina in vitro, em diferentes amostras, conseguiram relacionar determinadas alterações genéticas com os efeitos no crescimento e resposta das bactérias ao medicamento. Por exemplo, a diferença entre a primeira e a segunda amostras de bactérias consistia na substituição de seis nucleótidos (alterações nas ‘letras’) em dois genes. Estas seis mutações foram claramente vantajosas: quadruplicaram a tolerância da bactéria à vancomicina, permitindo às bactérias que possuem estas mutações sobreviver e reproduzir-se melhor, tornando-se mais comuns no corpo do paciente. Vinte e seis mutações posteriores duplicaram a tolerância, produzindo efectivamente uma estirpe de S. aureus tolerante à vancomicina (Mwangi et al., 2007).

Em suma, investigar a base molecular da evolução adaptativa em populações no estado selvagem não é fácil. Os desafios incluem a definição das pressões selectivas, a identificação das sequências de ADN que sustentam os caracteres associados, medir as aptidões individuais, e encontrar explicações mecanísticas para a influência das alterações da sequência nos caracteres adaptativos. Contudo, utilizando organismos-modelo e inovações tecnológicas recentes, estas investigações estão já a tornar-se exequíveis, aumentando o nosso conhecimento em como determinadas alterações a nível genético permitem aos organismos adaptar-se ao seu meio ambiente.

Agradecimentos

O autor agradece a David Hughes, Mehmet Somel e Ania Lorenc pelos comentários úteis ao artigo.

Referências

Harris EE, Meyer D (2006) The molecular signature of selection underlying human adaptations. American Journal of Physical Anthropology 131(S43): 89-130. doi: 10.1002/ajpa.20518
Este artigo fornece uma boa perspectiva da investigação sobre a evolução molecular em humanos.

Hoekstra H et al. (2006) A single amino acid mutation contributes to adaptive beach mouse color pattern. Science 313: 101-104. doi: 10.1126/science.1126121

Este e outros documentos sobre a cor do pêlo em ratos, publicados pelo grupo de investigação de Hopi Hoekstra, estão disponíveis no website da Universidade de Harvard. Ver: www.oeb.harvard.edu/faculty/hoekstra/Links/PublicationsPage.html

Ver também o relatório no qual a descoberta de Agouti, um regulador negativo do McR1 que contribui para a cor adaptativa do pêlo em Peromyscus, é descrita:

Steiner CC, Weber JN, Hoekstra HE (2007) Adaptive variation in beach mice produced by two interacting pigmentation genes. PLoS Biology 5: e219. doi: 0.1371/journal.pbio.0050219
Estes e todos os outros artigos em PLoS Biology estão disponíveis gratuitamente ‘online’.

Os artigos seguintes resumem a pigmentação adaptativa dos vertebrados:
Hoekstra HE (2006) Genetics, development and evolution of adaptive pigmentation in vertebrates. Heredity 97: 222-234. doi: 10.1038/sj.hdy.6800861
Este artigo está disponível gratuitamente para download no website do jornal Heredity: www.nature.com/hdy

Um resumo da investigação mais recente de Hopi Hoekstra está disponível no blog de John Hawks: http://johnhawks.net/weblog/topics/evolution/selection/hoekstra-2009-adaptive-pigmentation.html

Lamason RL et al. (2005) SLC24A5, a putative cation exchanger, affects pigmentation in zebrafish and humans. Science 310: 1782-1786. doi: 10.1126/science.1116238

Mwangi MM et al. (2007) Tracking the in vivo evolution of multidrug resistance in Staphylococcus aureus by whole-genome sequencing. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104: 9451-9456. doi: 10.1073/pnas.0609839104

Perry GH et al. (2007) Diet and the evolution of human amylase gene copy number variation. Nature Genetics 39: 1256-1260. doi: 10.1038/ng2123

Ver também o resumo desta investigação no site Panda’s Thumb: http://pandasthumb.org/archives/2008/12/amylase-and-hum.html

Stefansson H et al. (2005) A common inversion under selection in Europeans. Nature Genetics 37: 129-137. doi: 10.1038/ng1508

Ver também o resumo do documento no site da Evolgen: http://evolgen.blogspot.com/2005/02/human-inversion-under-selection.html

Tishkoff SA et al. (2006) Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe. Nature Genetics 39: 31-40. doi: 10.1038/ng1946

Ver também um resumo desta investigação no The New York Times: www.nytimes.com/2006/12/10/science/10cnd-evolve.html?_r=1

Web references

w1 – Para um bom resumo dos termos ‘aptidão’ e ‘genótipo’, ver Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Fitness_(biology) and http://en.wikipedia.org/wiki/Genotype

w2 – Para mais informação sobre genomas e sobre o Projecto Genoma Humano, ver ‘What is a genome’ no website da US National Library of Medicine: http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/hgp/genome

Recursos

Se achou este artigo interessante, pode querer ler outros artigos da Science in School sobre evolução:

Haubold B (2010) Review of Why Evolution is True. Science in School 14. www.scienceinschool.org/2010/issue14/evotrue

Leigh V (2008). Entrevista com Steve Jones: a ameaça do criacionismo. Science in School 9: 9-17. www.scienceinschool.org/2008/issue9/stevejones/portuguese

Patterson L (2010) Progredindo na evolução. Science in School 14: 16-20. www.scienceinschool.org/2010/issue14/amphioxus/portuguese

Pongsophon P, Roadrangka V and Campbell A (2007) Counting Buttons: demonstrating the Hardy-Weinberg principle. Science in School 6: 30-35. www.scienceinschool.org/2007/issue6/hardyweinberg

Para mais informações sobre a malária, ver:

Hodge R (2006) Combatendo a malaria numa nova frente. Science in School 1: 72-75. http://scienceinschool.org/2006/issue1/malaria/portuguese

Para saber mais sobre a estrutura do amido, que a amilase salivar ajuda a degradar, ver:

Cornuéjols D (2010) Starch: a structural mystery. Science in School 14: 22-27. www.scienceinschool.org/2010/issue14/starch

Jarek Bryk é investigador de pos-doutoramento no Max Planck Institute for Evolutionary Biology em Plön, Alemanha, onde procura localizar e analisar genes adaptativos em ratos.

Opinião

O artigo relata diversos exemplos interessantes de adaptações evolutivas a nível molecular em humanos. É abordada a dificuldade em clarificar relações causais entre sequências de ADN adaptativas e a aptidão do indivíduo, em humanos, e a necessidade de utilizar outros organismos em experiências.

O artigo fornece material excelente para questões orientadas para a compreensão da selecção natural e da aptidão em humanos e organismos usados em laboratório:

1. Explique os processos envolvidos na selecção natural.


2. O que entende por ‘aptidão’?


3. Explique como o alelo da anemia falciforme confere uma vantagem selectiva em algumas populações humanas.


4. Quais os problemas associados com o estabelecimento de relações causais entre sequências de ADN adaptativo e a aptidão em humanos?


5. Construa um diagrama de fluxo para explicar o valor adaptativo da cor do pêlo em ratos Oldfield.


6. Como conseguiram os cientistas correlacionar alterações genéticas em Staphylococcus aureus com o crescimento bacteriano e a reacção ao antibiótico?

Este artigo também permite aos alunos pesquisar a ligação entre ADN, sequência de aminoácidos, estrutura e função das proteínas na anemia falciforme. O texto é adequado para orientar a discussão em sala de aula sobre métodos e problemas associados com a investigação das bases moleculares das relações evolutivas e sobre a ética da utilização de populações humanas em testes genéticos. Estudos interdisciplinares poderão ser organizados em torno da história da ciência e da genética de populações evolutiva.

Mary Brenan, Reino Unido

---

Recomendações do crítico: Biologia, Evolução, Genética, Biologia molecular, Ética, História da ciência