Variantes proteicas impulsionaram a complexidade dos vertebrados

Os investigadores descobriram que genes fundamentais do desenvolvimento começaram a produzir muitas mais variantes proteicas quando surgiram os primeiros animais com coluna vertebral.

Esta flexibilidade adicional altera a perspetiva sobre a forma como uma pequena mudança genética pode ter permitido o aparecimento de tecidos e órgãos complexos em toda a vida dos vertebrados.

Em embriões de uma ascídia, um invertebrado simples, de uma lampreia e de uma rã, os mesmos genes de sinalização não apresentaram o mesmo comportamento.

Ao comparar estes padrões, o professor David Ferrier, da Universidade de St Andrews, verificou que os vertebrados produziam muitas mais versões a partir de cada gene.

As lampreias já exibiam este aumento, situando a alteração perto da mais antiga divisão evolutiva conhecida dos vertebrados.

Esta cronologia transforma um pormenor da produção de proteínas numa pista sobre como novas partes do corpo se tornaram possíveis pela primeira vez.

As mensagens celulares multiplicam-se

Durante o desenvolvimento, as células mantêm-se organizadas através da sinalização intercelular, ou seja, das mensagens que enviam continuamente umas às outras.

Essas mensagens culminam em proteínas que determinam quais os genes ativados ou mantidos inativos no interior de cada célula. Se a forma final da proteína mudar, o mesmo estímulo externo pode conduzir uma célula a um destino diferente.

Isto ajuda a perceber porque é que as versões adicionais tiveram mais importância do que um simples aumento do número de cópias de genes.

Um gene, muitos resultados

As células geram essa diversidade por splicing alternativo, um processo em que um gene é cortado em diferentes mensagens de ARN antes de a célula produzir a proteína.

Cada mensagem, designada transcrito, é uma cópia de ARN usada para produzir proteínas e pode originar versões ligeiramente distintas.

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

Isto foi relevante porque muitas variantes ocultas encontram-se em segmentos em falta, nos quais os métodos mais curtos podem torná-las indistinguíveis.

Números que se destacam

Uma família de sinalização tornou este salto evidente: as ascídias possuíam um gene com um transcrito, enquanto as rãs tinham quatro genes e nove transcritos.

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

O padrão destacou-se de imediato, uma vez que apenas um pequeno grupo de genes se comportava de forma diferente de tudo o que os investigadores analisaram.

Os resultados converteram uma contagem aparentemente árida numa possível nova explicação para a complexidade dos vertebrados.

Os genes de leitura de sinais destacaram-se

Nos restantes genes medidos, os investigadores não observaram uma explosão generalizada da diversidade de proteínas.

Até os genes ligados ao desenvolvimento embrionário no seu conjunto se mantiveram muito mais semelhantes entre a ascídia, a lampreia e a rã.

Isto torna invulgares estes genes de leitura de sinais, pois a sua diversidade aumentou mais depressa do que a restante maquinaria do desenvolvimento.

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

Mais do que duplicados

Trabalhos anteriores mostraram que os vertebrados já possuíam cópias adicionais de uma importante família de leitura de sinais, mas o número de cópias era apenas uma parte da explicação.

O novo estudo acrescenta uma segunda camada, dado que cada cópia também podia dar origem a várias formas proteicas distintas.

Esta combinação proporcionou às células dos vertebrados mais formas de interpretar o mesmo estímulo externo e de escolher uma resposta.

Os corpos puderam, assim, aperfeiçoar a identidade celular com maior precisão, o que ajuda a explicar novos tecidos, órgãos e planos corporais.

Uma reviravolta nas ascídias

Um resultado obtido nas ascídias também tornou mais complexa a comparação simples, porque um dos seus genes de leitura de sinais não estava totalmente fixado.

Os investigadores identificaram um novo segmento génico junto de elementos transponíveis, fragmentos de ADN que podem deslocar-se nos genomas e ajudar a criar novas extremidades proteicas.

Essa versão adicional surgiu apenas mais tarde no desenvolvimento, sugerindo que até parentes invertebrados próximos conservaram alguma flexibilidade oculta.

Apesar disso, o padrão dos vertebrados continuou a ser muito mais forte, e a tendência principal permaneceu clara.

Implicações para a área médica

Estes genes encontram-se nos pontos finais de vias importantes que moldam embriões, reparam tecidos e se alteram durante a doença.

As suas proteínas atuam como fatores de transcrição, interruptores genéticos dentro das células que respondem depois da chegada de um sinal.

Quando estes decisores finais mudam de forma, o mesmo sinal pode favorecer o crescimento normal ou ajudar o cancro a instalar-se.

Isto ainda não transforma estas novas formas proteicas em alvos médicos, mas torna importante investigá-las.

Motores da complexidade dos vertebrados

O desafio mais difícil passa agora por demonstrar o que cada versão faz efetivamente num embrião vivo.

Algumas poderão ativar genes, outras poderão desligá-los, e outras ainda poderão funcionar apenas em determinados tecidos.

“Será entusiasmante determinar de que formas distintas funcionam estas várias formas proteicas diferentes”, afirmou Ferrier.

A resposta determinará se estas variantes proteicas foram passageiros na história dos vertebrados ou construtores ativos da complexidade.

Consideradas em conjunto, nos embriões e nas famílias de genes, as evidências apontam para proteínas flexíveis de leitura de sinais como motores iniciais da complexidade dos vertebrados.

Mais espécies e experiências diretas irão testar esta ideia, mas o estudo já traça um contorno genético mais nítido para o surgimento das colunas vertebrais.