Nossos genes (também conhecidos como genótipo) determinam nossas características (também conhecidos como fenótipo). A evolução atua nas mudanças no fenótipo, que ocorrem quando as mutações alteram o genótipo subjacente. Mas as mudanças no fenótipo que podem ser produzidas por mutações não são ilimitadas - as formigas não podem criar troncos repentinamente ou ficar do tamanho de um elefante. Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (IST Áustria) descobriram que, em um sistema regulador de genes na bactéria Escherichia coli, quanto mais componentes sofrerem mutação, mais livremente o sistema pode evoluir. Este é o resultado de um estudo publicado por uma equipe liderada por Calin Guet, Jonathan Bollback, e o primeiro autor Mato Lagator em eLife .

Os efeitos das mutações definem como um sistema pode mudar. Mas em um sistema de vários componentes que regula a expressão gênica, o que acontece quando vários componentes sofrem mutação? O sistema tem menos opções de mudança, ou mais? Os pesquisadores estudaram essa questão em um pequeno sistema regulador de genes em E. coli que consiste em dois componentes:primeiro, um fator de transcrição, que é uma proteína que controla a taxa de transcrição da informação genética do DNA para o RNA. Segundo, seu sítio de ligação no DNA, onde o fator de transcrição se liga para iniciar a transcrição. Neste estudo, os cientistas observaram o que acontece quando eles transformam cada componente por conta própria, e quando eles sofrem mutação em ambos os componentes ao mesmo tempo.

Um tanto contra-intuitivamente, eles descobriram que a evolução do sistema é menos limitada quando mais componentes são mutados. "Em total contraste com o que eu presumia antes de conduzir os experimentos, se mudarmos vários componentes, o sistema pode evoluir mais livremente. Isso foi uma grande surpresa para mim! ", Diz o primeiro autor Mato Lagator. A equipe então analisou por que o sistema pode evoluir em mais direções em comparação com seus componentes individuais.

Eles descobriram que o sistema evolui mais livremente porque as mutações nos dois componentes interagem entre si, um fenômeno que eles chamam de "epistasia intermolecular". Mato Lagator explica seu significado:"Epistasia significa que um mais um não é igual a dois, mas três ou zero. Geneticamente falando, a mutação de um ponto altera o fator de transcrição, de modo que o fenótipo do nosso sistema regulador de genes muda em X, e a outra mutação pontual muda o sítio de ligação para que o fenótipo mude em Y. Agora, quando ambas as mutações ocorrem juntas, o fenótipo não é simplesmente X + Y, é diferente. "Isso significa que as mutações interagem, dando a todo o sistema mais liberdade para mudar e evoluir.

Até aqui, nossa compreensão da epistasia tem sido principalmente descritiva, mas como os mecanismos moleculares existentes definem os padrões de epistasia não foi compreendido. Neste estudo, os pesquisadores fornecem uma compreensão mecanicista de como as mutações em duas moléculas diferentes interagem, explica Mato Lagator. "Mais empolgante, mostramos que - nesse sistema regulador de genes - a maior parte da epistasia surge da estrutura genética do sistema. Essa estrutura determina como as mutações interagem umas com as outras. "