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Estudos do genoma de lulas e polvos revelam como as características únicas dos cefalópodes evoluíram
Os cientistas investigaram o genoma dos cefalópodes para entender como esses animais incomuns surgiram. Ao longo do caminho, eles descobriram que os genomas dos cefalópodes são tão estranhos quanto os animais.
Por Laboratório Biológico Marinho - 04/05/2022


A lula costeira do Atlântico, Doryteuthis pealeii, tem sido estudada por quase um século por cientistas como um sistema modelo para investigações em neurociência. Crédito: Elaine

Lulas, polvos e chocos – mesmo para os cientistas que os estudam – são criaturas maravilhosamente estranhas. Conhecidos como cefalópodes de corpo mole ou coleoides, eles têm o maior sistema nervoso de qualquer invertebrado, comportamentos complexos, como camuflagem instantânea, braços cravejados de ventosas hábeis e outros traços evolutivamente únicos.

Agora, os cientistas investigaram o genoma dos cefalópodes para entender como esses animais incomuns surgiram. Ao longo do caminho, eles descobriram que os genomas dos cefalópodes são tão estranhos quanto os animais. Cientistas do Laboratório Biológico 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 Califórnia, Berkeley, relataram suas descobertas em dois novos estudos na Nature Communications .

"Cérebros grandes e elaborados evoluíram algumas vezes", disse a coautora Caroline Albertin, bolsista Hibbitt do MBL. "Um exemplo famoso são os vertebrados. Outro são os cefalópodes 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 cefalópodes, 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 espécies de cefalópodes – duas lulas ( Doryteuthis pealeii e Eupprymna scolopes ) e um polvo ( Octopus bimaculoides ).

Sequenciar esses três genomas de cefalópodes, não importa compará-los, foi um esforço 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 é fornecer conjuntos cromossômicos de nada menos que três genomas de cefalópodes, todos disponíveis para estudo no MBL", disse o coautor Clifton Ragsdale, professor de Neurobiologia e de Biologia e Anatomia. na Universidade de Chicago.

"Assemblies de nível cromossômico nos permitiram refinar melhor quais genes estão lá e qual é sua ordem, porque o genoma é menos fragmentado", disse Albertin. "Então agora podemos começar 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 características em cefalópodes de corpo mole é mediada, em parte, por três fatores:

reorganização maciça do genoma dos cefalópodes no início da evolução

expansão de famílias 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 cefalópodes "está incrivelmente 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 gênica . A equipe descobriu que os rearranjos do genoma resultaram em novas interações que podem estar envolvidas na fabricação de muitos dos novos tecidos de cefalópodes, 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 cefalópodes, o genoma passou por explosões 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 traços evoluam. "

O que há de tão impressionante nos genomas de cefalópodes?

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

Eles são grandes. O genoma de Doryteuthis é 1,5 vezes maior que o genoma humano, e o genoma do polvo é 90% do tamanho de um humano.

Eles estão mexidos. "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 cefalópodes de corpo mole envolveu mudanças de genoma igualmente massivas, mas as mudanças 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 começar a perguntar como as mudanças em larga escala do genoma podem estar subjacentes às características únicas que cefalópodes e vertebrados compartilham, especificamente sua capacidade de corpos grandes com cérebros desproporcionalmente grandes”, disse Ragsdale.

Surpreendentemente, eles descobriram que os três genomas dos cefalópodes são altamente rearranjados um em relação ao outro – assim 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 pareçam ter histórias evolutivas muito separadas”, disse Albertin. "Este resultado emocionante sugere que os rearranjos dramáticos nos genomas dos cefalópodes produziram novas ordens de genes que foram importantes na evolução da lula e do polvo".

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

Certas famílias de genes são extraordinariamente expandidas . "Um exemplo emocionante disso são os genes da protocaderina", disse Albertin. "Cefalópodes e vertebrados duplicaram independentemente suas protocaderinas, ao contrário de moscas e nematóides, que perderam essa família 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 cefalópodes. ."

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

Edição de RNA: outra flecha na aljava para gerar novidade

Pesquisas anteriores do MBL mostraram que lulas e polvos apresentam uma taxa extraordinariamente alta de edição de RNA , o que diversifica os tipos de proteínas 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 sequência de uma proteína para ser restrita ao sistema nervoso, particularmente no cérebro e no lobo da fibra gigante", disse Albertin.

"Este catálogo de edição em diferentes tecidos fornece um recurso para fazer perguntas de acompanhamento sobre os efeitos da edição. Por exemplo, a edição de RNA está ocorrendo para ajudar o animal a se adaptar a mudanças de temperatura ou outros fatores ambientais? Junto com as sequências do genoma , ter um catálogo de sites e taxas de edição de RNA facilitará muito o trabalho futuro."

Por que esses cefalópodes fizeram o corte?

Estas três espécies de cefalópodes foram escolhidas para estudo devido à sua importância passada e futura para a investigação científica. “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 Atlântico ( Doryteuthis pealeii). Quase um século de pesquisa sobre essa lula no MBL e em outros lugares revelou princípios fundamentais de neurotransmissão (algumas descobertas que renderam um Prêmio Nobel). No entanto, este é o primeiro relato da sequência 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 genético em um cefalópode usando Doryteuthis pealeii , aproveitando os dados preliminares da sequência genômica e a edição do genoma CRISPr-Cas9.

A lula bobtail havaiana ( Euprymna scolopes ). Uma bactéria brilhante vive dentro de um "órgão de luz" único na lula, para benefício mútuo de ambos. Esta espécie 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 recém-chegado no bloco de pesquisa científica, este foi o primeiro genoma de polvo já sequenciado. Albertin co-liderou a equipe que publicou seu projeto de genoma em 2015.

 

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