Uma nadadeira pode se tornar um membro? Mutações fazem nadadeiras do peixe-zebra se transformar em estruturas semelhantes a membros

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Os membros humanos têm vários ossos longos que se articulam ponta-a-ponta e permitem uma ampla variedade de movimentos (esquerda). O peixe-zebra normal, por outro lado, não tem tal articulação em seu esqueleto diminutivo de nadadeira (meio). Os cientistas descobriram agora o peixe-zebra mutante crescendo novos ossos que se estendem do corpo em um padrão semelhante aos membros (direita). Os novos ossos mutantes se desenvolvem usando os mesmos genes usados ​​para elaborar o antebraço (em rosa nos esqueletos esquerdo e direito). (Créditos: M. Brent Hawkins)

Publicado na Phys

A transição de nadadeiras para membros é tida como uma das mais famosas transformações evolutivas. Muitos estudos focam a compreensão da evolução de uma nadadeira simples em um esqueleto de membro complexo examinando o registro fóssil. Em um estudo publicado em 4 de fevereiro na revista Cell, pesquisadores de Harvard e do Hospital Infantil de Boston, nos Estados Unidos, examinaram o que ocorre no nível genético para direcionar diferentes padrões no esqueleto das nadadeiras em relação ao esqueleto dos membros.

Os pesquisadores, liderados por M. Brent Hawkins, Ph.D. e membro do Departamento de Biologia Organísmica e Evolutiva, realizaram exames genéticos em peixes-zebra à procura de mutações que afetam o esqueleto das nadadeiras. Ao contrário dos membros dos tetrápodes, que têm esqueletos complexos com muitos ossos que se articulam em muitas articulações, as nadadeiras peitorais do peixe-zebra têm um endoesqueleto simples que não possui articulações. Para sua surpresa, Hawkins e seus colegas encontraram mutações que modificaram suas nadadeiras em um padrão mais parecido com um membro, adicionando novos ossos, completos com músculos e articulações. Esses resultados revelam que a capacidade de formar estruturas semelhantes a membros estava presente no ancestral comum dos tetrápodes e peixes teleósteos e foi mantida em um estado latente que pode ser ativado por mudanças genéticas.

“Nós olhamos para algumas das aberrações de desenvolvimento e perguntamos se elas poderiam nos informar sobre os processos que estavam acontecendo subjacentes a algumas dessas grandes mudanças na evolução”, disse o autor principal Matthew P. Harris, professor associado de genética da Escola de Medicina Harvard e Pesquisa Ortopédica no Hospital Infantil de Boston. “E quando você vê algo que não deveria estar lá, quero dizer, não em 400 milhões de anos, é uma descoberta importante.”

O peixe-zebra pertence à linhagem teleóstica de peixes com nadadeiras raiadas. Os teleósteos são uma linhagem diversa de cerca de 30.000 espécies que inclui peixes-dourados, salmões, enguias, solha, peixe-palhaço, baiacu, bagre e peixe-zebra. Existem mais espécies de teleósteos do que todas as espécies de pássaros, mamíferos, répteis e anfíbios combinadas. No entanto, apesar do grande número de espécies e ampla variedade de formas, tamanhos e habitats, a nadadeira dorsal dos teleósteos é surpreendentemente simples e inalterada.

A transição da nadadeira para membro na linhagem dos tetrápodes modificou e desenvolveu a nadadeira ancestral para incluir muitos ossos que se articulam de ponta-a-ponta. Do mesmo estado inicial ancestral, as nadadeiras teleósteas foram reduzidas e simplificadas, de modo que não há articulação ponta-a-ponta, apenas o arranjo lado a lado dos radiais proximais. Essa estrutura permitiu aos pesquisadores determinar quais aspectos do desenvolvimento são exclusivamente dos membros e quais características são comuns nas nadadeiras e membros dos teleósteos e dos tetrápodes.

A coautora do estudo Katrin Henke, do Hospital Infantil de Boston, realizou triagens genéticas para transformar o DNA aleatoriamente e identificar genes que controlam a formação do esqueleto da nadadeira. Quando uma mutação causou mudanças interessantes no esqueleto do peixe-zebra, os pesquisadores voltaram para mapear geneticamente a mutação e determinar quais genes foram afetados. Nesse caso, eles descobriram que mutações nos genes waslb e vav2 causam o fenótipo de nadadeira. Esta foi uma descoberta surpreendente, pois não se sabia que esses genes desempenhavam papéis na padronização do corpo.

“Era uma grande dúvida saber como waslb e vav2 estavam mudando o padrão das nadadeiras”, disse Hawkins. “Esses genes não eram conhecidos por interagir com nenhuma das vias muito bem caracterizadas que orientam o desenvolvimento dos membros. No entanto, descobrimos que essas mutações causam um aumento na expressão do gene hoxa11b. Este gene é muito interessante porque os genes Hox são em parte responsável por padronizar a coluna vertebral, assim como as regiões dos membros. E os genes Hox11 em particular são necessários para fazer o antebraço “

Os pesquisadores usaram uma abordagem de knock-in de CRISPR avançada e inseriram um marcador no genoma que mostra onde um determinado gene está ativo. Eles substituíram o gene hoxa11b por uma proteína fluorescente vermelha, e as células que expressam o hoxa11b brilharam em vermelho. Essa ferramenta permitiu determinar que as mutações aumentam a expressão de hoxa11b para formar os novos ossos.

A análise histológica revelou que os novos ossos tinham fixação muscular, o que ocorre extensivamente nos ossos dos membros, mas não nas nadadeiras. Nos peixes teleósteos não existem músculos presos aos ossos. Em vez disso, os ossos fornecem um suporte intermediário na nadadeira e os músculos se estendem diretamente do ombro até os raios ósseos da nadadeira, contornando todos os ossos. Os novos ossos são totalmente integrados na nadadeira, completos com articulações para articulação e fixação aos músculos da nadadeira.

Muito trabalho foi feito no campo do desenvolvimento de membros e fornece uma boa compreensão de quais genes estão presentes e são necessários para formar os membros. Neste estudo, no entanto, os pesquisadores inverteram as abordagens tradicionais, concentrando-se na pequena nadadeira simples do peixe-zebra e pesquisando quais mudanças genéticas poderiam elaborar o apêndice e aumentar sua complexidade. “Antes disso, não haviam exemplos em que tínhamos genes ou mutações que de fato elaboram a estrutura e a tornam ainda mais complexa”, disse Hawkins. “Mesmo no caso de membros, só sabemos como torná-los menores ou menos complexos, mas não tínhamos nenhuma informação sobre como adicionar elementos a uma nadadeira ou membro.”

“Isso também foi muito surpreendente”, confirmou Harris. “Não tivemos nenhum exemplo experimental complicado em que você pega um gene, ativa-o, faz com que expresse mais funções e obtêm uma estrutura robusta mais complexa no final. Em nossas descobertas, realmente encontramos alguns dos indicadores que podem aumentar as vias genéticas e obter uma estrutura mais complexa no final.”

Anteriormente, outros pesquisadores removeram os genes Hox11 em camundongos e descobriram que isso impedia a formação completa do rádio e da ulna. “Dado que tanto os novos ossos em nosso peixe mutante examinado quanto o antebraço do membro estão localizados na parte central do apêndice, nosso resultado sugere que as nadadeiras e os membros usam o Hox11 para estrutura esta região”, afirmou Hawkins.

Essa descoberta também se encaixa perfeitamente com outra descoberta recente de que os genes Hox13 são necessários para formar as regiões distais das nadadeiras e dos membros. Ao todo, essas descobertas revelam que o código Hox estava provavelmente presente no ancestral comum dos tetrápodes e peixes teleósteos e não é específico para a linhagem dos tetrápodes.

Este estudo mostra que nadadeiras e membros usam os mesmos mecanismos genéticos para estruturar a parte intermediária do apêndice. No futuro, Hawkins espera explorar outra questão: as nadadeiras e os membros formam outras regiões de apêndices da mesma maneira?

“Ainda há o úmero no membro e não sabemos qual é a parte correspondente na nadadeira para ele, em termos de requisitos genéticos”, disse Hawkins. “Sabemos que existem sinais proximais que determinam para onde o úmero deve ir, mas não sabemos se os peixes usam esses sinais ou não. Queremos saber em um sentido de desenvolvimento como esses sinais surgiram nos membros e se esses sinais estão presentes de alguma forma nas nadadeiras dos peixes. E, com sorte, podemos preencher a correspondência entre as nadadeiras e os membros.”