Organismos vivos podem influenciar as mudanças em seus genes?

A mudança da informação genética ao longo do tempo é um fator chave para as adaptações evolutivas com as quais os seres vivos podem se adaptar às mudanças em seu ambiente. Por outro lado, a variabilidade genética surge no curso da reprodução, onde a informação genética é dividida e recombinada na prole em desenvolvimento. Além disso, as mutações são outra fonte importante de variabilidade genética. Essa variabilidade genética então fornece o ponto de partida para a ação da seleção natural, que resulta na herança preferencial de certas variantes genéticas vantajosas e, portanto, permite a adaptação às mudanças nas condições ambientais.

As mutações ocorrem com frequência variável e em locais diferentes dentro de todo o genoma de um organismo. Em organismos multicelulares, o DNA é empacotado por certas proteínas, incluindo as chamadas histonas. As modificações dessas proteínas afetam o grau de compactação do material genético. Os pesquisadores suspeitam que isso, por sua vez, influencia a taxa de mutação: vários projetos de pesquisa nas ciências da vida lidam com as conexões entre essas modificações e a frequência das mutações. Na pesquisa do câncer , por exemplo, foi possível mostrar que essas modificações e mutações que estão envolvidas no desenvolvimento do tumor muitas vezes ocorrem juntas.

Usando o exemplo do fungo Zymoseptoria tritici, uma praga do trigo, pesquisadores do Centro de Evolução de Kiel (KEC) da Universidade de Kiel conseguiram, pela primeira vez, demonstrar uma relação causal entre essas modificações de proteínas e a taxa de mutação. Para esse fim, os cientistas do grupo de trabalho de Genômica Ambiental do Instituto de Botânica da Universidade de Kiel, liderado pela professora Eva Stukenbrock, realizaram extensos experimentos evolutivos. Neles, os pesquisadores analisaram as taxas de mutação em colônias de fungos nas quais eles desligaram artificialmente certas enzimas que são responsáveis ??pelas modificações que ocorrem naturalmente. Em comparação com fungos não modificados, eles foram, portanto, capazes de determinar que as taxas de mutação diferiam e que as modificações nas proteínas eram, portanto, a causa direta de uma taxa de mutação alterada. Os cientistas de Kiel publicaram seus novos resultados de pesquisa hoje no renomado jornalNature Communications .

Experimentos de evolução extensivos

Em organismos multicelulares , o DNA é organizado com a ajuda de proteínas histonas. Este arranjo da informação genética, que pode ser pensado como um pacote, influencia, entre outras coisas, como a informação genética é lida e replicada. Erros nesse processo, também conhecidos como replicação, podem levar a mutações, além de fatores do ambiente. Para investigar o efeito das modificações nas proteínas envolvidas neste empacotamento na frequência das mutações, a equipe de pesquisa de Kiel conduziu experimentos evolutivos particularmente extensos. Eles compararam colônias de fungos nas quais certas enzimas do pacote de DNA foram artificialmente desligadas com colônias não modificadas. Eles então observaram as amostras original e modificada ao longo de um ano para comparar o surgimento de variantes genéticas em ambos os grupos.

Para excluir a influência dos processos de seleção, os pesquisadores selecionaram uma colônia fúngica aleatória uma vez por semana e criaram uma nova colônia com uma única célula por vez. Dessa forma, eles criaram o chamado gargalo evolutivo que fixou as variações de genes resultantes na geração seguinte. Dessa forma, eles foram capazes de garantir que a frequência das alterações genéticas nos fungos não fosse influenciada pela seleção. Devido ao longo período de investigação e ao grande número de abordagens paralelas, um grande repertório de mutações se acumulou nas colônias de fungos. Usando o sequenciamento do genoma de alto rendimento, os pesquisadores analisaram todas as informações genéticas das muitas variantes diferentes e, assim, foram capazes de determinar a frequência com que as mudanças genéticas ocorriam de modo geral.

"A inibição experimental das modificações epigenéticas levou a uma mudança significativa nas taxas de mutação - ou seja, dependendo do tipo de modificação , as mutações ocorreram com mais ou menos frequência. As modificações são, portanto, diretamente responsáveis ??pela frequência e localização das mutações espontâneas no genoma e pode influenciar o desenvolvimento evolutivo de uma espécie ", diz o Dr. Michael Habig, cientista do grupo de trabalho de Genômica Ambiental e primeiro autor do artigo. "Assim, nosso estudo usa dados experimentais que não estavam disponíveis de nenhuma outra espécie até agora para mostrar que diferentes modificações epigenéticas e mudanças na taxa de mutação não estão apenas correlacionadas, ou seja, ocorrem em paralelo, mas são causalmente baseadas umas nas outras."

Os organismos podem controlar as taxas de mutação?

Os novos resultados da equipe de pesquisa Kiel do KEC, portanto, fornecem as primeiras abordagens para responder a uma nova questão de pesquisa: se e como os organismos podem manipular ou otimizar de forma independente suas taxas de mutação. Especialmente nas relações entre pragas e organismos hospedeiros, como Zymoseptoria tritici e trigo, seria plausível se tais modificações controladas ocorressem para acelerar a adaptação mútua. “Como eles evoluem juntos e precisam responder a mudanças mútuas, há áreas na informação genética do hospedeiro e da praga que precisam se adaptar mais rápido do que outras”, explica Habig. "Este poderia ser um ponto em que um organismo atua em suas taxas de mutação para alcançar uma adaptação acelerada à sua contraparte." Isso seria apoiado, entre outras coisas,

Em pesquisas futuras, os cientistas querem investigar se essas intervenções no genoma realmente ocorrem de forma direcionada e estão conectadas a processos de adaptação evolutiva. "Nossos novos resultados são, portanto, em princípio, também relevantes em vários campos de aplicação. A prova de que as modificações epigenéticas e as taxas de mutação estão causalmente ligadas abre novas perspectivas para todo um espectro de campos de pesquisa", enfatiza Stukenbrock, chefe do grupo de trabalho de Genômica Ambiental e membro KEC. "Entre outras coisas, as novas descobertas nos ajudarão no futuro a entender melhor as adaptações das pragas de plantas aos seus hospedeiros ou a evolução dos tumores", diz Stukenbrock.