Um objetivo crítico em genanãtica e evolução éprever os efeitos de mutações que podem acontecer no futuro e inferir os efeitos daquelas que aconteceram no passado. Para fazer essas previsaµes, os cientistas geralmente assumem que os efeitos de uma mutação testados no presente se aplicam a versaµes passadas e futuras do mesmo gene.

Essa suposição acaba sendo errada para a maioria das mutações, mostra um novo estudo realizado por cientistas da Universidade de Chicago. Ao combinar técnicas de ponta em bioquímica experimental e reconstrução evolutiva de protea­nas antigas, o estudo mediu diretamente como os efeitos de cada mutação possí­vel em um gene biologicamente essencial mudaram ao longo de 700 milhões de anos de evolução. Amedida que o gene evoluiu, os efeitos da maioria das mutações mudaram de forma constante e aleata³ria, muitas vezes mudando de altamente prejudiciais para inconsequentes, ou vice-versa.

Essa deriva constante torna impossí­vel prever com segurança os efeitos da maioria das mutações no futuro ou no passado. As descobertas também implicam que o destino potencial de uma mutação durante a evolução édeterminado não apenas pela seleção natural, mas também pelo conjunto particular de eventos casuais que aconteceram durante a história do gene. Esses eventos determinam o efeito que cada mutação tem em cada momento e, portanto, a probabilidade de que ela seja incorporada ao gene durante a evolução.

"Muitas pessoas pensam que a seleção natural otimizou todos os nossos genes para fazer o melhor trabalho possí­vel", disse Joseph Thornton, Ph.D., Professor de Ecologia e Evolução e Genanãtica Humana na UChicago, e autor saªnior do estudo. “Nossos resultados mostram que os genes atuais são o resultado de uma cascata particular de eventos aleata³rios, mas consequentes, cada um dos quais determinando os pra³ximos passos que a evolução poderia dar em cada momento da história”.

O estudo, "Epistatic drift causa decla­nio gradual da previsibilidade na evolução das protea­nas", foi publicado em 20 de maio na Science .

Para realizar o primeiro estudo abrangente demudanças nos efeitos de mutações ao longo do tempo, Thornton e sua equipe - primeiro autor e estudante de pós-graduação Yeonwoo Park e cientista pesquisador Brian PH Metzger, Ph.D. - combinaram técnicas de ponta de dois campos. Eles se concentraram em uma familia de genes que codificam os receptores de horma´nios estera³ides. Essas protea­nas intracelulares regulam os efeitos do estrogaªnio, testosterona e cortisol na reprodução, desenvolvimento, imunidade e uma ampla gama de ca¢nceres e outras doena§as. Os receptores, encontrados em quase todos os animais hoje, evolua­ram de um aºnico ancestral comum hácerca de 700 milhões de anos.

Usando uma técnica pioneira no laboratório de Thornton , a equipe primeiro reconstruiu o gene para o ancestral de toda a fama­lia, rastreando computacionalmente a evolução para trás na a¡rvore da vida, a partir de um enorme banco de dados de genes receptores atuais. Eles também reconstrua­ram uma sanãrie de outros oito genes na familia que ocorreram em vários momentos entre aquele ancestral profundo e o presente. Eles sintetizaram DNA para cada um desses genes antigos para que pudessem estuda¡-los experimentalmente em seu laboratório.

Comea§ando com esses genes antigos, eles usaram uma nova técnica bioquímica chamada varredura mutacional profunda, que mede simultaneamente os efeitos de coleções massivas de mutações. O estudante de pós-graduação Park, usando uma estratanãgia que ele e Metzger desenvolveram, projetou todas as mutações possa­veis em todos os locais da sequaªncia genanãtica de todos os nove receptores reconstrua­dos — um total de mais de 25.000 mutações. Eles incorporaram essas bibliotecas mutantes em levedura e, em seguida, usaram uma tecnologia baseada em laser chamada classificação de células ativadas por fluorescaªncia acoplada ao sequenciamento (Sort-seq) para medir a capacidade de cada mutante de realizar sua função biológica .

Com esse enorme conjunto de dados, os pesquisadores rastrearam como o efeito de cada mutação mudou ao longo do tempo evolutivo profundo. Essa mudança de efeito pode acontecer porque o impacto de uma mutação em um local de um gene a s vezes depende do estado em outros locais, um fena´meno chamado epistasia. Se os locais epista¡ticos mudarem a  medida que um gene evolui, os efeitos das mutações com as quais ele interage em outros locais também mudara£o.

Embora a existaªncia de interações epista¡ticas seja bem conhecida, a extensão em que elas afetam o curso da evolução nunca foi amplamente estudada. As principais teorias evolutivas assumem que a epistasia érara, então os efeitos da maioria das mutações permanecem constantes ao longo do tempo. Como resultado, acredita-se que a evolução seja amplamente previsível no futuro osou retrospectivamente interpreta¡vel no passado oscom base em experimentos genanãticos realizados no presente.

“Ficamos surpresos com o quanto difundida éa deriva epista¡tica e também com o quanto gradual e constante ela parece ser”, disse Park, estudante de doutorado em Genanãtica, Gena´mica e Biologia de Sistemas. "Grandes saltos episãodicos eram raros. Algumas mutações derivam rapidamente, outras mais lentamente, mas cada uma esquece progressivamente os efeitos que teve no ancestral e, no futuro, acabara¡ esquecendo os efeitos que tem hoje."

Um benefa­cio prático do trabalho da equipe éque ele oferece aos cientistas uma maneira de quantificar a imprevisibilidade futura usando experimentos. Thornton apontou o SARS-CoV2 como exemplo.

"Novas variantes do va­rus estãosurgindo constantemente, e gostara­amos de prever se elas provavelmente sera£o perigosas ou se tornara£o perigosas com mais mutações", disse Thornton. "Nossos resultados significam que uma varredura mutacional profunda em uma versão do va­rus não pode produzir previsaµes confia¡veis ​​a  medida que o va­rus se afasta gradualmente dessa versão antiga. Mas se tivermos uma sanãrie desses experimentos no va­rus ao longo do tempo - como o realizamos para receptores de horma´nios esteroides - saberemos o quanto o efeito de cada mutação provavelmente mudara¡ em um determinado período de tempo evolutivo. Isso significa que podemos expressar exatamente o quanto confiantes devemos estar quando prevemos o efeito de qualquer mutação em qualquer va­rus futuro."

Thornton e Park estãoatualmente expandindo o estudo para caracterizar não apenas mutações únicas, mas também todos os pares possa­veis de mutações que poderiam ter ocorrido nos receptores. Esses experimentos osque abrangem milhões em vez de milhares de mutações ospermitira£o a  equipe dissecar todas as interações genanãticas que causaram a deriva epista¡tica durante a evolução de longo prazo da familia do receptor.

"Este novo projeto ira¡ revelar as causas da deriva epista¡tica que descobrimos no primeiro estudo", disse Park. “Esperamos que ele nos mostre como a evolução émoldada pelo conjunto macia§o de interações genanãticas em um receptor ou qualquer outra protea­na oscomomudanças em cada local do gene alteram o efeito biola³gico demudanças em todos os outros locais e, assim, reconectam sua potencial evolutivo ao longo do tempo."