Selecção natural a nível molecular Understand article

Traduzido por Artur Melo. 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…

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.

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.

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.

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.

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