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O sistema de GPS genético do desenvolvimento animal explica por que os membros crescem a partir de torsos e não de cabeças

v2osk / Unsplash

Por que os humanos se parecem com humanos, em vez de chimpanzés? Embora nós compartilham 99% do nosso DNA com os chimpanzés, nossos rostos e corpos parecem bem diferentes um do outro.

Embora a forma e a aparência do corpo humano tenham mudado claramente durante o curso da evolução, alguns dos genes que controlam as características definidoras de diferentes espécies surpreendentemente não mudaram. Como um biólogo estudando evolução e desenvolvimento , dediquei muitos anos a refletir sobre como os genes realmente fazem as pessoas e outros animais terem a aparência que têm.

Nova pesquisa do meu laboratório sobre como esses genes funcionam lançou alguma luz sobre como os genes que permaneceram inalterados por centenas de milhares de anos ainda podem alterar a aparência de diferentes espécies à medida que evoluem.

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— STEMLORD (@upulie) 15 de novembro de 2019

Caras contra caudas

Na biologia, um plano corporal descreve como o corpo de um animal é organizado da cabeça aos pés – ou cauda. Todos os animais com simetria bilateral , o que significa que seus lados esquerdo e direito são imagens espelhadas, compartilham planos corporais semelhantes. Por exemplo, a cabeça se forma na extremidade anterior, os membros se formam no meio do corpo e a cauda se forma na extremidade posterior.

Animais da mesma espécie geralmente compartilham a mesma simetria. Humanos e cabras têm simetria bilateral, o que significa que podem ser divididos em metades que são imagens espelhadas uma da outra. CNX OpenStax/Wikimedia Commons , CC POR

Genes Hox desempenhar um papel importante na criação deste plano corporal. Este grupo de genes é um subconjunto de genes envolvidos no desenvolvimento anatômico chamado genes homeobox . Eles agem como um sistema de GPS genético, determinando o que cada segmento do corpo se transformará durante o desenvolvimento. Eles garantem que seus membros cresçam a partir de seu torso em vez de sua cabeça, controlando outros genes que instruem a formação de partes específicas do corpo.

Todos os animais possuem genes Hox e os expressam em regiões corporais semelhantes. Além disso, esses genes não mudaram ao longo da história evolutiva. Como esses genes podem permanecer tão estáveis ​​ao longo de períodos evolutivos tão vastos, mas desempenham papéis tão importantes no desenvolvimento animal?

Explosão do passado

Em 1990, o biólogo molecular William McGinnis e sua equipe de pesquisa se perguntou se os genes Hox de uma espécie poderiam funcionar de forma semelhante em outra espécie. Afinal, esses genes são ativos em regiões corporais semelhantes em animais que vão desde moscas da fruta até humanos e camundongos.

Essa foi uma ideia ousada. Como analogia, considere os carros: a maioria das peças de carros normalmente não são intercambiáveis ​​entre diferentes marcas. O primeiro automóvel só foi inventado há cerca de 100 anos. Compare isso com moscas e mamíferos, cujas último ancestral comum viveu há mais de 500 milhões de anos. Era praticamente impensável que a troca de genes de espécies diferentes que divergissem umas das outras durante um período de tempo tão vasto pudesse funcionar.

No entanto, McGinnis e sua equipe prosseguiram com seu experimento e inseriram genes Hox de camundongos ou humanos em moscas da fruta. Eles então ativaram os genes nas áreas correspondentes erradas do corpo – por exemplo, colocando o gene Hox que diz a uma perna humana onde se desenvolver bem na frente da cabeça de uma mosca da fruta. Uma parte do corpo mal colocada indicaria que os genes Hox de camundongos ou humanos estavam funcionando como os próprios genes da mosca da fruta.

Notavelmente, ambos mouse e humano Os genes Hox transformaram as antenas da mosca da fruta em pernas. Isso significava que as informações posicionais fornecidas pelos genes humanos e de camundongos ainda eram reconhecidas na mosca, milhões de anos depois.

Como os genes Hox realmente funcionam?

A próxima grande questão, então, era como exatamente esses genes Hox determinam as identidades de diferentes regiões do corpo?

Houve duas escolas de pensamento sobre como os genes Hox funcionam. A primeira, chamada de hipótese instrutiva , propõe que esses genes controladores de forma funcionam como genes reguladores mestres que fornecem ao corpo instruções sobre como desenvolver diferentes partes do corpo.

A segunda, proposta por McGinnis, levanta a hipótese de que os genes Hox fornecem uma código posicional que marca locais específicos no corpo. Os genes podem usar esses códigos para produzir estruturas corporais específicas nesses locais. Ao longo da evolução, partes específicas do corpo ficam sob o controle de um gene Hox específico de uma maneira que melhor maximizaria a sobrevivência do organismo. É por isso que as moscas desenvolvem antenas em vez de pernas em suas cabeças, e os humanos têm clavículas abaixo em vez de acima do pescoço.

Em um estudo recente publicado na revista Science Advances, um aprendiz de McGinnis e eu, Ankush Auradkar , coloca essas hipóteses à prova em moscas-das-frutas.

Cada gene Hox está ligado a uma parte específica do corpo. O gene proboscipedia, ou pb, por exemplo, direciona a formação das peças bucais de uma mosca da fruta. Antonio Quesada Diaz/Wikimedia Commons

Auradkar se concentrou em um gene Hox da mosca da fruta chamado proboscipedia ( pb ), que direciona a formação do aparelho bucal da mosca. Ele usou Edição de genoma baseada em CRISPR para substituir o pb gene da variedade comum de laboratório de mosca da fruta, Drosophila melanogaster , ou D. mel para resumir, com seu primo havaiano, Drosophila mimica ou D. mim . Se a hipótese instrutiva estivesse correta, D. mel formaria D. mim as peças bucais em forma de grelha. Por outro lado, se a hipótese de McGinnis estivesse correta, D. mel as peças bucais devem permanecer as mesmas.

Como McGinnis previu, as moscas com o D. mim os genes não se desenvolveram D. mim características de grelha do . Havia uma característica de D. mim , no entanto, que se esgueiraram: órgãos sensoriais chamados palpos maxilares que geralmente se destacam do rosto por D. mel foram alinhados paralelamente à boca. Isso mostrou que o pb O gene forneceu tanto um marcador para onde a boca deveria se formar quanto instruções sobre como formá-la. Embora o resultado principal tenha favorecido a teoria de McGinnis, ambas as hipóteses estavam amplamente corretas.

Auradkar também se perguntou como o pb gene determinou a orientação dos palpos maxilares. Poderia ter feito isso alterando a proteína que codifica, que executa as instruções dadas pelo gene. Ou poderia ter mudado a forma como controla outros genes, agindo como um interruptor de luz que determina quando e onde os genes são ativados. Através de mais testes, ele descobriu que este D. mim recurso resultou da mudança de quão fortemente o pb O gene é ativado em regiões que formam os palpos, em oposição a alterações na própria proteína. Esta descoberta destaca mais uma vez a notável preservação da função da proteína Hox sobre a evolução – o hardware genético funcionou tão bem em uma espécie quanto em outra.

Auradkar também descobriu que os genes Hox se envolvem em um cabo de guerra evolutivo entre si. Um gene Hox pode se tornar mais dominante que outro e determinar quais características irão se formar em uma espécie.

Esses experimentos mostraram que mesmo mudanças sutis na forma como os genes Hox interagem entre si podem ter consequências significativas para a forma do corpo de um organismo.

Genes Hox e a saúde humana

O que esses estudos de moscas significam para as pessoas?

Primeiro, eles fornecem uma janela de como os planos corporais de diferentes espécies mudam ao longo da evolução. Compreender como os genes Hox podem manipular o desenvolvimento animal para promover sua sobrevivência pode elucidar por que os animais têm a aparência que têm. Mecanismos semelhantes poderiam explicar por que os humanos não se parecem mais com chimpanzés.

Em segundo lugar, esses insights podem levar a uma melhor compreensão de como defeitos congênitos surgem nas pessoas. Alterações, ou mutações, que interrompem o funcionamento normal dos genes Hox podem resultar em condições como lábio leporino ou doença cardíaca congênita. Novas terapias no horizonte usando a edição de genoma baseada em CRISPR podem ser usadas para tratar essas condições muitas vezes debilitantes, incluindo distrofia muscular .

Este artigo é republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original .

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