A análise genômica de uma espécie de zooplâncton questiona suposições sobre especiação e regulação genética
Alguns dos tipos comuns de rearranjos genômicos. Estes rearranjos constituem a base da evolução, pois dão lugar a novas combinações de genes que podem resultar em novas características que permitem às espécies uma melhor adaptação ao seu ambiente. Crédito:Michael J. Mansfield (OIST). Quando dois animais têm a mesma aparência, comem da mesma forma, comportam-se da mesma maneira e vivem em ambientes semelhantes, pode-se esperar que pertençam à mesma espécie.
No entanto, um minúsculo zooplâncton que desliza sobre as superfícies oceânicas de partículas microscópicas de alimentos desafia esta suposição. Pesquisadores da Universidade de Osaka, da Universidade de Barcelona e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) analisaram o genoma da Oikopleura dioica do Mar Interior de Seto, do Mediterrâneo e do Oceano Pacífico ao redor das Ilhas de Okinawa e, ao fazê-lo, eles levantaram inúmeras questões sobre a especiação e o papel da localização do gene no genoma.
Seus resultados foram publicados em Genome Research . “Oikopleura está abrindo novos caminhos para a pesquisa genômica”, diz o Dr. Charles Plessy, da Unidade de Genômica e Sistemas Regulatórios da OIST e co-primeiro autor do artigo.
“Como animal modelo, permite-nos estudar os mecanismos das mudanças no genoma em laboratório, à medida que acontecem em grande escala e velocidade, o que é uma enorme oportunidade”.
Oikopleura dioica é um minúsculo zooplâncton que habita a superfície dos oceanos em todo o mundo e que é usado como organismo modelo na biologia do desenvolvimento.
Como cordado, o organismo compartilha características genéticas e de desenvolvimento importantes com os vertebrados, incluindo a presença de uma notocorda, que é um feixe nervoso central semelhante a uma corda, como uma coluna vertebral, mas sem ossos. Além disso, o seu genoma compacto, o menor genoma animal não parasitário relatado até o momento, facilita a análise genômica em larga escala.
A torre genômica de Babel
Os investigadores trabalharam em três linhagens de Oikopleura dioica amostradas em três mares ao redor do mundo, mas embora as características morfológicas, comportamentais e ecológicas das linhagens sejam virtualmente as mesmas, os genomas diferem enormemente.
Pense no genoma como uma linguagem partilhada entre todos os membros de uma única espécie, armazenada no núcleo de cada célula e contendo o conjunto completo de material genético para formar essa espécie. Assim como a gramática determina o arranjo das palavras para transmitir significados específicos, também as unidades básicas de informação no genoma – os genes – são reguladas umas em relação às outras quando são transcritas e traduzidas nos blocos de construção fundamentais da vida, as proteínas. .
A regulação genética envolve múltiplos fatores que impactam a ativação ou taxa de transcrição genética, como outros genes, moléculas na célula, hormônios e muitos outros.
O que é intrigante no genoma da Oikopleura dioica é que as línguas das três linhagens não parecem corresponder, apesar de terem características físicas quase idênticas. Ou seja, o “significado” produzido pelos seus genes é basicamente o mesmo, enquanto as linguagens genómicas são totalmente diferentes entre eles.
Os pesquisadores usam o termo 'embaralhamento' para descrever o fenômeno observado em Oikopleura dioica, um termo que se origina na linguística para denotar um fenômeno pelo qual as sentenças são formuladas usando uma variedade de ordens de palavras diferentes, sem qualquer mudança no significado.
Embora esse fenômeno não ocorra em inglês (mas ocorre em japonês e outras línguas), um exemplo em inglês seria se a frase "o genoma de Oikopleura dioica é altamente embaralhado" pudesse ser reorganizada para "o genoma de Oikopleura dioica altamente embaralhado é" sem mudança de significado. Embora os rearranjos genómicos sejam comuns a todas as espécies e a confusão do genoma tenha sido observada em algumas espécies ao longo de muito tempo, Oikopleura dioica ultrapassa o que anteriormente se pensava ser possível.
Gráficos de fita comparando cromossomos entre espécies:humano versus camundongo doméstico, duas espécies de ascídias Ciona e duas linhagens de Oikopleura dioica. As linhas pretas representam cromossomos, comprimentos medidos em pares de megabases (Mb), aqui usados para indicar as coordenadas dos genes nos cromossomos. As caixas azuis representam regiões correspondentes entre os cromossomos. As fitas laranja indicam correspondências com a mesma ordem genética, enquanto as fitas azuis indicam ordem inversa. Crédito:Charles Plessy (OIST)
Evolução a uma velocidade vertiginosa
Os investigadores compararam as sequências genéticas das três linhagens, o que os levou a estimar que partilhavam um ancestral comum há cerca de 25 milhões de anos, sendo as linhagens de Barcelona e Osaka mais estreitamente relacionadas do que a linhagem de Okinawa, tendo divergido cerca de 7 milhões de anos. atrás. Para efeito de comparação, os humanos divergiram dos ratos há 75-90 milhões de anos.
A partir das suas análises filogenéticas, os investigadores estimaram a taxa de rearranjos genómicos para diferentes espécies como uma medida quantificável da rapidez com que evoluem. A partir disto, os investigadores descobriram que a taxa de Oikopleura dioica é mais de dez vezes superior à de espécies comparáveis de ascídias Ciona.
Como afirma o Dr. Michael J. Mansfield da unidade e co-primeiro autor do artigo:"O Oikopleura é um dos animais de evolução mais rápida do mundo. Os animais, especialmente os cordados, normalmente não reorganizam seus genomas nesta medida. , nesta velocidade."
Com toda essa confusão genômica ocorrendo entre as linhagens de Oikopleura dioica, do ponto de vista genômico, é surpreendente que elas possam reter características tão semelhantes.
"Nossos resultados sugerem que, embora a organização genômica seja importante, especialmente para algo tão complexo como os seres humanos, não devemos esquecer os genes individuais", sugere o Dr. Plessy. O estudo de genes e genomas pode oferecer duas perspectivas diferentes sobre o mesmo fenômeno – como explica o Dr. Mansfield:“Há cientistas que estudam anatomia e outros que estudam neurônios individuais – mas ambos estão respondendo a perguntas sobre o cérebro”.
Quem está perguntando?
A confusão do genoma levanta questões importantes sobre a evolução e a classificação da vida em espécies. Por um lado, os investigadores mostram que mesmo que as três linhagens de Oikopleura dioica sejam virtualmente idênticas morfológica e funcionalmente, os seus genomas são extremamente embaralhados, o que poderia sugerir que pertencem a espécies diferentes, embora os investigadores ressaltem que a sua intenção não é classifique-os aqui. Por outro lado, a expressão genética embaralhada, mas análoga, poderia alertar contra uma dependência excessiva da genômica para classificar as espécies.
Em última análise, porém, “as espécies não precisam de nós. Se removermos os humanos, os animais serão os mesmos – não importa como os classificamos”, como diz o Dr. Plessy. Em vez disso, o conceito de espécie é fluido, dependendo se é para fins de conservação, para legislação, como microbiologista ou zoólogo, ou qualquer que seja o motivo. “A questão 'o que é uma espécie?' pode ser respondida com outra pergunta:por que você pergunta?"
Mansfield e seus colaboradores em todo o mundo, este artigo é o culminar de um longo processo de cultivo de diferentes linhagens de Oikopleura dioica e de desenvolvimento de ferramentas de bioinformática capazes de analisar seus genomas caóticos. O professor Nicholas Luscombe, chefe da unidade do OIST, está otimista quanto ao potencial de pesquisa do estudo e dos animais.
"Inicialmente assumimos que todos os Oikopleura teriam genomas semelhantes, mas ficamos surpresos ao ver diferenças tão grandes com tanta confusão entre eles. Queremos usar Oikopleura para aprender mais sobre a natureza dos rearranjos genômicos."
Isto é apenas o começo – os pesquisadores estão longe de terminar de estudar o enigmático zooplâncton. “Já aprendemos muito com a Oikopleura, mas ainda temos que explorar toda a extensão da diversidade das espécies em escala global”, diz o Dr. Plessy.
O Dr. Mansfield cita o grande biólogo Jacques Monod com "o que é verdade para a E. coli é verdade para o elefante" – com as ferramentas desenvolvidas para este estudo, as equipas podem agora voltar a sua atenção para outras espécies. "Começamos pensando que todas as Oikopleura dioica eram iguais, mas mostramos o contrário. Com que frequência isso é verdade para outras espécies e quanto mais há para saber sobre os mecanismos de confusão do genoma?"
