Cientistas resolveram um mistério genômico de longa data.
A origem dos íntrons, segmentos de não codificação que devem ser removidos do código genético antes da síntese de proteínas, é um dos mistérios mais duradouros da biologia. Os íntrons são uma característica universal dos genomas eucarióticos, encontrados em todos os animais, plantas, fungos e protistas, mas não nos genomas procarióticos, como os das bactérias. Apesar de sua onipresença, há uma variação significativa no número de íntrons encontrados em diferentes genomas, mesmo entre espécies intimamente relacionadas. Isso tornou a compreensão das origens e evolução dos íntrons um mistério fundamental de longa data na biologia.
Agora, um novo estudo liderado por cientistas da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, e publicado na revista Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS) aponta para os introners, um dos vários mecanismos propostos para a criação de íntrons descobertos em 2009, como uma explicação para as origens da maioria dos íntrons entre as espécies. Os pesquisadores acreditam que os introners são a única explicação provável para eventos de explosão de íntrons, nos quais milhares de íntrons aparecem em um genoma aparentemente todos de uma vez, e eles encontram evidências disso em espécies da árvore da vida.
“[This study] fornece uma explicação plausível para a grande maioria das origens dos íntrons”, disse Russell Corbett-Detig, professor associado de engenharia biomolecular e autor sênior do estudo.
“Existem outros mecanismos por aí, mas este é o único que conheço capaz de gerar milhares e milhares de íntrons de uma só vez no genoma. Se for verdade, isso sugere que descobrimos um processo central que impulsiona algo realmente especial sobre os genomas eucarióticos – temos esses íntrons, temos complexidade genômica”.
Os íntrons são importantes porque permitem splicing alternativo, o que, por sua vez, permite que um gene codifique vários transcritos e, portanto, sirva a múltiplas funções celulares complexas. Os íntrons também podem afetar a expressão gênica, a taxa na qual os genes são ativados para produzir proteínas e outros genes não codificantes. Em última análise, os íntrons têm um efeito neutro a ligeiramente negativo nas espécies em que existem porque, quando o splicing dos íntrons não é realizado corretamente, o gene em que vivem pode ser danificado e até morrer. Essas instâncias de splicing perdidas são a causa de alguns tipos de câncer.
Corbett-Detig e seus colegas pesquisaram os genomas de 3.325 espécies eucarióticas – todas as espécies para as quais temos acesso a genomas de referência de alta qualidade – para descobrir o quão comuns são os íntrons derivados de introners e em quais grupos de espécies eles são vistos mais frequente. Eles encontraram um total de 27.563 íntrons derivados de introners nos genomas de 175 espécies, o que significa que evidências de introners podem ser vistas em 5,2% das espécies pesquisadas.
Essa evidência foi encontrada em espécies de todos os tipos, de animais a protistas unicelulares – organismos cujo último ancestral comum viveu há mais de 1,7 bilhão de anos. A diversidade de espécies nas quais eles são encontrados sugere que os introners são a fonte fundamental e mais difundida de introns em toda a árvore da vida.
“É diverso – não é como se houvesse um pequeno pedaço da árvore da vida que está acontecendo”, disse Corbett-Detig. “Você vê isso em uma grande variedade de espécies, o que sugere que é um mecanismo bastante geral”.
Esta análise só pode detectar evidências de introners que remontam a alguns milhões de anos, um período de tempo relativamente curto quando se trata da história evolutiva. É provável que explosões de íntrons possam ter ocorrido em algumas espécies, como humanos, em um momento além do escopo desta análise – o que significa que este estudo provavelmente subestima muito o verdadeiro escopo dos íntrons derivados de introners em todos os eucariotos.
Introners como parasitas genômicos.
No ecossistema do genoma, os introners podem ser considerados parasitas com o objetivo de sobreviver e se replicar. Quando um introner entra em um novo organismo, esse novo hospedeiro nunca viu aquele elemento antes e não tem como se defender, permitindo que ele prolifere em uma nova espécie.
“Tudo na evolução é um conflito e esses elementos, [including introners], são pedaços egoístas de DNA”, disse Landen Gozashti, o primeiro autor do artigo que desenvolveu os métodos de análise do estudo como estudante de graduação na UCSC e agora é aluno de pós-graduação na Universidade de Harvard. “Eles só querem se replicar, e a única razão pela qual não querem matar seu hospedeiro é porque isso os mata.”
Ao serem separados da sequência de DNA antes que ocorra a tradução do gene em proteínas, os introners encontraram uma maneira de ter menos impacto na aptidão do gene hospedeiro, permitindo que persistissem através das gerações da evolução da espécie hospedeira. Os pesquisadores descobriram que os íntrons derivados de introners parecem se unir melhor do que outros tipos de íntrons, para limitar seus efeitos negativos no gene, de modo que tanto o introner quanto o hospedeiro possam sobreviver melhor.
Mais introners no mar.
Embora todos os introners tenham sido encontrados em todos os tipos de espécies, os resultados mostraram que os organismos marinhos eram 6,5 vezes mais propensos a ter introners do que as espécies terrestres.
Os pesquisadores acham que isso provavelmente se deve a um fenômeno chamado transferência horizontal de genes, no qual os genes são transferidos de uma espécie para outra, em oposição à típica transferência vertical por meio do acasalamento e da passagem de genes de pais para filhos. Já se sabe que a transferência horizontal de genes ocorre mais comumente em ambientes marinhos, especialmente entre espécies unicelulares com ecologias complexas.
Os introners podem viajar dessa maneira porque pertencem a uma classe de elementos genômicos chamados elementos transponíveis, que têm a capacidade de se mover além do ambiente celular em que vivem, tornando-os mecanicamente bem equipados para viajar entre as espécies por meio da transferência horizontal de genes. À medida que os intronistas se transferiam de uma espécie para outra em ambientes marinhos, eles expandiam enormemente sua presença na árvore da vida.
Considerando que sabemos que todas as espécies evoluíram de organismos marinhos, pode ter sido que as espécies terrestres ganharam íntrons de rajadas de íntrons em sua história evolutiva.
“Se seus ancestrais eram organismos marinhos, o que todos eram, há uma boa chance de que muitos de seus íntrons sejam herdados de um organismo semelhante. [introner burst] evento naquela época”, disse Corbett-Detig. “Isso pode ter sido muito importante em nosso passado evolutivo.”
Mais introners também foram encontrados em espécies de fungos, que também são conhecidas por terem taxas mais altas de transferência horizontal de genes, apoiando ainda mais a ideia de que esse fenômeno impulsiona o ganho de introners.
Em pesquisas futuras, Corbett-Detig planeja procurar provas de transferência horizontal de genes na forma de introners quase idênticos em duas espécies diferentes. Ele criou pipelines de mineração de dados para que, à medida que a comunidade global de pesquisadores de genômica contribua com genomas de novas espécies para repositórios de dados, seu algoritmo procure os introners de cada novo genoma e os compare com todos os introners conhecidos para procurar semelhanças.
Entendendo como a complexidade evolui.
Este estudo apresenta um desafio para uma das teorias abrangentes da evolução do genoma quanto ao que impulsiona a complexidade genômica em eucariotos. A teoria também postula que, em um ponto da evolução, muitas espécies tinham tamanhos populacionais efetivos baixos, o que significa que muito poucos organismos em uma espécie estavam produzindo descendentes para criar sua próxima geração. Isso permitiu que elementos conhecidos por terem efeitos levemente negativos sobre a população se acumulassem no genoma.
Seguindo essa teoria, os introners, que são neutros a levemente deletérios, seriam vistos mais comumente em populações com populações efetivas mais baixas – mas os pesquisadores descobriram o contrário. Por exemplo, eles descobriram que Symbiodinium, um protista conhecido por ter um tamanho populacional efetivo muito maior do que humanos, plantas terrestres e outros, é a espécie que parece estar ganhando mais íntrons entre os pesquisados.
Mas esta pesquisa aponta para uma complexidade decorrente não de uma adaptação criada pelo próprio genoma, mas como uma resposta ao conflito causado pelo elemento transponível invasor, o introner, em sua tentativa de proliferação. À medida que os introners e outros elementos lutam para sobreviver e persistir, esse conflito impulsiona a complexidade do genoma.
Introners e expressão gênica.
Os efeitos neutros a negativos dos íntrons também são evidenciados por seu efeito na expressão gênica. Ao comparar genes com introners inseridos neles com genes sem, aqueles que possuem introners tiveram um nível de expressão geral mais baixo, o que significa que eles são ativados com menos frequência para realizar funções no corpo.
Os pesquisadores acreditam que os introners não são necessariamente os causadores diretos dessa menor expressão, mas que genes menos expressos têm maior tolerância a um elemento que pode estar afetando-os negativamente porque são menos importantes para a sobrevivência da espécie. Enquanto isso, os genes que são altamente expressos e podem estar codificando funções-chave no corpo provavelmente não podem tolerar a introdução de novos íntrons que poderiam levá-los a realizar sua tarefa com menos eficácia.
A pesquisa em andamento de Corbett-Detig sobre esse tópico também envolve a observação de evidências diretas de como o aparecimento de íntrons em um genoma afeta os indivíduos de uma espécie. Ele identificou várias espécies que estão experimentando rajadas contínuas de íntrons e está observando o efeito dos introners no DNA e RNA da célula, e como isso afeta a aptidão evolutiva da espécie.
Referência: “Elementos transponíveis impulsionam o ganho de íntrons em diversos eucariotos” por Landen Gozashti, Scott W. Roy, Bryan Thornlow, Alexander Kramer, Manuel Ares Jr. e Russell Corbett-Detig, 19 de outubro de 2022, Anais da Academia Nacional de Ciências . DOI: 10.1073/pnas.2209766119.
