Palestra de Divulgacao de Evo-Devo

A importância da Evo-Devo no entendimento do processo

evolutivo

Rodrigo Nunes da Fonseca

Universität zu Köln 2004-2009 (setembro)

UFRJ - Campus Macaé10.12.09

Junção dos conhecimentos de evolução, genética e desenvolvimento embrionário em um campo de estudo comum

(Evo-Devo), Biologia Evolutiva do Desenvolvimento

1991

Evolution andDevelopment budget

NSF

1999 2009

250.000

1.600.000

10.000.000

- No Brasil poucos, quase nenhum, grupo atua estudando Evo-Devo.

Estrutura da palestra

• Histórico• Definições - teoria

• Grandes questões em Evo-Devo• Exemplos de trabalhos importantes na área

Histórico- von Baer (1822) – era um fixista mas fez importantes estudos de embriologia em diversos organismos.

- Ernst Haeckel (1866 e depois)– Autor da idéia que a seqüência (temporal) da formação de um organismo é reflexo de sua história filogenética (“biogenenic law”). Assim, características morfológicas que aparecem especificamente em um grupo apareceriam depois (temporalmente) que características gerais.

Mérito de Haeckel: Um dos principais defensores do Darwinismo e que trouxe a idéia da evolução para o desenvolvimento embrionário na Alemanha. O principal problema de seus estudos e conclusões é uma total tendência a evolução como um mecanismo de melhoramento (linha reta) a partir da adição terminal.

Fim do século XIX - Insatisfação geral com a “biogenic law” por vários motivos, entre eles:1) Havia uma limitação técnica na análise Evolutiva da Embriogênese.

2) Era um método apenas observativo com hipóteses intestáveis. Hans Driesch e Wilhem Roux começaram o programa de estudo de BIOLOGIA DO DESENVOLVIMENTO. Busca do mecanismo CAUSAL que explica um determinado fenômeno, por exemplo: Como o mecanismo de diferenciacao ocorre durante a embriogênese? SEPARACAO DA EMBRIOLOGIA E DA EVOLUCAO !

1.5 Similarities/differences among different vertebrate embryos through development

Hans Spemann (1901-1935) – Entwicklungsmechanik –Biologia do Desenvolvimento

- A descoberta de que um grupo de células teria capacidade de organizar novas estruturas foi um grande impulso na área de Biologia do Desenvolvimento.

- Questão óbvia, como essas células induzem essa nova cabeça?

Histórico- Genética (primeira metade do século 20 - Mendel, Wilson e Morgan - fusão da genética mendeliana com a teoria da presença do material genético nos cromossomos

-

E.B. Wilson

Thomas Hunt Morgan

- Genética mendeliana é quantitativa, podem-se contar e obter estimativas a partir de cruzamento, por exemplo

Histórico- No final da década de 70 e início da década de 80 a junção da Genética, Embriologia e Evolução comeca a acontecer por diversos fatores.- Gould – Ontogenia e Filogenia (1977) – heterocronia

- “Francois Jacobs” - (1977) - Propôs que na verdade as novidades morfológicas surgiriam a partir de sistemas regulatórios já existentes - “Evolution acts as tinkering”.

- King and Wilson (1977) - Sequenciaram proteínas de vários primatas e observaram que não haviam diferencas entre estas seqüências codificantes. Propuseram então que as diferencas morfológicas entre os primatas seriam na regulacao da producaodas proteínas responsáveis pelo desenvolvimento e não nas proteínas propriamente ditas. - Surgimento de técnicas de estudo a nível molecular, tais como sequenciamentode proteínas e ácidos nucleicos, bem como localizacao de transcritos in situ.

- Genes que atuam durante o desenvolvimento embrionário são conservados entre os diferentes animais (Drosophila a camundongo) – Genes Hox década de 80.

- Necessidade de se estudar o desenvolvimento embrionário não somente dos organismos-modelo.

O problema da Evo-Devo – os organismo-modelo são muito poucos e muitas vezes derivados filogeneticamente em relação ao vasto número de espécies que existem

- A falta do conceito de ancestral comum em artigos de Biologia do Desenvolvimento

Diversas técnicas moleculares e vários organismos são utilizados em estudos de Evo-Devo

Análise da expressão gênica permite a identificação de diferentes territórios celulares

RNAs mensageiros marcados com diferentes cores (vermelho e marrom). Em azul um marcador de DNA (DAPI).




• Darwin propôs no seu livro “A Origem das Espécies” que os mais aptos sobreviveriam a partir da seleção natural.

Perguntas gerais que rodeiam a Evo-Devo:

As principais perguntas que a Evo-Devo tenta responder são:

1) Qual o mecanismo genético que levou este organis mo hipotético a se

transformar no mais APTO e estar vivo hoje?

2) Como os mecanismos evolutivos afetam o desenvolv imento embrionário do indivíduo?

3) Como as propriedades dos sistemas de desenvolvim ento afetam oprocesso evolutivo?

4) Como as novidades evolutivas surgiram? Por exemp lo, como surgiram os ferroes das centopéias? Qual o mecanismo molecul ar responsável por essa mudança morfológica?


• Histórico• Definições – teoria • (Sean Carroll, David Stern, Scott Gilbert, Günter Wagner, Wallace Arthur,

Greg Wray)


Um caminho para teoria:

- Oito princípios que definem a Evo-Devo:

(1) Pleiotropia - A maior parte das proteínas envolvidas na regulação do desenvolvimento participam de múltiplos e independentes processos na formação e padronização de estruturas morfológicas bem distintas.

• (2) Complexidade Genética Ancestral • - Animais morfologicamente bem diferentes (principalmente quando

adultos) e que divergiram a partir de um ancestral comum muitos milhões de anos atrás possuem um constituinte genético (“toolkit -caixa de ferramentas) muito similar de genes responsáveis pela padronização do corpo.

Genes do complexo Hox são responsáveis pela padronização do eixo antero-posterior em todos os animais bilaterais investigados até hoje

Drosophila

camundongo

Não apenas a ordem dos genes do complexo Hox é conservada, mas também a posição dos reguladores destes genes, como os microRNAs

Genes Hox podem estar envolvidos com a expansao da regiao torácica em serpentes quando comparados com outros organismos (com galinhas, por exemplo)

HoxC8 (azul)

Hoxc6 (vermelho)

Genes Hox se ligam a regiões regulatórias (DNA) de vários genes-alvo específicos para cada região do corpo e cada gene Hox

• (3) Equivalência funcional de ortólogos distantes e parálogos

Vários experimentos demonstraram que genes provenientes de organismos cujo ancestral comum viveu a mais de 500 milhões de anos atrás podem ter funções equivalentes quando trocados.

O resultado mostra que os ortólogos do gene com homeobox Pax6 são capazes de induzir a formação de um olho funcional nas moscas-da-fruta.

Veja bem - o gene de camundongo quando expresso na mosca gera um olho de mosca e não um olho de camundongo!!!

• (4) Homologia profunda (Deep Homology)

A formação e a diferenciação de muitas estruturas como olhos, coração e membros são tão diferentes entre as diversas espécies que acredita-se originalmente que teriam evoluído completamente independente, incluindo a partir de mecanismos moleculares distintos, mas hoje em dia sabe-se que são controlados por conjuntos de genes similares e circuitos regulatórios extremamente conservados.

- (5) Duplicações gênicas não parecem ser o principalmotor da evolução (esta hipótese é a mais discutida de todas as premissas da Evo-Devo).

Duplicações gênicas (de genes responsáveis pelo desenvolvimento embrionário) são bastante raras ao longo da evolução dos animais. Isto indica que a duplicação gênica não é um ingrediente essencial para o aparecimento de inovações morfológicas. Muitas vezes duplicações gênicas de genes importantes são eliminadas devido a problemas de efeito-dosagem nos processos de desenvolvimento.

Contrariando a hipótese de que as duplicações gênicas não são importantes, o gene mais importante para a formação da regiao anterior da Drosophila, Bicoid surgiu como uma duplicação gênica em Dipteros derivados


• Histórico• Definições – teoria • (Sean Carroll, Scott Gilbert, David Stern, Günter Wagner, Wallace Arthur,

Greg Wray)


(6) Heterotopia, Heterocronia, Heterometria, Heterotipia - tipos de mudanças associadas com divergência morfológica

Heterotopia - Mudança no local da expressão gênica.

Heterocronia - Mudança no momento da expressão gênica (tempo)

Heterometria - Mudança na quantidade da expressão de um determinado gene

Heterotipia - mudança no tipo da molécula (mudanças não-regulatórias, na seqüência codificante do gene)

Expressão do inibidor de BMP Gremlin é necessária para evitar a apoptose da região de interdígitos que ocorre em galinhas e não em patos.

Heterotopia - Mudança no local da expressão gênica

Adição de pequenas bolinhas (“beads) contendo Gremlinectópico em galinhas leva a formação de dígitos e

interdígitos como pato

Heterocronia – mudança no tempo relativo da ocorrência de determinado evento entre dois processo de desenvolvimento de um a geração para outra.

Crescimento dos dígitos (dedos) em vertebrados depende do

tempo de exposição a Fgf8 na região de crescimento do dígito.

Diferentes dígitos se desenvolvem com tamanho diferentes devido ao fato de

possuírem diferentes quantidades de Fgf8 iniciais.

Heterometria - Mudança na quantidade da expressão gênicatentilhoes de Darwin e BMPs

- A quantidade de expressão do gene BMP é correlacionada com uma variação da forma dos bicos dos tentilhoes de Darwin.

- Um exemplo clássico de expansão adaptativa seleção natural são os tentilhoes de Darwin.

Heterometria - Mudança na quantidade da expressão gênica - IL-4

- IL-4 é necessária para promover a diferenciação de linfócitos B secretando IgE.

- Mutação na região -524, acima do início da transcrição leva a formação de mais uma seqüência que NFAT pode se ligar (“binding site”).

- Em regiões em que índices de parasitoses são altos, possuir mais IgE é selecionado positivamente.

Heterotipia - mudança no tipo (mudanças não-regulatórias, na seqüência codificante do gene)

Mudança na região codificante do gene homeobox Ubx leva a uma inibição da transcrição do gene Distal-less pela presença de uma região de poli-alanina especificamente em insetos (nova função repressora no abdomen de hexápodas).

Porque insetos tem 6 patas (3 pares de

patas) ?

- Mudancas em Ubx....uma

possibilidade....

(7) Modularidade de Regiões Cis-Regulatórias- Regiões Cis-Regulatórias complexas e modulares são

uma característica especial dos “loci” contendo genes pleiotrópicos.

Gene Estrutural expresso em uma região do corpo

Gene pleiotrópicoExpresso em várias

regiões do corpo com diferentes

RCRs

(8) Fatores de transcrição importantes controlam centenas de Regioes Cis-Regulatórias de genes-alvo.

Twist

Ab

Developmental Constraints on Evolution(Restrições da biologia do desenvolvimento na Evolução)

- Apenas 12 filos existem no Reino Animal

- Teoricamente poderiam existir outras formas de “body plans” (planos estruturais”) como em livros de ficção científica ou filmes.

- Porque isso não acontece? Porque não temos seres como os livros de ficção científica vivendo por aí?

Hipótese - processos de desenvolvimento restringem o desenvolvimento de novos fenótipos. Estas restrições de desenvolvim ento são divididas

em 3 categorias. Física, morfogenética, e filogenét ica.

Restrições físicas

- Leis de difusão, hidráulicas, e suporte físico são imutáveis e permitem apenas alguns fenótipos físicos surgirem.

- Estas leis fazem com que por exemplo não existam mosquitos com otamanho de uma girafa, etc, pois a troca gasosa não seria eficiente, por exemplo.

Restrições morfogenéticas

Sistemas auto-regulatórios tem limitações para funcionar quando complexidade aumenta muito.

Restrições filogenéticas

- São baseadas na estória filogenética do desenvolvimento de um organismo (Gould, 1979).

- Exemplos são órgãos vestigiais, isto é, que não possuem uma função

importante em organismos adultos (degeneram). Por exemplo, a notocorda

que é uma estrutura importante e funcional em protocordados (Amphioxus)

mas que tem caráter transitório em vertebrados (degenera), após especificar o

tubo neural.

Restrições filogenéticas- A ação pleiotrópica dos genes restringe o número de mudanças que podem

ocorrer com estes genes.

- Por exemplo, mamíferos tem sete vértebras cervicais enquanto pássaros podem ter muito

mais (mais variação). Relação dos Hox com o controle da proliferação celular em mamíferos.

Restrições filogenéticas- Recrutamento para genes já existentes para novas funções. Por exemplo, o padrão

de pigmentação das asas de Drosophila não é randômico. Este processo obedece a

lógica dos “enhancers” presentes em cada um dos genes.

No exemplo acima, o gene Yellow (um gene de pigmentação) só é ativado na região em que o repressor Engrailed está ausente e o ativador Bifid está presente. Os sítios de ligacao nos”enhancers” que determina onde Yellow é ativado.




Um gene, uma Regiao Aberta para Leitura (Open Reading Frame), uma proteína

1-ATGAGAAGC.....TGA-1008DNA

RNAm

proteína

1 gene

1 RNAm

1-AUGAGAAGC.....UGA-1008

1...MSVLEDG.....336

Vários RNAm policistrônicos existem em insetos e possuem uma origem comum, pois seus peptídeos são interrelacionados (similares)

Tautz, 2009 Brief Genomics

mille-pattes um gene que codifica um RNAm poli-cistrônico que énecessário para embriogênese e regulação dos genes Hox em

besouros

Savard et al., 2006 Cell

A- Tipo selvagem

B-E - mlpt RNAi nocaute (knock-down)

Desregulacão de genes Hox após nocaute RNAi, leva a formacao de patas extras.

Eco-Evo Devo (Ecological Developmental Biology) - Epigênese

Muito obrigado!Mais informações sobre Evo-Devo em:

- http://evodevobr.blogspot.com/ (blog mantido junto com Igor Schneider, Universidade de Chicago)

- Estarei postando um .pdf desta apresentação no Blog

- Email – [email protected]

- Livros com conceitos gerais sobre Evo-Devo:

- Ecological Developmental Biology, Scott Gilbert 2009- Sean Carroll´s books - The Making of the Fittest, Endless Forms Most Beautiful,

Remarkable Creature e apresentações no HHMI- David Stern – Evolution, Development and the Predictable Genome (a ser vendido em

2010)- From Embryology to Evo-Devo - A History of Developmental Evolution (Laubichler &

Maienschein)- Evolution, Nipam Patel Cold Spring Harbor 2008

• ..\..\..\meetingorganization\tribmeeting\coloniacoleoptera2009.pdf

Molecular Basis ofEvolutionary Innovations

InternationalGraduate School in Genetics andFunctional Genomics

- Prof. Dr. Siegfried Roth

- Dr.Maurijn van der Zee

UFRJ- Macaé

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