Pesquisa da Universidade de Viena publicada na Nature Communications propõe que o rearranjo antigo aproximou genes e interruptores de controle, mas o elo com o cérebro ainda é hipótese.
Em 25 embriões de lula, a retirada de um trecho de cerca de mil letras de DNA bastou para atrasar o desenvolvimento de todos eles e, em cinco casos, deixar o cérebro claramente menor. O experimento faz parte de um estudo da Universidade de Viena que investiga como o dobramento do genoma de polvos, lulas e sibas pode ter contribuído para seus cérebros incomuns. Os autores tratam a ligação com o cérebro como proposta, não como resultado comprovado.
Um genoma dobrado, não uma linha reta
Costuma-se imaginar o genoma como uma fileira de genes lida de ponta a ponta. Dentro da célula, porém, esse fio fica enovelado, e trechos distantes na sequência podem acabar encostados uns nos outros.
Isso importa porque os genes não se ligam e desligam sozinhos. Pequenos trechos de DNA funcionam como interruptores de controle, e o dobramento pode aproximar um deles do gene que ele comanda.
A pesquisa foi liderada pela bióloga Thea Rogers, do Departamento de Neurociências e Biologia do Desenvolvimento da Universidade de Viena. A equipe teve colegas do Marine Biological Laboratory, em Woods Hole, nos Estados Unidos, e da Universidade de Chicago.
“O genoma não é apenas uma sequência de genes. Ele está dobrado em uma estrutura tridimensional complexa”, disse Rogers. “Entender como essa estrutura evolui está se tornando cada vez mais importante para entender como surgem novas formas de complexidade biológica.”
Cromossomos quebrados e fundidos
Polvos, lulas e sibas pertencem aos cefalópodes coleoides, grupo que remonta a cerca de 270 milhões de anos. Seus integrantes têm os maiores cérebros entre os animais sem coluna vertebral, além de órgãos novos e comportamentos sofisticados, como o camuflar-se rapidamente.
No início da história do grupo, os cromossomos se partiram e se fundiram entre si. Segundo a Universidade de Viena, esse rearranjo colocou lado a lado genes e sequências de controle que antes estavam distantes.
“Nossos resultados sugerem que o dobramento 3D do genoma permitiu que alguns desses novos vizinhos passassem a regular uns aos outros, criando novas redes de controle gênico”, afirmou Rogers.
Depois disso, os dois ramos da família seguiram caminhos distintos. Os genomas de lulas e sibas passaram de 5 bilhões de letras de DNA, enquanto alguns genomas de polvo têm cerca de 2,5 bilhões. Os polvos acumularam muitas fusões cromossômicas adicionais.
Como a equipe mapeou os contatos do DNA
Os pesquisadores estudaram a lula-bobtail-havaiana, a siba-comum e o polvo-de-duas-manchas-da-Califórnia. Usaram uma técnica de laboratório que registra quais pedaços de DNA ficam próximos dentro da célula e a combinaram com medições de quais genes estavam ativos.
As amostras vieram de embriões na última fase antes da eclosão e de três etapas do desenvolvimento da lula. Outras foram retiradas de partes do corpo separadas, como cérebro central, olhos e lobos ópticos, as regiões cerebrais ligadas à visão.
O DNA envolto em suas proteínas de empacotamento, chamado cromatina, dobra-se em duas escalas. Em uma, formam-se grandes domínios, cujo interior tem mais contatos internos do que com o exterior. Na outra, laços menores, dentro e entre esses domínios, aproximam trechos distantes.
Domínios estáveis, laços variáveis
Os grandes domínios pareceram semelhantes nos três animais. Os laços, não. Em embriões inteiros, a equipe identificou 329 laços na lula, 912 na siba e 663 no polvo. Apenas três laços contendo genes apareceram nas três espécies.
Questionada sobre o que mais a surpreendeu, Rogers citou “quantos poucos laços eram compartilhados entre as espécies”. No polvo, amostras de cérebro, olho e braço tinham números parecidos de laços, enquanto os órgãos internos tinham cerca de um terço.
“Então o genoma parece ter um arcabouço estável, com uma camada mais flexível de conexões regulatórias por cima, que a evolução pode retrabalhar”, disse Rogers ao Earth.com.
A parte estável também conta: foram encontrados 1.592 pares de genes que permaneceram próximos nas três espécies. Esses pares tendiam a ligar e desligar juntos, e muitos cuidam de funções básicas de toda célula. Para Rogers, isso sugere que algumas conexões 3D foram mantidas por centenas de milhões de anos.
O polvo, com o menor genoma, tem os laços mais longos
O polvo tem o menor genoma dos três, mas os laços mais extensos: um laço típico cobria cerca de 2,9 milhões de letras de DNA, contra 1,6 milhão na lula e 1,3 milhão na siba. Genoma maior, portanto, não significou laço maior.
Mais da metade dos laços do polvo unia genes cujos equivalentes ficam em cromossomos diferentes na lula e na siba. A equipe associou os laços longos às fusões extras da linhagem do polvo. Os autores chamam esse acúmulo de contatos entrelaçados de emaranhamento regulatório.
Rogers vê um possível custo: “Achamos que essa mistura criou um genoma mais ‘emaranhado’ nos polvos, em que as regiões ficam cada vez mais interconectadas e mais difíceis de rearranjar. Isso pode até ter limitado o quanto seus genomas puderam crescer.”
O teste com embriões editados
Para verificar se um laço realmente faz diferença, os pesquisadores recorreram a um parente próximo da lula-bobtail-havaiana que pode ser editado geneticamente. Dentro do gene Quaking B, situado em um dos laços compartilhados, eliminaram um trecho de cerca de mil letras que parecia um interruptor.
Todos os 25 embriões editados se desenvolveram mais devagar. Cinco tinham cérebros nitidamente menores, sobretudo nos lobos ópticos, e outros cinco ficaram muito malformados em várias partes do corpo. Seis eram menores no geral, com braços curtos, e nove pareciam normais. Dependendo de como se classificam os embriões, entre um terço e dois terços tiveram defeitos cerebrais.
Os genes dentro do laço não mostraram mudança clara. As quedas de atividade vieram de genes bem mais distantes, um deles a cerca de 14,5 milhões de letras do trecho removido. Os autores acreditam que o interruptor influencia genes fora do próprio laço.
O que ainda não se sabe
O trabalho cobriu três espécies, e a maior parte dos mapas veio de embriões. A deleção foi feita em um único trecho, em uma espécie de lula, e a atividade gênica foi medida em grupos de três ou quatro embriões. Por isso, a relação entre os novos laços e o cérebro dos cefalópodes segue como sugestão, não como resultado direto.
Segundo a Universidade de Viena, Rogers quer entender como o dobramento atua junto a outros mecanismos de ajuste gênico desses animais, como a edição da mensagem genética após a cópia do DNA e o processo que permite a um gene produzir várias proteínas. Ela também quer saber como marcas químicas nas proteínas de empacotamento se relacionam com o dobramento.
Por que isso interessa à Amazônia
A Amazônia não tem polvos de água doce, e o estudo não trata de espécies da região. A conexão está na costa: o litoral amazônico, do Amapá ao Maranhão, abriga fauna marinha que inclui cefalópodes, e pesquisas desse tipo ajudam a entender a origem de características que também existem em animais dos mares brasileiros.
Novos estudos precisarão testar mais interruptores, em mais espécies, para mostrar se o dobramento do genoma realmente ajudou a moldar esses cérebros. O artigo completo está disponível na revista Nature Communications.
Com informações de Universidade de Viena.
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