O jogo da evolução scientific american brasil

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(chimpanzé); JOSE LUIS PELAEZ (humano)
Reportagem
edição 73 - Junho 2008
O Jogo da Evolução
Dispositivos do DNA que decidem quando e onde os genes são ativados permitem
aos genomas gerar a grande diversidade de formas animais a partir de um conjunto
muito semelhante de genes
por Sean B. Carroll, Benjamin Prud’homme e Nicolas Gompel
À primeira vista esta lista de animais poderia ser a de um
zoológico qualquer. Há um elefante, um tatu, um gambá, um
golfinho, uma preguiça, um porco-espinho, morcegos grandes e
pequenos, musaranhos, alguns peixes, um macaco Rhesus, um
orangotango, um chimpanzé e um gorila – para citar algumas das
criaturas mais conhecidas. Mas esse zoológico não é nada como
os outros já existentes. É um zoológico “virtual” que contém
apenas as seqüências de DNA desses animais – as centenas de
milhões a bilhões de letras do código do DNA que compõem a
receita genética de cada espécie.
Os visitantes mais animados desse novo zoológico molecular são
os biólogos evolucionistas, já que podem contar com um registro
extenso e detalhado da evolução. Há muitas décadas, cientistas
tentam entender como a grande diversidade de espécies surgiu.
Já sabemos há meio século que as mudanças em características
físicas, da cor do corpo ao tamanho do cérebro, vêm de
mudanças no DNA. No entanto, até recentemente, determinar
precisamente quais mudanças nas vastas seqüências de DNA
foram responsáveis por conferir a cada animal sua aparência
única estava fora de alcance.
Agora, os biólogos estão decifrando os registros de DNA para
localizar as instruções que fazem as diversas espécies ser tão
diferentes umas das outras e nos tornam diferentes dos
chimpanzés. Essa empreitada levou a uma grande mudança em
nossa perspectiva. Durante grande parte dos últimos 40 anos, os
pesquisadores dedicaram a maior parte de sua atenção aos genes
– seqüências de nucleotídeos no DNA que codificam as cadeias de
aminoácidos, que formam as proteínas. Mas, para nossa
surpresa, as diferenças nas aparências acabaram por ser
enganosas: animais muito diferentes possuem conjuntos de
genes muito semelhantes. As trilhas da evolução estão agora nos
levando a dispositivos dentro do DNA que ativam e desativam a

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expressão gênica, que não codificam nenhuma proteína, mas
controlam quando e como os genes são usados. Alterações nesses dispositivos são cruciais para a
evolução da anatomia e fornecem novas visões de como a aparentemente interminável variedade de
formas do reino animal evoluiu.
O Paradoxo da Codificação
Por um longo tempo, os cientistas
certamente esperavam que as variações
anatômicas entre os animais fossem
refletidas por diferenças claras no conteúdo
de seus genomas. Quando comparamos
genomas de mamíferos como o
camundongo, o rato, o cachorro, o homem
e o chimpanzé, no entanto, vemos que
seus respectivos catálogos de genes são
notavelmente similares. O número
aproximado de genes no genoma de cada
animal (cerca de 20 mil) e as posições
relativas de muitos genes se mantiveram
bem constantes em 100 milhões de anos
de evolução. Isso não quer dizer que não
há diferenças no número e na localização
dos genes. Mas, à primeira vista, nada
nesses inventários gênicos diz
“camundongo” ou “cão” ou “humano”. Ao
compararem os genomas do camundongo e
do homem, por exemplo, os biólogos são
capazes de identificar no roedor genes
equivalentes a pelo menos 99% dos nossos.
Quando os biólogos avaliam individualmente os genes, de forma detalhada, a semelhança entre
espécies também é a regra. As seqüências de DNA de duas versões quaisquer de um gene, bem
como as proteínas que codificam, são geralmente semelhantes em um grau que simplesmente reflete
a quantidade relativa de tempo que se passou desde que as duas espécies divergiram de um
ancestral comum. A preservação das seqüências codificantes ao longo da evolução é particularmente
intrigante quando consideramos os genes envolvidos na construção e definição das formas do corpo.
Apenas uma pequena fração de todos os genes – menos de 10% – são responsáveis pela construção
e definição das formas do corpo dos animais durante seu desenvolvimento de um óvulo fertilizado à
forma adulta. O resto está participando de tarefas diárias das células nos diversos órgãos e tecidos.
Diferenças anatômicas entre animais – no número, tamanho, forma ou cor de partes do corpo –
devem de alguma forma envolver genes de construção. Na verdade, o estudo do papel central
exercido na evolução por genes e nos processos associados ao desenvolvimento da anatomia até
ganhou seu próprio apelido: evo-devo (abreviação em inglês para “evolução do desenvolvimento”).
Para os especialistas nessa área de pesquisa, como nós, a descoberta de que as proteínas que
constroem o corpo são ainda mais parecidas na média que outras foi particularmente intrigante por
causa do paradoxo que parece apresentar: animais tão diferentes quanto um camundongo e um
elefante são modelados por um conjunto comum de proteínas de construção muito semelhantes e
funcionalmente indistinguíveis. O mesmo se aplica aos humanos e a nossos parentes vivos mais
próximos – a maioria de nossas proteínas difere das dos chimpanzés em apenas um ou dois das
centenas de aminoácidos que compõem cada uma delas, e 29% de nossas proteínas têm seqüência
exatamente idêntica à deles. Como explicamos essa disparidade na evolução quanto aos níveis de
proteína e à anatomia? Em algum lugar de todo aquele DNA genômico deve haver diferenças
significativas que evoluíram. O difícil é achá-las.
Controlando a Expressão Gênica
Nos humanos, as seqüências codificantes
de proteína do DNA ocupam apenas cerca

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de 1,5% de nosso genoma. Boa parte do
DNA não-codificante não tem função
conhecida, mas algumas das seqüências
participam da tarefa muito importante de
regulação da expressão gênica. E essas
seqüências regulatórias são cruciais para a
evolução.
A expressão de um gene implica a
transcrição de uma seqüência de DNA em
uma versão de RNA mensageiro (mRNA), e
a tradução desse mRNA para uma
seqüência protéica. A expressão da maioria
dos genes é regulada no nível
transcricional – as células não desperdiçam
energia fabricando mRNAs e proteínas de
que não precisam. Muitos genes são, dessa
forma, expressos especificamente em
determinado órgão, tecido ou tipo celular.
Certas seqüências não-codificantes de DNA podem exercer um papel crítico na decisão de quando e
onde isso acontece. Elas são componentes dos dispositivos que ligam ou desligam genes no sítio e
hora corretos. Proteínas ligantes de DNA em seqüências específicas, chamadas fatores de transcrição
(que são os outros componentes desse dispositivo), reconhecem essas seqüências de DNA,
normalmente chamadas de acentuadoras ou promotoras (enhancers). A ligação de fatores de
transcrição à seqüência acentuadora no núcleo celular determina se o dispositivo de expressão e o
gene estão ligados ou desligados naquela célula.
Todo gene contém pelo menos um acentuador. Ao contrário dos genes em si, cujas regiões
codificantes são prontamente identificadas em virtude da gramática bastante simples do código
genético, as regiões acentuadoras não podem ser reconhecidas tendo como base apenas suas
seqüências de DNA, e devem ser identificadas experimentalmente. Geralmente, os acentuadores são
formados por centenas de pares de bases de comprimento e podem estar localizados em qualquer
um dos lados do gene, ou mesmo em uma seqüência não-codificante dentro dele. Eles podem
também estar a milhares de nucleotídeos de distância do gene.
De suma importância para a nossa discussão aqui é o fato de que
alguns genes podem ter muitos acentuadores separados. Isso é
particularmente verdadeiro para genes que codificam proteínas que
definem a anatomia. Cada acentuador regula de forma
independente a expressão do gene em diferentes partes do corpo e
em várias épocas do ciclo de vida do animal, de forma que a
expressão completa do gene é uma colcha de retalhos de vários
locais de expressão controlados independentemente. Esses
acentuadores permitem que o mesmo gene seja utilizado muitas
vezes em diferentes contextos e, assim, expandem enormemente a
versatilidade funcional de genes individuais.
Um gene envolvido na coloração de partes do corpo de uma mosca-
das-frutas ilustra a lógica modular desse sistema de regulação
gênica. O gene batizado confusamente de Amarelo codifica uma
proteína que promove a formação de pigmentação negra (moscas
mutantes, sem essa proteína, são amarelas). O gene Amarelo tem
acentuadores separados que o ativam durante o desenvolvimento
de várias partes do corpo, incluindo as asas e o abdômen.
Uma vez que o gene Amarelo exerce um papel durante o desenvolvimento de tantos tecidos,
mutações do gene em si seriam desastrosas se alterassem ou desativassem a função da proteína,

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pois afetariam o funcionamento da proteína de pigmentação Amarelo em todo o organismo. Por outro
lado, mudanças em apenas um dos acentua-dores do gene afetam apenas a função desse
acentuador e a expressão do gene Amarelo que é governada por ele, sem modificar a expressão e o
funcionamento da proteína em outros tecidos.
As implicações evolutivas da regulação modular de genes de definição das formas do corpo são
profundas. Teoricamente, mutações nos acentuadores permitiriam que traços corporais individuais
fossem seletivamente modificados, sem alterar genes ou proteínas em si. Nos últimos anos, têm
surgido evidências diretas de que é assim que muitas vezes as várias formas e padrões corporais
apareceram.
Dispositivos em Evolução
Uma das estratégias mais importantes na
biologia é identificar os modelos
experimentais mais simples do fenômeno
que se pretende entender. Com relação à
evolução de um determinado padrão
corporal, a cor é o melhor modelo. Padrões
de coloração corporal de mosca-das-frutas
se diversificaram rapidamente entre
espécies proximamente relacionadas, e a
análise de como esses insetos adquiriram
suas manchas e listras ilustra como e por
que a evolução dos dispositivos de ativação genética define a evolução da anatomia.
Em algumas espécies, os machos têm manchas de negro intenso na ponta das asas, enquanto outras
espécies não as têm. Em algumas dessas mesmas espécies, os machos têm o abdômen muito escuro
(que é como a mosca-das-frutas mais famosa, a Drosophila melanogaster, recebeu seu nome:
melanogaster significa “barriga preta”), enquanto machos de outras espécies não possuem essa faixa
negra. Em espécies com asas pintadas, o macho exibe suas pintas para a fêmea quando a corteja
com uma dança. Descobrimos que, em espécies manchadas, a proteína Amarelo é produzida em
níveis muito altos nas células que comporão as manchas e em níveis baixos no resto das células da
asa. Em espécies sem manchas, a Amarelo é produzida em níveis baixos em toda a asa, gerando
apenas um pontilhado claro de pigmento negro.
Para entendermos como a Amarelo é produzida em uma mancha da asa em algumas espécies e não
em outras, buscamos nas seqüências de DNA próximas ao gene Amarelo os acentuadores que
controlam sua expressão em várias partes do corpo. Nas espécies sem manchas, há um acentuador
que estimula a expressão do Amarelo em um padrão baixo e uniforme por toda a asa. Essa atividade
acentuadora na asa gera a coloração cinza claro. Quando a porção correspondente de DNA de uma
espécie manchada foi analisada, descobrimos que ela estimula tanto esse padrão de expressão gênica
de baixa intensidade quanto o padrão intenso de manchas. O que ocorreu no curso da evolução das
espécies manchadas é que novos sítios de ligação para fatores de transcrição produzidos na asa
evoluíram na seqüência acentuadora de DNA do Amarelo. Essas mudanças criaram um padrão de
expressão – manchas na asa – sem alterar onde a proteína Amarelo é fabricada ou como ela funciona
em outros locais do corpo.
Uma história semelhante ocorreu na evolução da faixa preta no abdômen mas com uma diferença.
Embora tenhamos uma tendência natural a pensar que a presença de uma característica em uma
espécie e sua ausência em outra espécie relacionada é o resultado de um ganho pela primeira,
muitas vezes esse não é o caso. O outro lado da moeda na evolução, a perda de características, é
muito comum, apesar de menos conhecida. Talvez a perda de características corporais ilustre melhor
por que a evolução dos acentuadores é o caminho mais provável da evolução da anatomia.
Um acentuador do gene Amarelo comanda sua expressão no abdômen. Em machos de espécies com
a faixa negra, esse acentuador direciona a expressão do gene Amarelo em altos níveis em células da
parte posterior do abdômen. Mas algumas espécies, como a Drosophila kikkawai, perderam essa
faixa pigmentada no curso da evolução. Na D. kikkawai, o acentuador não é mais capaz de estimular

altos níveis de expressão de Amarelo na parte posterior do abdômen porque algumas mutações
degradaram alguns de seus sítios de ligação para fatores de transcrição.
É importante enfatizar que o gene Amarelo permanece ativo no restante do corpo e que sua função
bioquímica está intacta. Embora um dos caminhos para perder a faixa negra pudesse ter sido por
meio de mutações que desativassem o gene Amarelo e sua proteína, essa via não é permitida pela
seleção natural, já que a perda da função da Amarelo em outros lugares do corpo teria
conseqüências adicionais negativas.
A perda de características pode ou não ser benéfica para a sobrevivência ou maior sucesso
reprodutivo, mas algumas perdas são adaptativas porque facilitam alguma mudança no estilo de
vida. Membros posteriores, por exemplo, foram eliminados várias vezes no caso de vertebrados –
como cobras, lagartos, baleias e peixes-boi –, e essas perdas estão associadas à adaptação a
diferentes hábitats e meios de locomoção. Os precursores evolutivos dos membros posteriores dos
vertebrados são as barbatanas pélvicas dos peixes. Diferenças cruciais na anatomia delas também
evoluíram em populações de peixes proximamente relacionadas. O peixe-espinho aparece em duas
formas em muitos lagos da América do Norte – em águas profundas, sua pelve é completamente
coberta de espinhos; aqueles que vivem no assoalho de águas rasas tiem a pelve dramaticamente
reduzida e os espinhos, atrofiados. Em águas profundas, os espinhos ajudam a impedir que o peixe
seja engolido por predadores maiores. No entanto, no assoalho do lago, esses espinhos são um ponto
fraco, pois larvas de libélula que se alimentam dos peixes jovens conseguem agarrá-los.
As diferenças na morfologia da pelve entre esses peixes evoluíram repetidas vezes em apenas 10 mil
anos desde a última era glacial. Grandes peixes-espinho oceânicos colonizaram muitos lagos
separados, e a variedade com pelve reduzida evoluiu de forma independente diversas vezes. Como
esses peixes são muito próximos e conseguem ter reprodução interespécies em laboratório, os
geneticistas podem mapear os genes envolvidos na redução da pelve. David M. Kingsley, da Stanford
University, juntamente com Dolph Schluter, da University of Bristish Columbia e seus colegas,
demonstraram que mudanças na expressão de um gene envolvido na construção do esqueleto da
pelve estavam associadas à sua redução. Como a maior parte dos outros genes de construção
corporal, o Pitx1 tem várias funções no desenvolvimento do peixe. Mas sua expressão é perdida de
forma seletiva na área do peixe que dará origem ao broto da barbatana pélvica e seus espinhos. Mais
uma vez, mudanças evolutivas em um acionador são as responsáveis. Não há mudanças codificantes
na proteína Pitx1 entre as diferentes formas de peixe-espinho.
O Amarelo, o Pitx1 e a maioria dos outros genes de construção e definição das formas do corpo são
pleiotrópicos, ou seja, influenciam a formação e o aparecimento de várias características. Mutações
na seqüência codificante de um gene pleiotrópico provocam uma série de efeitos em todas as
características controladas por ele, e é improvável que uma quantidade drástica de mudanças seja
tolerada pela seleção natural. A lição crucial da evolução de pintas, faixas e esqueletos é que as
mutações em seqüên-cias regulatórias contornam os efeitos pleiotrópicos em seqüências codificantes
e permitem uma modificação de partes individuais do corpo. Mutações nas seqüências regulatórias
não são o único modo de evolução – são apenas a via mais provável quando um gene tem vários
papéis e um deles é modificado seletivamente.
Genes em Comum, Variedade sem Fim
A evolução dos acentuadores não está, de forma alguma, limitada aos genes que afetam a forma
corporal, nem apenas a moscas-das-frutas e peixes estranhos. Uma série de exemplos de mudanças
evolutivas em seqüências regulatórias que alteram a expressão gênica foi demonstrada para
características humanas também.
Um dos casos mais impressionantes na evolução humana recente representa uma adaptação, por
meio da perda seletiva da expressão de um gene, a um ambiente onde a malária é endêmica. Além
dos familiares tipos de sangue A, B e O, outros considerados secundários têm sido bastante
estudados. A condição de uma proteína chamada Duffy, presente na superfície de glóbulos vermelhos
sangüíneos, define um desses tipos. A proteína Duffy constitui parte do receptor que é utilizada por
um parasita que provoca a malária, o Plasmodium vivax, para infectar os glóbulos vermelhos. Mas,

TAMI TOLPA
na África ocidental, a proteína está ausente das células sangüí-neas de quase 100% da população,
tornando as pessoas resistentes à infecção. O gene Duffy é também expresso em vários outros
tecidos corporais, inclusive por células do baço, rins e cérebro. Na população africana, a expressão do
Duffy nesses outros tecidos está preservada. Não surpreendentemente, essas pessoas Duffy-
negativas portam uma mutação em um acentuador do gene Duffy que elimina o sítio de ligação para
um fator de transcrição que ativa a expressão desse gene nos precursores das hemácias, mas não
tem efeitos na produção da Duffy em outros locais do corpo.
Gregory A. Wray, da Duke University, e seus colaboradores identificaram outros aspectos da biologia
humana que evoluíram por meio de mutações em acentuadores de diversos genes humanos. Uma
das associações mais intrigantes revelada até agora engloba a divergência nas seqüências
regulatórias humana e dos grandes primatas que controlam o gene Prodinorfina, que codifica um
conjunto de pequenas proteínas opióides produzidas no cérebro e que atuam na percepção,
comportamento e memória. O gene humano é levemente mais expresso em resposta a estímulos que
a versão do chimpanzé, e fortes evidências sugerem que a seqüência regulatória humana evoluiu sob
seleção natural – ou seja, foi mantida por ser vantajosa.
Como os exemplos ilustram, mutações no DNA regulatório indubitavelmente exerceram um papel na
evolução humana, e a variação regulatória também pode ser uma fonte importante de diferenças
físicas e de saúde entre as pessoas. Já que os cientistas não podem manipular o DNA de humanos
vivos como o fazem com moscas e peixes, é mais difícil estudar certos exemplos de mudança em
DNA regulatório responsáveis por nossa divergência de outras espécies, embora alguns novos
métodos de análise genômica estejam produzindo resultados iniciais animadores.
Ainda estamos no início da pesquisa acerca da evolução das seqüências de DNA reguladoras de
genes. Centenas de milhares de dispositivos de expressão genética no zoológico virtual de genomas
ainda estão para ser descobertos ou investigados. No entanto, biólogos já estão aprendendo novos
princípios: mudanças evolutivas na anatomia, particularmente as que envolvem genes pleiotrópicos,
ocorrem mais provavelmente via mudanças em acentuadores gênicos que nos genes em si.
Esse fenômeno também revela como muitos grupos diversos de animais podem compartilhar a
maioria, se não todos, os genes envolvidos na construção e definição das formas do corpo. Ao
contrário das expectativas iniciais dos cientistas, a questão é, principalmente, como e quando esses
genes são usados para moldar as diferentes formas do reino animal. Se realmente quisermos
entender o que faz as formas humanas diferentes daquelas de outros primatas e o que torna um
elefante distinto de um camundongo, grande parte da informação não está em nossos respectivos
genes e proteínas, mas em um domínio completamente diferente de nossos genomas que permanece
inexplorado.
CONCEITOS-CHAVE
- Uma vez que os genes codificam as instruções para a constituição do corpo dos animais, os
biólogos esperavam encontrar diferenças genéticas significativas entre eles, refletindo sua grande
diversidade de formas. Mas, na verdade, descobriram que animais muito diferentes possuem genes
muito semelhantes.
- Mutações em dispositivos que controlam a expressão de genes que definem as formas do corpo, e
não nos genes em si, têm sido uma fonte significativa de diferenças evolutivas entre animais.
- Se os humanos quiserem entender o que distingue os animais, incluindo nós mesmos, uns dos
outros, será preciso olhar além dos genes.
– Os editores
DETECTANDO O DISPOSITIVO
Para entenderem quando e onde um acentuador regula a expressão
de um gene, os cientistas montam um fragmento de DNA contendo
a seqüência do acentuador e um gene indicador que produzirá um
sinal visível quando estiver ativo. Depois que essa montagem de

DNA é injetada em um embrião de uma única célula, passa a
integrar o genoma do animal e estar presente em todas as células
do corpo em desenvolvimento. A ativação do gene indicador revela
o papel do acentuador em processos de construção corporal durante
o desenvolvimento.
Em Busca de Dispositivos
Um dos principais limitadores do ritmo de descoberta de acentuadores humanos tem sido a
dificuldade de identificar onde eles residem nas vastas regiões não-codificantes do genoma humano.
Os biólogos têm agora usado o poder de preservação da seleção natural para farejar seqüências de
DNA não-codificante que ficaram surpreendentemente bem conservadas ao longo das grandes
escalas do tempo evolutivo, na esperança de detectar acentuadores.
Nesse artigo, enfatizamos mudanças em acentuadores que explicam diferenças entre organismos.
Mas é fácil perceber que alguns executam funções que não se modificaram. Enquanto o ritmo
constante das mutações corrói a semelhança geral entre as seqüências de DNA de diferentes
espécies à medida que divergem, a seleção natural mantém as seqüências de acentuadores que
conserva sua função, algumas vezes em um grau extraordinário.
O senso comum diz que os advogados e os tubarões têm muitas semelhanças. Mas quem adivinharia
que as semelhanças vão até o nível do DNA? Isso é basicamente o que pesquisadores do Instituto de
Biologia Celular e Molecular de Cingapura e do Craig Venter Institute em Rockville, Maryland,
demonstraram. A equipe mostrou que apesar dos mais de 500 milhões de anos que separam os
tubarões dos humanos, compartilhamos quase 5 mil elementos em regiões não-codificantes próximas
a genes que aparentam ser acentuadores. Notavelmente, a maioria desses elementos altamente
preservados está localizada na vizinhança de genes de construção corporal, refletindo a arquitetura
corporal geral compartilhada pelos vertebrados.
Todo vertebrado tem características anatômicas – órgãos, tecidos, tipos celulares, e assim por diante
– que foram preservadas durante sua diversificação. Em distâncias evolutivas mais curtas, o número
de elementos compartilhados e o grau de semelhança aumentam.
A comparação de genomas está, portanto, rapidamente expandindo o catálogo de acentuadores
conhecidos de humanos, mamíferos e vertebrados, e pode levar à identificação de seqüências
envolvidas na divergência de formas corporais. – S. B. C., B. P. e N. G.
PARA CONHECER MAIS

Evolution at two levels: on genes and form.Sean B. Carroll, em PLoS Biology, vol. 3, no 7, págs.
1159-1166, julho de 2005.
Endless forms most beautiful: the new science of evo devo and the making of the animal
kingdom. Sean B. Carroll. W. W. Norton, 2005.
The making of the fittest: DNA and the ultimate forensic record of evolution.Sean B. Carroll.
W. W. Norton, 2006.
The evolutionary significance of cis-regulatory mutations. Gregory A. Wray, em Nature
Reviews Genetics, vol. 8, págs. 206-216, março de 2007.
Emerging principles of regulatory evolution.Benjamin Prud’homme, Nicolas Gompel e Sean B.
Carroll, em Proceedings of the National Academy of Sciences USA, vol. 104, Suplemento 1, págs.
8605-8612, 15 de maio de 2007.
Para links para recursos didáticos, acesse www.seanbcarroll.com
Sean B. Carroll, Benjamin Prud’homme e Nicolas Gompel trabalharam juntos por muitos anos
para decifrar como a evolução de seqüências regulatórias de DNA define a morfologia animal.
Carroll é pesquisador do Howard Hughes Medical Institute, professor de biologia molecular da
University of Wisconsin – Madison e autor de dois livros populares sobre evolução. Prud’homme e
Gompel, ambos ex-alunos de pós-doutorado do laboratório de Carroll, agora estudam a evolução
de formas e comportamento animal em seu próprio laboratório na França, no Instituto de Biologia
do Desenvolvimento de Marselha Luminy.
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