15 de abril de 2010
La Jolla, CA—Uma alga verde multicelular, Volvox cartei, pode ter finalmente desvendado os segredos por trás da evolução dos diferentes sexos. Uma equipe liderada por pesquisadores do Salk Institute for Biological Studies mostrou que a região genética que determina o sexo em Volvox mudou drasticamente em relação à alga unicelular intimamente relacionada Chlamydomonas reinhardtii.
Suas descobertas, que serão publicadas na edição de 16 de abril da revista Ciência, fornecem o primeiro suporte empírico para um modelo da evolução de dois sexos diferentes em que a expansão de uma região determinante do sexo cria diversidade genética seguida por genes assumindo novas funções relacionadas à produção de células reprodutivas masculinas e femininas denominadas gametas.
Colônia feminina vegetativa. Volvox cartei forma colônias esféricas, que são compostas de 2,000 a 4,000 células individuais embebidas em uma matriz extracelular. Durante a reprodução assexuada, os chamados gonidia nas colônias masculinas e femininas (foto) produzem colônias juvenis por meio de divisões repetidas.
Imagem: cortesia do laboratório Umen, Salk Institute for Biological Research
“Até agora, os cromossomos determinantes do sexo geralmente eram vistos como regiões de decadência, perdendo constantemente genes que não estão envolvidos na reprodução sexual”, explica James Umen, Ph.D., professor assistente no Laboratório de Biologia Molecular e Celular de Plantas do Salk Institute, que liderou a equipe que conduziu o estudo. “Nosso estudo mostra o oposto – que essas regiões podem se expandir e gerar novo material genético muito mais rapidamente do que o restante do genoma”.
A maioria dos organismos multicelulares, como plantas e animais, tem dois sexos distintos, com as fêmeas produzindo grandes óvulos imóveis e os machos produzindo pequenos espermatozóides móveis. Embora os organismos unicelulares também possam se reproduzir sexualmente, os dois sexos das espécies unicelulares são tipicamente indistinguíveis um do outro e acredita-se que representem um estado evolutivo ancestral ou inicial. No entanto, as grandes distâncias que separam plantas ou animais de seus parentes unicelulares mais próximos impediram a compreensão da transição evolutiva para o dimorfismo macho-fêmea.
“Em organismos unicelulares como Chlamydomonas, os gametas parecem iguais. Em contraste, organismos multicelulares, incluindo Volvox, produzem óvulos e espermatozóides - eles são distintamente masculinos e femininos. No entanto, ninguém realmente tem ideia de como ocorre a evolução de machos e fêmeas ou quais mudanças genéticas foram necessárias para alcançá-la”, explica Umen.
Embora os genomas de Chlamydomonas e Volvox são semelhantes em muitos aspectos, há uma exceção flagrante que forneceu aos pesquisadores Salk uma entrada na origem dos sexos masculino e feminino - o chamado locus de acasalamento que funciona da mesma maneira que os cromossomos humanos X e Y para determinar o gênero .
Quando Umen e seus colegas examinaram os genes do locus de acasalamento em Chlamydomonas e Volvox eles descobriram que compartilhavam alguns dos mesmos genes, como seria de esperar de espécies intimamente relacionadas. No entanto, Volvox agora também possuía uma variedade surpreendente de novos genes que foram adicionados ao seu locus de acasalamento expandido, e a expressão de muitos desses genes passou a estar sob o controle dos programas de diferenciação masculina ou feminina.
Colônia masculina sexual. Durante a reprodução sexuada, o macho Volvox cartei as colônias produzem pacotes de esperma, cada um contendo 64 ou 128 células espermáticas. Após a liberação, os pacotes individuais de esperma nadam como uma unidade até atingirem um esferóide feminino, onde se dissociam antes da entrada da fertilização dos óvulos.
Imagem: cortesia do laboratório Umen, Salk Institute for Biological Research
“Descobrimos que o Volvox locus de acasalamento é cerca de cinco vezes maior do que o de Chlamydomonas”, diz o pesquisador de pós-doutorado e co-primeiro autor Patrick Ferris, Ph.D. “Queríamos entender a base evolutiva disso. Como isso aconteceu? E de onde vieram esses novos genes?”
Para rastrear a origem dos genes adicionados, a equipe procurou ver se eles também poderiam encontrá-los em Chlamydomonas. “Descobrimos que, embora alguns dos genes do locus de acasalamento em Volvox são completamente novos, muitos deles têm homólogos em Chlamydomonas que estão perto do locus de acasalamento”, explica o co-primeiro autor Bradley Olson, Ph.D. "Então Volvox pegou esses genes que inicialmente não tinham nada a ver com sexo, incorporou-os em seu locus de acasalamento e começou a usar alguns deles em seu ciclo reprodutivo sexual”.
A equipe agora está estudando esses novos genes do locus de acasalamento para entender seus papéis individuais na determinação do sexo e no desenvolvimento sexual.
Eles já identificaram um Volvox gene do locus de acasalamento chamado MAT3 que parece ter desenvolvido um novo papel na diferenciação sexual. MAT3 está relacionado a um gene humano chamado supressor de tumor de retinoblastoma, que controla a divisão celular e é frequentemente mutado em células cancerígenas. Na Volvox, MAT3 provavelmente tem um papel no controle da divisão celular como em animais e plantas, mas também adquiriu intrigantes diferenças específicas de gênero em sua sequência e padrão de expressão que se correlacionam com diferenças no desenvolvimento reprodutivo masculino/feminino. O laboratório de Umen está acompanhando essa descoberta para determinar o papel recém-desenvolvido de MAT3 in Volvox especificação de gênero.
“Este estudo mostra que Volvox e seus parentes são um modelo poderoso para estudar a evolução do sexo”, diz Umen. “Ele nos fornece um sistema no qual podemos refazer a história evolutiva para fazer perguntas sobre a origem do gênero e outras características difíceis de abordar em grupos como plantas e animais”.
A equipe também está trabalhando com colaboradores para examinar o locus de acasalamento de um intermediário evolutivo entre Chlamydomonas e Volvox chamado Gônio, que tem entre quatro e 16 células. “Gônio nos permite olhar para as etapas evolutivas entre Chlamydomonas e Volvox para entender melhor como aconteceu o processo evolutivo”, diz Ferris.
Além de Ferris, Olson e Umen, os colaboradores deste trabalho foram Peter L. De Hoff, Ph.D., e Sa Geng, Ph.D. no Instituto Salk; Stephen Douglass, David Casero e Matteo Pellegrini na UCLA; Simon Prochnik no Departamento de Energia dos EUA (DOE) Joint Genome Institute (JGI), Rhitu Rai no Salk Institute e no Indian Agricultural Research Institute, Nova Delhi; Jane Grimwood e Jeremy Schmutz no Hudson Alpha Institute for Biotechnology, Alabama; Ichiro Nishii na Nara Women's University, Nara, Japão; e Takashi Hamaji e Hisayoshi Nozaki na Universidade de Tóquio, Japão.
-Claire Attwooll
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