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Em um novo estudo, pesquisadores do Stowers Institute for Medical Research identificaram um punhado de variações em uma sequência de aminoácidos crítica para reter a função ancestral de um gene ao longo de 600 milhões de anos de evolução.
A grande descoberta detalhada em artigo publicado online em 12 de novembro de 2020, em Genes e desenvolvimento, fornece insights importantes sobre a evolução das redes reguladoras de genes que impulsionam a diversidade entre os organismos e mostra que pequenas diferenças nas sequências de proteínas chave podem levar a grandes mudanças evolutivas.
“Geralmente, entende-se que a duplicação e a divergência de genes permitem que os genes assumam novas funções, enquanto os genes essenciais são preservados e permanecem inalterados durante a evolução”, disse o pesquisador Robb Krumlauf, PhD. Stowers. “Mas não está claro como a variação nas proteínas, os blocos de construção da vida, afeta esse processo.”
O Laboratório Krumlauf no Stowers Institute usou uma análise funcional cruzada de espécies do lábio O gene Hox na mosca da fruta e genes relacionados no camundongo para explorar esta questão.
O estudo usou tecnologias modernas de edição de genes, incluindo CRISPR / CAS9, para substituir o lábio O gene Hox na mosca da fruta com os três genes relacionados no camundongo: HOXA1, B1 e D1. Os pesquisadores descobriram que substituir a função labial por HOXA1 em moscas de fruta restaura sua função original, mas B1 e D1 não, sugerindo que A1 retém a função ancestral, enquanto B1 e D1 divergem.
“Em 600 milhões de anos de evolução, apenas um gene reteve a atividade ancestral”, diz Narendra Pratap Singh, PhD, principal pesquisador associado do Laboratório Krumlauf e primeiro autor do artigo. “Os outros genes evoluíram e adquiriram uma nova função. Foi uma grande surpresa.”
Os pesquisadores identificaram uma sequência de seis aminoácidos crítica para a função ancestral de A1, que é importante para modular as interações com outras proteínas. Também surpreendente foi o fato de que a sequência representa apenas 2% do total de aminoácidos na proteína, sugerindo que pequenas diferenças em certas regiões-chave podem ter um grande impacto na função da proteína.
“Diferenças sutis e aparentemente inócuas na sequência de proteínas podem afetar profundamente o curso da evolução”, disse o pesquisador Kausik Si, PhD, autor do estudo de Stowers. “Além disso, na evolução da função da proteína, tendemos a nos concentrar no que é conservado. Este estudo sugere que devemos começar a prestar atenção às pequenas diferenças, porque algumas das biologias mais interessantes estão escondidas nas pequenas diferenças.” .
Em camundongos, HOXB1 parece ter evoluído para ter uma nova função em vertebrados para permitir uma maior diversidade na expressão facial e comportamento alimentar não encontrado em invertebrados. Mutações em B1 em camundongos e humanos afetam a morfologia facial, o desenvolvimento neuronal e a função nervosa. Em humanos, a síndrome de Mobius, uma condição neurológica que causa falta de expressões faciais, às vezes está associada a mutações B1.
O estudo é baseado em mais de três décadas de trabalho com os genes Hox, uma família de genes “planejadores mestres” que controlam a distribuição do embrião em desenvolvimento da cabeça à cauda. A descoberta seminal de Krumlauf de que os genes Hox são essencialmente os mesmos em ratos e moscas-das-frutas ajudou a estabelecer a ideia de que existe um conjunto de ferramentas genéticas comum e que muitos organismos têm genes notavelmente semelhantes. Estudos de laboratório comparativos em ratos, pintos e peixes-zebra e, mais recentemente, lampreia marinha, continuam a fornecer informações críticas sobre como diferentes espécies usam o mesmo conjunto de ferramentas genéticas para formar estruturas diversas. Fatores de transcrição Hox são adequados para investigações de duplicação e divergência de genes devido à sua expansão de invertebrados para mamíferos.
O trabalho abre caminho para estudos adicionais sobre a evolução da atividade da proteína, bem como uma maior exploração do papel dos genes do kit de ferramentas conservados após a duplicação e divergência de genes.
“Acho que estamos prontos para explorar os pontos fortes emergentes da biologia estrutural, análise funcional e engenharia do genoma”, disse Krumlauf. “Podemos realmente perguntar: ‘Esse papel é conservado em outros invertebrados? Esse gene ou proteína está realmente fazendo a mesma coisa ou desenvolveu funções inteiramente novas?’ Eu acredito que uma nova era de análise agora é possível graças ao poder da edição de genes. “
Outros colaboradores do estudo incluem Bony De Kumar, PhD, Ariel Paulson, Mark E. Parrish, PhD, Ying Zhang, PhD, Laurence Florens, PhD e Joan Conaway, PhD. Este trabalho foi financiado pelo Stowers Institute for Medical Research.
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Traduzido de Science Daily
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