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Redes robustas de genes das profundezas de nossa história evolutiva
Muitas coisas podem dar errado quando um óvulo fertilizado se transforma em um embrião e, por fim, dá origem a um recém-nascido, pois as mutações no genoma que afetam o desenvolvimento são relativamente comuns.
Por Universidade de Basel - 29/09/2021


Uma série de interruptores no genoma garante o desenvolvimento correto das extremidades - e deu margem de manobra à evolução para produzir extremidades muito diferentes. Crédito: KEYSTONE / Science Photo Library / Paul D Stewart

Um sistema sofisticado orienta o desenvolvimento de nossos membros. Pesquisadores da Universidade de Basel lançaram uma nova luz sobre o kit de ferramentas genéticas usado durante a evolução para criar uma variedade de extremidades diferentes, como nadadeiras, asas, cascos, dedos dos pés e das mãos.

Muitas coisas podem dar errado quando um óvulo fertilizado se transforma em um embrião e, por fim, dá origem a um recém-nascido, pois as mutações no genoma que afetam o desenvolvimento são relativamente comuns. O fato de o desenvolvimento embrionário geralmente ser perfeito para humanos e animais se deve ao fato de que os programas genéticos são controlados por uma série de circuitos genéticos que podem se apoiar mutuamente de forma autorregulatória.

Esta robustez dos programas de desenvolvimento é um interesse chave do grupo de pesquisa liderado pelo Professor Rolf Zeller e PD. Dra. Aimée Zuniga do Departamento de Biomedicina da Universidade de Basel. Eles buscam obter insights sobre este processo estudando um regulador chave do desenvolvimento dos membros, uma proteína chamada "Gremlin1". Essa proteína impede que as células formem ossos muito cedo e funciona no ajuste fino da atividade de várias redes de sinalização, conectando-as umas às outras. Mais importante ainda, Gremlin1 é responsável pela formação correta dos chamados botões dos membros, que são a minúscula estrutura embrionária que dará origem às nossas extremidades.

Uma rede garante um desenvolvimento perfeito

Estudos com embriões de camundongos permitiram aos pesquisadores decifrar outro nível de regulamentação - e robustez - desse programa de desenvolvimento. Na revista científica Nature Communications , eles descrevem uma série de "interruptores" embutidos no genoma de todos os vertebrados que garantem que a quantidade correta de Gremlin1 seja produzida no lugar certo. Essas opções são chamadas de "realçadores".

Zuniga compara o sistema que ela e sua equipe estão investigando com o sistema de iluminação de uma sala que é controlado por uma série de interruptores. A luz permite ler as instruções para construir extremidades corretamente formadas. “No início, não sabíamos o que cada botão individual contribui para iluminar a sala”, explica a pesquisadora. "Pode haver um interruptor mestre que desligue todas as luzes, tornando as instruções impossíveis de ler. Em vez disso, agora sabemos que todos os interruptores contribuem para o sistema de iluminação: se um interruptor estiver quebrado, a quantidade de luz é apenas marginal ou não afetados e as informações ainda podem ser lidas. É por isso que o sistema é tão robusto. Por outro lado, uma vez que muitos interruptores são quebrados, muito pouca informação pode ser lida e, na pior das hipóteses, nenhuma. "
 
Na verdade, a análise de Ph.D. o estudante Jonas Malkmus e colegas mostraram que interruptores individuais podem ser inativados sem interromper Gremlin1 ou o desenvolvimento das extremidades. No entanto, abaixo de um certo limite de interruptores em funcionamento, o sistema falha e ocorrem malformações. "As múltiplas salvaguardas no sistema explicam por que defeitos de nascença devido a alterações genéticas na regulação Gremlin1 são extremamente raros", diz Malkmus.

Estabilidade com potencial de mudança

Em seguida, os pesquisadores começaram a identificar as raízes evolutivas desta robusta série de interruptores. Eles descobriram que o núcleo desta série de interruptores que garantem a quantidade e distribuição corretas de Gremlin1 em embriões humanos já existia em peixes há mais de 400 milhões de anos. “Isso mostra que a evolução já tinha o kit de ferramentas para desenvolver as extremidades antes mesmo das nadadeiras evoluírem para pernas e os primeiros animais desembarcarem”, explica Zuniga. O que mudou ao longo da evolução foi a atividade de intensificadores individuais e, como resultado, a distribuição de Gremlin1. "A atividade dos interruptores genéticos e a distribuição de Gremlin1 nos botões dos membros prefigura seu desenvolvimento subsequente em nadadeiras, asas, cascos ou mãos e pés", explica Zeller.

Se apenas um interruptor regulasse a produção de Gremlin1, então a pressão evolutiva para mantê- lo exatamente como está seria enorme. "Um sistema com muitos switches garante que o sistema não falhe facilmente", diz Zuniga. "E dá à evolução espaço para mudanças." Portanto, os interruptores individuais foram capazes de mudar sem pressão significativa, e isso desempenhou um papel no desenvolvimento de uma ampla gama de extremidades durante a história da evolução.

 

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