Lulas, polvos e chocos osmesmo para os cientistas que os estudam ossão criaturas maravilhosamente estranhas. Conhecidos como cefala³podes de corpo mole ou coleoides, eles tem o maior sistema nervoso de qualquer invertebrado, comportamentos complexos, como camuflagem instanta¢nea, braa§os cravejados de ventosas ha¡beis e outros traa§os evolutivamente aºnicos.

Agora, os cientistas investigaram o genoma dos cefala³podes para entender como esses animais incomuns surgiram. Ao longo do caminho, eles descobriram que os genomas dos cefala³podes são tão estranhos quanto os animais. Cientistas do Laborata³rio Biola³gico Marinho (MBL) em Woods Hole, da Universidade de Viena, da Universidade de Chicago, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa e da Universidade da Califa³rnia, Berkeley, relataram suas descobertas em dois novos estudos na Nature Communications .

"Canãrebros grandes e elaborados evolua­ram algumas vezes", disse a coautora Caroline Albertin, bolsista Hibbitt do MBL. "Um exemplo famoso são os vertebrados. Outro são os cefala³podes de corpo mole, que servem como um exemplo separado de como um sistema nervoso grande e complicado pode ser montado. Ao entender o genoma dos cefala³podes, podemos obter informações sobre os genes que são importante na criação do sistema nervoso, bem como na função neuronal."

Em Albertin et al., publicado esta semana, a equipe analisou e comparou os genomas de três espanãcies de cefala³podes osduas lulas ( Doryteuthis pealeii e Eupprymna scolopes ) e um polvo ( Octopus bimaculoides ).

Sequenciar esses três genomas de cefala³podes, não importa compara¡-los, foi um esfora§o de tour de force financiado pela Grass Foundation que ocorreu ao longo de vários anos em laboratórios ao redor do mundo.

"Provavelmente, o maior avanço neste novo trabalho éfornecer conjuntos cromossa´micos de nada menos que três genomas de cefala³podes, todos disponí­veis para estudo no MBL", disse o coautor Clifton Ragsdale, professor de Neurobiologia e de Biologia e Anatomia. na Universidade de Chicago.

"Assemblies denívelcromossa´mico nos permitiram refinar melhor quais genes estãola¡ e qual ésua ordem, porque o genoma émenos fragmentado", disse Albertin. "Então agora podemos comea§ar a estudar os elementos reguladores que podem estar conduzindo a expressão desses genes".

No final, a comparação dos genomas levou os cientistas a concluir que a evolução de novas caracteri­sticas em cefala³podes de corpo mole émediada, em parte, por três fatores:

reorganização macia§a do genoma dos cefala³podes no ini­cio da evolução

expansão de fama­lias de genes particulares

edição em larga escala de moléculas de RNA mensageiro, especialmente em tecidos do sistema nervoso.

Mais surpreendentemente, eles descobriram que o genoma dos cefala³podes "estãoincrivelmente agitado", disse Albertin.

Em um estudo relacionado ( Schmidbaur et al .), publicado na semana passada, a equipe explorou como o genoma altamente reorganizado em Eupprymna scolopes afeta a expressão gaªnica . A equipe descobriu que os rearranjos do genoma resultaram em novas interações que podem estar envolvidas na fabricação de muitos dos novos tecidos de cefala³podes, incluindo seus grandes e elaborados sistemas nervosos.

"Em muitos animais, a ordem dos genes dentro do genoma foi preservada ao longo do tempo evolutivo", disse Albertin. "Mas nos cefala³podes, o genoma passou por explosaµes de reestruturação. Isso apresenta uma situação interessante: os genes são colocados em novos locais no genoma, com novos elementos reguladores que conduzem a expressão dos genes. Isso pode criar oportunidades para que novos traa§os evoluam. "

Os principais insights sobre genomas de cefala³podes que os estudos fornecem incluem:

Eles são grandes. O genoma de Doryteuthis é1,5 vezes maior que o genoma humano, e o genoma do polvo é90% do tamanho de um humano.

Eles estãomexidos. "Os principais eventos na evolução dos vertebrados, levando aos humanos, incluem duas rodadas de duplicação do genoma inteiro", disse Ragsdale. “Com este novo trabalho, agora sabemos que a evolução dos cefala³podes de corpo mole envolveumudanças de genoma igualmente massivas, mas asmudanças não são duplicações do genoma inteiro, mas sim rearranjos imensos do genoma, como se os genomas ancestrais fossem colocados em um liquidificador”.

“Com esta nova informação, podemos comea§ar a perguntar como asmudanças em larga escala do genoma podem estar subjacentes a s caracteri­sticas únicas que cefala³podes e vertebrados compartilham, especificamente sua capacidade de corpos grandes com cérebros desproporcionalmente grandes”, disse Ragsdale.

Surpreendentemente, eles descobriram que os três genomas dos cefala³podes são altamente rearranjados um em relação ao outro osassim como em comparação com outros animais.

“O polvo e a lula divergiram uns dos outros cerca de 300 milhões de anos atrás, então faz sentido que parea§am ter histórias evolutivas muito separadas”, disse Albertin. "Este resultado emocionante sugere que os rearranjos drama¡ticos nos genomas dos cefala³podes produziram novas ordens de genes que foram importantes na evolução da lula e do polvo".

Eles contem novas fama­lias de genes. A equipe identificou centenas de genes em novas fama­lias de genes que são exclusivas dos cefala³podes. Enquanto algumas ordens de genes antigos comuns a outros animais são preservadas nessas novas fama­lias de genes de cefala³podes, a regulação dos genes parece ser muito diferente. Algumas dessas fama­lias de genes específicos de cefala³podes são altamente expressas em caracteri­sticas únicas de cefala³podes, inclusive no cérebro de lula.

Certas fama­lias de genes são extraordinariamente expandidas . "Um exemplo emocionante disso são os genes da protocaderina", disse Albertin. "Cefala³podes e vertebrados duplicaram independentemente suas protocaderinas, ao contra¡rio de moscas e nemata³ides, que perderam essa familia de genes ao longo do tempo. Essa duplicação resultou em uma estrutura molecular rica que talvez esteja envolvida na evolução independente de sistemas nervosos grandes e complexos em vertebrados e cefala³podes. ."

Eles também encontraram expansaµes de fama­lias de genes específicos da espanãcie, como os genes envolvidos na fabricação do bico ou das ventosas da lula. "Nenhuma dessas fama­lias de genes foi encontrada no polvo. Então, esses grupos separados de animais estãocriando novas fama­lias de genes para realizar sua nova biologia", disse Albertin.

Pesquisas anteriores do MBL mostraram que lulas e polvos apresentam uma taxa extraordinariamente alta de edição de RNA , o que diversifica os tipos de protea­nas que os animais podem produzir. Para acompanhar esse achado, Albertin et al. sequenciou o RNA de 26 tecidos diferentes em Doryteuthis e analisou as taxas de edição de RNA nos diferentes tecidos.

"Encontramos um sinal muito forte para a edição de RNA que altera a sequaªncia de uma protea­na para ser restrita ao sistema nervoso, particularmente no cérebro e no lobo da fibra gigante", disse Albertin.

"Este cata¡logo de edição em diferentes tecidos fornece um recurso para fazer perguntas de acompanhamento sobre os efeitos da edição. Por exemplo, a edição de RNA estãoocorrendo para ajudar o animal a se adaptar amudanças de temperatura ou outros fatores ambientais? Junto com as sequaªncias do genoma , ter um cata¡logo de sites e taxas de edição de RNA facilitara¡ muito o trabalho futuro."

Estas três espanãcies de cefala³podes foram escolhidas para estudo devido a  sua importa¢ncia passada e futura para a investigação cienta­fica. “Podemos aprender muito sobre um animal sequenciando seu genoma, e o genoma fornece um kit de ferramentas importante para qualquer tipo de investigação futura”, disse Albertin.

Eles estão:

A lula costeira de aleta longa do Atla¢ntico ( Doryteuthis pealeii). Quase um século de pesquisa sobre essa lula no MBL e em outros lugares revelou princa­pios fundamentais de neurotransmissão (algumas descobertas que renderam um Praªmio Nobel). No entanto, este éo primeiro relato da sequaªncia do genoma desta lula bem estudada (em Albertin et al., financiado pela Grass Foundation). Dois anos atrás, uma equipe do MBL conseguiu o primeiro nocaute genanãtico em um cefala³pode usando Doryteuthis pealeii , aproveitando os dados preliminares da sequaªncia gena´mica e a edição do genoma CRISPr-Cas9.

A lula bobtail havaiana ( Euprymna scolopes ). Uma bactanãria brilhante vive dentro de um "órgão de luz" aºnico na lula, para benefa­cio maºtuo de ambos. Esta espanãcie tornou-se um sistema modelo para estudar a simbiose animal-bacteriana e outros aspectos do desenvolvimento. Um projeto de montagem do genoma de E. scolopes foi publicado em 2019 .

O polvo de duas manchas da Califórnia ( Octopus bimaculoides) . Um relativamente recanãm-chegado no bloco de pesquisa cienta­fica, este foi o primeiro genoma de polvo já sequenciado. Albertin co-liderou a equipe que publicou seu projeto de genoma em 2015.