Genes de desenvolvimento produziram mais variantes de proteína na origem dos vertebrados

Pesquisadores descobriram que genes-chave do desenvolvimento passaram a gerar muito mais variantes de proteína exatamente quando surgiram os primeiros animais com coluna vertebral.

Essa flexibilidade extra muda a forma de entender como uma pequena alteração genética poderia ter viabilizado o aparecimento de tecidos e órgãos complexos ao longo da história dos vertebrados.

Ao analisar embriões de uma ascídia (um invertebrado simples), de uma lampreia e de uma rã, a equipa observou que os mesmos genes de sinalização não atuavam de maneira idêntica entre esses animais.

Ao comparar esses padrões, o professor David Ferrier, da Universidade de St Andrews, concluiu que os vertebrados estavam a produzir muito mais versões a partir de cada gene.

Como as lampreias já exibiam esse salto, a mudança fica situada muito perto da separação evolutiva mais antiga conhecida entre vertebrados.

Com isso, um detalhe do “resultado final” das proteínas torna-se uma pista sobre quando novos componentes corporais começaram a tornar-se possíveis.

Mensagens entre células se multiplicam

Durante o desenvolvimento, as células mantêm a organização por meio da sinalização intercelular - mensagens que são enviadas continuamente de uma célula para outra.

Essas mensagens terminam em proteínas que determinam quais genes são ativados ou permanecem silenciosos dentro de cada célula. Se a forma final da proteína muda, o mesmo estímulo externo pode conduzir a célula a um destino diferente.

Isso ajuda a entender por que a contagem de versões adicionais pesou mais do que um simples aumento no número de cópias de genes.

Um gene, muitos desfechos

As células geram essa diversidade por splicing alternativo, em que um único gene é “recortado” em diferentes mensagens de RNA antes de a célula produzir a proteína.

Cada mensagem - chamada de transcrito - é uma cópia de RNA usada na construção de proteínas e pode originar versões ligeiramente distintas.

Uma abordagem mais recente de sequenciamento permitiu à equipa observar mensagens inteiras de RNA nesses animais, em vez de inferi-las a partir de fragmentos.

Isso foi relevante porque muitas variantes ocultas ficam em trechos ausentes; métodos mais curtos podem misturá-las e apagar diferenças importantes.

Números que chamam a atenção

Uma família de sinalização tornou o salto evidente: nas ascídias havia um gene com um transcrito, enquanto nas rãs existiam quatro genes e nove transcritos.

Esses valores foram importantes porque descreviam apenas uma família, e não uma expansão generalizada por todo o genoma.

O padrão destacou-se de imediato, já que apenas um pequeno conjunto de genes se comportou de forma distinta de tudo o que os pesquisadores analisaram.

Assim, uma contagem aparentemente árida transformou-se numa possível explicação nova para a complexidade dos vertebrados.

Genes de leitura de sinais se destacaram

Para o restante dos genes medidos, os pesquisadores não observaram uma explosão generalizada de variedade proteica.

Mesmo genes ligados ao desenvolvimento embrionário como um todo mantiveram níveis muito mais próximos entre ascídia, lampreia e rã.

Isso torna esses genes de leitura de sinais incomuns, pois a diversidade deles aumentou mais rapidamente do que a do restante da “máquina” de desenvolvimento.

Em vez de um inchaço em escala genómica, a alteração parece direcionada, reforçando a ideia de um verdadeiro ponto de viragem.

Mais do que duplicatas

Trabalhos anteriores já indicavam que os vertebrados tinham cópias extras de uma grande família de leitura de sinais, mas o número de cópias era apenas parte do quadro.

O novo estudo acrescenta uma segunda camada: cada cópia também podia gerar várias formas proteicas distintas.

Essa combinação deu às células de vertebrados mais maneiras de interpretar o mesmo estímulo externo e escolher uma resposta.

Com isso, os corpos puderam refinar a identidade celular com maior precisão - algo que ajuda a explicar o surgimento de novos tecidos, órgãos e planos corporais.

Uma reviravolta nas ascídias

Um resultado em ascídia também complicou o contraste simples, porque um dos seus genes de leitura de sinais não estava totalmente “fixo”.

Os pesquisadores encontraram um novo segmento de gene próximo a elementos transponíveis - partes de DNA que podem deslocar-se pelo genoma - capaz de ajudar a criar terminações proteicas novas.

Essa versão extra surgiu apenas mais tarde no desenvolvimento, sugerindo que até parentes invertebrados próximos preservavam alguma flexibilidade escondida.

Ainda assim, o padrão observado em vertebrados manteve-se muito mais forte, e a tendência principal continuou a sobressair.

Implicações para a área médica

Esses genes ficam nos pontos finais de grandes vias que moldam embriões, reparam tecidos e falham em doenças.

As suas proteínas funcionam como fatores de transcrição - “interruptores” de genes dentro das células que entram em ação depois que o sinal chega.

Quando esses decisores finais mudam de forma, o mesmo sinal pode sustentar o crescimento normal ou favorecer a instalação de um cancro.

Isso ainda não torna essas novas formas proteicas alvos médicos, mas indica que vale a pena investigá-las.

Motores da complexidade dos vertebrados

Agora, a parte mais difícil é demonstrar o que cada versão realmente faz dentro de um embrião vivo.

Algumas podem ativar genes; outras, desativá-los; e outras ainda podem atuar apenas em determinados tecidos.

“Será empolgante determinar como essas várias formas diferentes de proteína funcionam de maneiras distintas”, disse Ferrier.

A resposta a isso vai definir se essas variantes proteicas foram apenas passageiras na história dos vertebrados ou se atuaram como construtoras ativas da complexidade.

Ao considerar embriões e famílias de genes em conjunto, as evidências apontam proteínas flexíveis de leitura de sinais como motores iniciais da complexidade dos vertebrados.

Mais espécies e experiências diretas vão testar essa ideia, mas o estudo já dá ao surgimento das colunas vertebrais um contorno genético mais nítido.