19 de julho de 2007
La Jolla, CA – Em vez de um software proprietário imutável, as informações genéticas de qualquer espécie se assemelham a um código-fonte aberto que é constantemente ajustado e otimizado para atender às necessidades específicas dos usuários. Mas quais partes do código resistiram ao teste do tempo e quais partes passaram por uma rápida mudança evolutiva tem sido difícil de avaliar.
Uma colaboração internacional de pesquisadores do Instituto Salk de Estudos Biológicos, da Universidade de Chicago e do Instituto Max-Planck de Biologia do Desenvolvimento desenvolveu um método simples para pentear genomas inteiros em busca de todas as correções de software e patches de segurança acumulados ao longo do tempo. Em um primeiro teste, os cientistas catalogaram as variações genéticas em 23 cepas da erva da mostarda Arabidopsis thaliana que foram coletados na natureza em todo o mundo.
“Nosso estudo representa uma das primeiras varreduras do genoma inteiro para níveis e padrões de variação genética dentro de uma espécie”, diz José R. Ecker, Ph.D., professor do Laboratório de Biologia Vegetal e diretor do Laboratório de Análise Genômica do Instituto Salk, que liderou o estudo atual publicado na edição online da semana passada do Proceedings, da Academia Nacional de Ciência. “Ele revela as regiões que são atualmente alvo da seleção natural ou que o foram durante o passado evolutivo”.
Em um estudo independente, os colaboradores – desta vez liderados por Detlef Weigel, Ph.D., diretor do Max Planck Institute for Developmental Biology em Tübingen, Alemanha, e professor adjunto do Salk Institute – examinaram os genomas de 20 cepas diferentes de Arabidopsis thaliana com um pente de dentes ainda mais finos, permitindo-lhes determinar a natureza exata das mudanças. As descobertas do segundo estudo foram publicadas na edição de 20 de julho da revista Ciência.
“Descobrimos que um em cada 10 genes é muito diferente”, diz Weigel. “Essa plasticidade é realmente surpreendente para um genoma que é muito aerodinâmico e, ao contrário dos genomas maiores, não contém muito DNA lixo”, acrescenta.
Uma década atrás, Arabidopsis foi amplamente adotado por cientistas de plantas como um modelo facilmente manipulável para outras plantas porque é simples de crescer em laboratório, tem um ciclo de vida curto e um genoma pequeno. Em comparação com o milho, que pode ter até 2.5 bilhões de pares de bases de DNA e o genoma humano com cerca de 3 bilhões de pares, Arabidopsis tem apenas cerca de 120 milhões de pares de bases de DNA.
Sem ter para onde correr, as plantas estão sob constante ameaça de calor, frio, alta acidez ou salinidade, ou patógenos como vírus e insetos comedores de folhas. Em resposta, as plantas mobilizam defesas fisiológicas e bioquímicas que as ajudam a sobreviver. “Esperávamos que certas classes de genes fossem altamente variáveis devido à seleção natural em diferentes ambientes. Ambos os estudos revelaram precisamente quais membros da família de genes foram de fato moldados pela evolução”, diz Justin Borevitz, Ph.D., ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório Ecker e agora professor assistente no Departamento de Ecologia e Evolução da Universidade de Chicago.
Como regra geral, os genes que não mudam ao longo do tempo estão sob forte seleção negativa porque desempenham importantes funções de manutenção, enquanto os genes que variam amplamente, como os genes de resistência a doenças, estão sob forte seleção positiva. “Cobrimos as duas extremidades do espectro e acabamos com uma lista de top sem mudanças e uma lista de top com muitas mudanças”, explica Borevitz. “Todos os dados foram colocados em um banco de dados acessível ao público e agora os pesquisadores de todos os lugares podem procurar seus genes favoritos”.
Para montar suas listas, a equipe de Ecker derramou dados derivados da antiquada tecnologia de chip de gene, na qual 25 amostras de nucleotídeos de cada gene expresso em uma célula de Arabidopsis são colocadas em uma pequena lâmina de vidro conhecida como microarray. Os genomas cortados das diferentes cepas foram então autorizados a se ligar aos seus homólogos imobilizados. A hibridização reduzida resultou em um sinal informando aos pesquisadores quais regiões os genomas diferiam da cepa de referência totalmente sequenciada.
“Esse método é simples e relativamente barato e pode ser aplicado a qualquer organismo cujo genoma completo tenha sido sequenciado e para o qual uma matriz de genes esteja disponível ou possa ser feita facilmente”, explica Ecker. “Por essas razões, é atraente para um grande público que pratica a genômica evolutiva”.
A equipe de Weigel deu um passo adiante e efetivamente resequenciou genomas inteiros com a ajuda de quase um bilhão de 25 mers lado a lado em 5 grandes matrizes que cobrem todas as possíveis trocas de nucleotídeos em ambas as fitas de DNA. A abordagem de alta resolução revelou um grande número de mudanças específicas em genes pertencentes à chamada superfamília F-box, cujos membros desempenham um papel crucial na sinalização de proteínas para degradação.
“Conforme destacado por ambos os estudos, muitos genes que abrigam mudanças de grande efeito em populações selvagens provavelmente mediam interações com o meio ambiente”, diz Weigel. “Em última análise, serão necessários experimentos em condições mais naturais para apreciar plenamente a relevância funcional de tal variação de sequência”.
O Salk Institute for Biological Studies em La Jolla, Califórnia, é uma organização independente sem fins lucrativos dedicada a descobertas fundamentais nas ciências da vida, à melhoria da saúde humana e ao treinamento de futuras gerações de pesquisadores. Jonas Salk, MD, cuja vacina contra a poliomielite praticamente erradicou a doença incapacitante poliomielite em 1955, abriu o Instituto em 1965 com uma doação de terras da cidade de San Diego e o apoio financeiro da March of Dimes.
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