A dança do pequeno skate no fundo do oceano é graciosa: suas enormes barbatanas frontais ondulam enquanto ele desliza sob uma camada de areia. Com sua camuflagem cor de areia manchada, o animal é fácil de perder.
Cientistas do Centro Max Delbrück em Berlim, do Centro Andaluz de Biologia do Desenvolvimento (CABD) em Sevilha e de outros laboratórios nos Estados Unidos descobriram como o patim desenvolveu essas barbatanas parecidas com capas examinando seu DNA. Eles descobriram que a chave para a evolução das barbatanas de raia não está nas regiões codificantes de seu genoma, mas sim nos bits não codificantes e nos complexos tridimensionais nos quais ela se dobra. Essas estruturas 3D são chamadas de “domínios associados topologicamente” (TADs).
A equipe internacional descreve em Natureza que mudanças genômicas que alteram TADs podem conduzir a evolução. Até recentemente, a evolução do genoma se concentrava principalmente no estudo da variação no nível da sequência do DNA, mas não nas estruturas genômicas 3D. “Esta é uma nova maneira de pensar sobre como os genomas evoluem”, diz o Dr. Darío Lupiáñez, geneticista do Centro Max Delbrück e um dos principais autores do estudo.
“Embora tenhamos descoberto que padrões únicos de expressão gênica estabelecem barbatanas de skate excepcionalmente largas há algum tempo, as mudanças regulatórias subjacentes no genoma permaneceram desconhecidas”, diz o co-autor Dr. Tetsuya Nakamura, biólogo do desenvolvimento da Rutgers University.
Há mais de 450 milhões de anos, o genoma de um peixe primitivo – o ancestral de todos os animais vertebrados – foi duplicado duas vezes. A expansão do material genético impulsionou a rápida evolução de mais de 60.000 vertebrados, incluindo humanos. Um de nossos parentes vertebrados mais distantes são os pequenos patins (Leucoraja erinacea), que pertencem a uma linhagem de peixes cartilaginosos que inclui tubarões e raias. Esses primos distantes são organismos ideais para aprender sobre a evolução das características que nos tornaram humanos, como apêndices emparelhados. “Skates são peixes cartilaginosos chamados Chondrichthyans. Eles são considerados mais semelhantes aos vertebrados ancestrais”, diz a Dra. Christina Paliou, bióloga do desenvolvimento do CABD e uma das primeiras autoras. “Podemos comparar as características dos patins com outras espécies e determinar o que é novo e o que é ancestral”.
Um momento emocionante na genômica evolutiva
Em 2017, o falecido Dr. José Luis Gómez-Skarmeta do CABD, uma figura fundadora da genômica evolutiva, reuniu cientistas de todo o mundo para estudar a evolução do skate: laboratórios especializados em evolução do genoma, como o laboratório Ferdinand Marlétaz no University College London e Daniel Rokhsar lab na University of California-Berkeley, em biologia do skate, como o Neil Shubin lab na University of Chicago, onde Tetsuya Nakamura estava então localizado (agora em Rutgers) e em regulação de genes 3D, como o Juan Tena no CABD , laboratórios Darío Lupiáñez e Gómez-Skarmeta, além de outros colaboradores. Gómez-Skarmeta estava interessado em aprender como os genomas evoluem estrutural e funcionalmente para promover o aparecimento de novas características. “Em grande medida, a evolução é a história da mudança na regulação da expressão gênica durante o desenvolvimento”, disse ele em 2018.
Foi um momento emocionante para a genômica evolutiva. As tecnologias de sequenciamento do genoma melhoraram significativamente e os cientistas puderam obter novos insights sobre como o DNA, que se estende por alguns metros de ponta a ponta, é dobrado em um núcleo celular de 0,002 polegadas de diâmetro. “O empacotamento do DNA no núcleo está longe de ser aleatório”, diz Lupiáñez. O DNA se dobra em estruturas 3D chamadas TADs, que contêm genes e suas sequências regulatórias. Essas estruturas 3D garantem que os genes apropriados sejam ativados e desativados no momento certo, nas células certas.
O Dr. Rafael Acemel, geneticista do Centro Max Delbrück e um dos primeiros autores, realizou experimentos com a tecnologia Hi-C para elucidar a estrutura 3D dos TADs. Mas interpretar os resultados foi um desafio no início, pois os cientistas precisavam do genoma completo do skate como ponto de referência. “Na época, a referência consistia em milhares de pequenos pedaços desordenados de sequência de DNA, então isso não ajudou”, diz Acamel.
Para superar essa dificuldade, os cientistas usaram a tecnologia de sequenciamento de leitura longa, juntamente com dados Hi-C, para montar as peças do DNA como um quebra-cabeça e atribuir as sequências desordenadas aos cromossomos do skate. Com a nova referência, montar a estrutura 3D dos TADs usando Hi-C ficou trivial.
Eles compararam esse genoma aprimorado do skate com os genomas dos parentes mais próximos, os tubarões, para identificar quaisquer TADs alterados durante a evolução do skate. Esses TADs alterados incluíam genes do Wnt/PCP caminho, o que é importante para o desenvolvimento de barbatanas. Houve também uma variação específica do skate em uma sequência não codificante próxima ao Hox genes, que também regulam o desenvolvimento das barbatanas. “Esta sequência específica pode ativar vários Hox genes na parte frontal das nadadeiras, o que não acontece em outros peixes ou animais de quatro patas”, diz Paliou. Posteriormente, os cientistas realizaram experimentos funcionais que confirmaram que essas mudanças moleculares ajudaram os patins a desenvolver suas nadadeiras únicas.
TADs impulsionam a evolução
Pesquisas anteriores mostraram que mudanças nos TADs podem afetar a expressão de genes e causar doenças em humanos. Neste estudo, os cientistas mostram um papel dos TADs na condução da evolução que também foi observado anteriormente para as toupeiras.
Depois que o ancestral dos peixes primitivos duplicou seu genoma, muitas partes não utilizadas e redundantes foram subsequentemente perdidas. “Não foram apenas os genes que desapareceram, mas também os elementos reguladores associados e os TADs nos quais eles estão contidos”, diz Lupiáñez. “Acho que é uma descoberta empolgante, pois sugere que a estrutura 3D do genoma influencia sua evolução”.
Os TADs são importantes para a regulação dos genes, 40% deles são conservados em todos os vertebrados, diz Acemel. “No entanto, 60% dos TADs evoluíram de uma forma ou de outra. Quais foram as consequências dessas mudanças para a evolução das espécies? Acho que estamos apenas arranhando a superfície desse fenômeno emocionante”, diz Acemel.
Esse mecanismo de evolução limitado pelos TADs pode ser predominante na natureza. “Suspeitamos que esses mecanismos possam explicar muitos outros fenótipos interessantes que observamos na natureza”, diz Lupiáñez. “Ao adicionar essas novas camadas de expressão gênica, regulação gênica e organização 3D da cromatina, o campo da genômica evolutiva está entrando em uma nova era de descobertas”.