Cientistas testemunham em laboratório a evolução de um pequeno crustáceo a partir de um mecanismo genético teorizado há quase 100 anos

 
O aquecimento global antropogênico e as consequentes mudanças climáticas estão impactando os oceanos de várias formas. Entre os impactos mais notáveis, a salinidade das águas oceânicas está mudando rapidamente à medida que as geleiras derretem e os padrões de precipitação mudam. Nesse cenário, copépodes (subclasse Copepoda) - um grupo de pequenos crustáceos muito importantes na cadeia alimentar marinha - estão tendo que se adaptar de forma rápida a águas marinhas cada vez menos salgadas. Em um estudo publicado no periódico Nature Communications (Ref.1), pesquisadores demonstraram em experimentos laboratoriais que esses crustáceos conseguem, de fato, evoluir rápido o suficiente para sobreviverem a esse desafio ambiental, através de um mecanismo genético de evolução paralela antes teorizado mas nunca comprovado na prática experimental. 

- Continua após o anúncio -

Vários estudos genômicos populacionais nos últimos anos têm encontrado que o processo evolutivo de adaptação frequentemente envolve mudanças altamente poligênicas ao longo de gerações, com centenas ou milhares de loci (locais onde os genes se encontram no genoma) respondendo à mudança no ambiente. Nesse caminho, existe um longo debate no campo da Biologia Evolucionária relativo ao papel da epistasia (interação entre dois ou mais loci) na adaptação poligênica. A epistasia refere-se a casos onde os efeitos de alelos (variantes de um gene) em diferentes loci são não-aditivos em relação às suas contribuições para um fenótipo quantitativo (ou seja, a "força" funcional de uma característica fisiológica, anatômica, etc. no organismo), no sentido de que efeitos alélicos são dependentes da presença de outros alelos em outros loci.

Há quase 100 anos, na época da Síntese Evolucionária - quando cientistas estavam explorando e começando a entender os princípios de seleção natural e outros mecanismos evolutivos em termos de variações genéticas e hereditariedade (1) - dois modelos emergiram para explicar os mecanismos adaptativos. O modelo infinitesimal assumia que vários alelos contribuíam de forma independente e aditiva, onde a soma linear de pequenos efeitos alélicos de mesmo peso resultavam na adaptação poligênica final. Já na Teoria do Balanço Genético (Shifting Balance Theory), também chamada de epistasia positiva, o efeito positivo de um alelo é amplificado quando trabalha em combinação com outros importantes genes.

(1) Leitura recomendada: Como nova informação genética é gerada durante o processo evolutivo? 

Esse debate é particularmente importante para o entendimento dos mecanismos de adaptação, incluindo evolução paralela, e, portanto, a habilidade de predizer futuras respostas genômicas evolucionárias às mudanças globais. Evolução paralela faz referência ao processo evolutivo onde seleção natural favorece os mesmos loci ou mutações em populações independentes expostas ao mesmo desafio ambiental (2). É um processo determinístico de evolução onde novos traços fenotípicos ou genéticos podem ser preditos, e representa um dos mais poderosos pilares validando o mecanismo de seleção natural.

(2) Leitura recomendada: Cientistas revelam mais um exemplo a nível molecular de evolução paralela

No modelo infinitesimal de genética quantitativa, a adaptação é predita de proceder com baixos níveis de paralelismo a nível genético onde loci diferentes e efetivamente intercambiáveis podem contribuir para a adaptação através de uma diversidade de caminhos evolutivos alternativos (já que a contribuição de cada alelo é independente, aditiva e de igual peso para o resultado final). Nesse modelo, os alelos são redundantes em função, e evolução paralela não é, a princípio, esperada de marcar processos adaptativos poligênicos: diferentes populações de uma mesma espécie, por exemplo, podem alcançar o mesmo ótimo adaptativo através de mudança na frequência de diferentes conjuntos de alelos. 

Porém, se os efeitos alélicos não são redundantes, devido a efeitos epistáticos positivos (sinérgicos) entre alelos específicos, então o mecanismo de seleção natural pode favorecer a mesma combinação de alelos ao longo de eventos adaptativos independentes. Nesse cenário, quando alelos estão funcionalmente ligados, adaptação poligênica pode se tornar altamente paralela.

Enquanto que adaptação poligênica paralela tem sido observada em populações naturais, identificar os mecanismos genéticos responsáveis por tal paralelismo tem se mostrado um desafio, em especial a validade da epistasia positiva. De fato, ao longo da história dos estudos evolutivos, epistasia tem sido amplamente não testada pela falta de ferramentas experimentais, mas a grande quantidade de dados genômicos de avançados e modernos sequenciadores genômicos e simuladores computacionais podem agora explorar o impacto da epistasia positiva e sua associação com a evolução paralela.

- Continua após o anúncio -

No novo estudo, pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison, EUA, estudaram experimentalmente um copépode da espécie Eurytemora affinis. Com pouco mais de 1 milímetro de comprimento, esses minúsculos crustáceos habitam áreas costeiras de oceanos e estuários ao redor do mundo em grandes números - na maior parte do tempo sendo devorados por peixes juvenis, como salmões, arenques e anchovas. Essenciais para o equilíbrio da teia alimentar no ambiente marinho, essa espécie é vulnerável às mudanças climáticas, em especial à redução de salinidade nas águas costeiras ao redor do globo.

Muitos copépodes (e inúmeras outros animais) evoluíram na água muito salgada dos mares, e a salinidade é uma forte pressão ambiental em habitats aquáticos. À medida que o meio salino muda de forma significativa, esses animais precisam ajustar os mecanismos físicos e químicos do corpo para manter o equilíbrio osmótico e metabólico essencial para a sobrevivência.

Para entender como os copépodes respondem a mudanças de salinidade, os pesquisadores coletaram uma população de E. affinins no Mar Báltico e a mantiveram em laboratório por várias gerações. O aumento populacional ocorreu em um ambiente de salinidade normal, historicamente associado à espécie. Então, os pesquisadores dividiram a população final em 14 grupos de alguns milhares cada: quatro grupos de controle foram deixados em um ambiente similar àquele do Mar Báltico; os outros 10 grupos foram expostos a um progressivo declínio nos níveis de sais dissolvidos na água, simulando o tipo de pressão causada pelas mudanças climáticas nas águas costeiras. A redução no nível de salinidade ocorreu a cada nova geração (cerca de três semanas para o E. affinins) ao longo de um total de 10 gerações.

Os genomas representativos dos indivíduos presentes em cada grupo foram sequenciados no começo do experimento, após 6 gerações e após 10 gerações, visando acompanhar as mudanças evolucionárias a nível genético. Os sequenciamentos identificaram significativas mudanças de frequência em 4977 polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) - mutações em alelos envolvendo a substituição, adição ou deleção de uma única letra genética (A, G, C, T...) - espalhados ao longo do genoma dos animais expostos à progressiva baixa salinidade, enquanto que nos grupos de controle houve relativa constância nas frequências de SNPs. Muitos dos alelos sob seleção mostraram estar presentes já na população inicialmente coletada para o experimento. Somando-se a outros achados, os resultados mostraram que a salinidade deflagra uma rápida e poligênica resposta evolucionária consistindo de grandes mudanças de frequências em alelos previamente estabelecidos nas populacionais de partida.

Os mais fortes sinais de seleção natural - onde mudanças foram maiores e mais comuns ao longo dos grupos estressados pela queda progressiva de salinidade - foram em partes genômicas ligadas a importantes funções de regulação iônica, como transportadores de sódio (Na+). Dos 91 alelos significativamente enriquecidos no genoma, 29 estavam relacionados a transportadores de transmembrana (ex.: transportador de cloro, Cl-), atividade do canal de íon (ex.: atividade do canal de potencial do sódio), sistema nervoso (ex.: potencial excitatório pós-sináptico) e contração muscular (ex.: peristalse). 

Quanto mais os íons de sais dissolvidos ficam escassos no meio, mais preciosos eles se tornam para os animais acostumados com um ambiente muito salino. Ou seja, em ambientes cada vez menos salinos, adaptações fisiológicas e celulares precisam ocorrer para aumentar a captação de íons como o Na+.

De fato, no final do experimento, os pesquisadores encontraram que os copépodes com certas combinações genéticas associadas aos transportadores de íons eram, repetidamente, mais prováveis de sobreviveram através das sucessivas gerações, mesmo quando a salinidade das águas era significativamente reduzida. E, mais importante, as mesmas variantes genéticas (alelos) positivamente selecionadas de forma paralela ao longo do experimento laboratorial por terem função adaptativa a um ambiente de baixa salinidade foram também comumente identificadas em regiões naturais de baixa salinidade no Mar Báltico.

Robustas simulações computacionais baseadas nas condições experimentais ao longo das gerações apontaram que se um modelo infinitesimal fosse utilizado para explicar as repetidas e similares adaptações poligênicas observadas, haveria uma variação genética muito maior entre as 10 linhagens populacionais expostas à mesma pressão ambiental, mesmo sob parâmetros de forte pressão seletiva maximizando possíveis paralelismos. Pelo contrário, as observações experimentais de alto nível de paralelismo evolutivo (média de 79,5% de sobreposição nos alelos selecionados entre as 10 linhagens) corroboraram o mecanismo de epistasia positiva como protagonista. Aliás, genes com putativas funções osmorregulatória e de transporte de íons com assinatura de seleção natural foram encontrados espalhados em diferentes localizações ao longo do genoma do E. affinis, já indicando provável coordenação funcional entre loci genômicos distantes - e sugerindo que caminhos genéticos e evolucionários que permitem adaptação a baixa salinidade são provavelmente limitados.

Simulação computacional baseada em um modelo de epistasia positiva resultou no nível de paralelismo observado nos dados empíricos, suportando o efeito epistático como responsável pela rápida evolução paralela adaptativa no E. affinis e a uma ampla escala genômica. Efeitos da epistasia positiva em rápidos processos adaptativos podem ser muito mais prevalentes do que antes pensado, particularmente para adaptações fisiológicas.

O novo estudo também trouxe mais um exemplo de evolução paralela confirmado a nível molecular, reforçando a Teoria da Seleção Natural.

REFERÊNCIAS

1. Stern et al. (2022). Genome-wide signatures of synergistic epistasis during parallel adaptation in a Baltic Sea copepod. Nature Communications 13, 4024. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31622-8
2. Laland et al. (2015). The extended evolutionary synthesis: its structure, assumptions and predictions. Proceedings of the Royal Society B, Volume 282, Issue 1813. https://doi.org/10.1098/rspb.2015.1019
3. https://news.wisc.edu/evolving-to-outpace-climate-change-tiny-marine-animal-provides-new-evidence-of-long-theorized-genetic-mechanism/