1. A importância da Evo-Devo no
entendimento do processo
evolutivo
Rodrigo Nunes da Fonseca
Universität zu Köln 2004-2009 (setembro)
UFRJ - Campus Macaé
10.12.09
2. Junção dos conhecimentos de evolução, genética e desenvolvimento
embrionário em um campo de estudo comum
(Evo-Devo), Biologia Evolutiva do Desenvolvimento
10.000.000
- No Brasil poucos, quase
Evolution and nenhum, grupo atua estudando
Development budget Evo-Devo.
NSF
1.600.000
250.000
1991 1999 2009
3. Estrutura da palestra
• Histórico
• Definições - teoria
• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos importantes na área
4. Histórico
- von Baer (1822) – era um fixista mas fez importantes estudos de embriologia em
diversos organismos.
- Ernst Haeckel (1866 e depois)– Autor da idéia que a seqüência (temporal) da
formação de um organismo é reflexo de sua história filogenética (“biogenenic law”).
Assim, características morfológicas que aparecem especificamente em um grupo
apareceriam depois (temporalmente) que características gerais.
Mérito de Haeckel: Um dos principais defensores do Darwinismo e que trouxe a
idéia da evolução para o desenvolvimento embrionário na Alemanha. O principal
problema de seus estudos e conclusões é uma total tendência a evolução como
um mecanismo de melhoramento (linha reta) a partir da adição terminal.
Fim do século XIX - Insatisfação geral com a “biogenic law” por vários motivos,
entre eles:
1) Havia uma limitação técnica na análise Evolutiva da Embriogênese.
2) Era um método apenas observativo com hipóteses intestáveis. Hans Driesch e
Wilhem Roux começaram o programa de estudo de BIOLOGIA DO
DESENVOLVIMENTO. Busca do mecanismo CAUSAL que explica um determinado
fenômeno, por exemplo: Como o mecanismo de diferenciacao ocorre durante a
embriogênese? SEPARACAO DA EMBRIOLOGIA E DA EVOLUCAO !
6. Hans Spemann (1901-1935) – Entwicklungsmechanik –
Biologia do Desenvolvimento
- A descoberta de que um grupo de células teria capacidade de organizar
novas estruturas foi um grande impulso na área de Biologia do
Desenvolvimento.
- Questão óbvia, como essas células induzem essa nova cabeça?
7. Histórico
- Genética (primeira metade do século 20 - Mendel, Wilson e Morgan - fusão da
genética mendeliana com a teoria da presença do material genético nos
cromossomos
-
- Genética mendeliana
é quantitativa, podem-
se contar e obter
estimativas a partir de
cruzamento, por
exemplo
Thomas Hunt Morgan
E.B. Wilson
8. Histórico
- No final da década de 70 e início da década de 80 a junção
da Genética, Embriologia e Evolução comeca a acontecer por
diversos fatores.
- Gould – Ontogenia e Filogenia (1977) – heterocronia
- “Francois Jacobs” - (1977) - Propôs que na verdade as novidades morfológicas
surgiriam a partir de sistemas regulatórios já existentes - “Evolution acts as tinkering”.
- King and Wilson (1977) - Sequenciaram proteínas de vários primatas e observaram
que não haviam diferencas entre estas seqüências codificantes. Propuseram então
que as diferencas morfológicas entre os primatas seriam na regulacao da producao
das proteínas responsáveis pelo desenvolvimento e não nas proteínas propriamente
ditas.
- Surgimento de técnicas de estudo a nível molecular, tais como sequenciamento
de proteínas e ácidos nucleicos, bem como localizacao de transcritos in situ.
- Genes que atuam durante o desenvolvimento embrionário são conservados entre
os diferentes animais (Drosophila a camundongo) – Genes Hox década de 80.
- Necessidade de se estudar o desenvolvimento embrionário não somente dos
organismos-modelo.
9. O problema da Evo-Devo – os organismo-modelo são muito poucos e muitas vezes
derivados filogeneticamente em relação ao vasto número de espécies que existem
- A falta do conceito de
ancestral comum em artigos de
Biologia do Desenvolvimento
11. Análise da expressão gênica permite a identificação de diferentes
territórios celulares
RNAs mensageiros
marcados com
diferentes cores
(vermelho e
marrom). Em azul
um marcador de
DNA (DAPI).
12. Estrutura da palestra
• Histórico
• Definições - teoria
• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos importantes na área
13. Perguntas gerais que rodeiam a Evo-Devo:
• Darwin propôs no seu livro “A Origem das Espécies” que os mais aptos
sobreviveriam a partir da seleção natural.
As principais perguntas que a Evo-Devo tenta responder são:
1) Qual o mecanismo genético que levou este organismo hipotético a se
transformar no mais APTO e estar vivo hoje?
2) Como os mecanismos evolutivos afetam o desenvolvimento
embrionário do indivíduo?
3) Como as propriedades dos sistemas de desenvolvimento afetam o
processo evolutivo?
4) Como as novidades evolutivas surgiram? Por exemplo, como surgiram
os ferroes das centopéias? Qual o mecanismo molecular responsável por
essa mudança morfológica?
14. Estrutura da palestra
• Histórico
• Definições – teoria
• (Sean Carroll, David Stern, Scott Gilbert, Günter Wagner, Wallace Arthur,
Greg Wray)
• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos importantes na área
15. Um caminho para teoria:
- Oito princípios que definem a Evo-Devo:
(1) Pleiotropia - A maior parte das proteínas envolvidas na regulação
do desenvolvimento participam de múltiplos e independentes
processos na formação e padronização de estruturas morfológicas
bem distintas.
16. • (2) Complexidade Genética Ancestral
• - Animais morfologicamente bem diferentes (principalmente quando
adultos) e que divergiram a partir de um ancestral comum muitos
milhões de anos atrás possuem um constituinte genético (“toolkit -
caixa de ferramentas) muito similar de genes responsáveis pela
padronização do corpo.
17. Genes do complexo Hox são responsáveis pela padronização do eixo
antero-posterior em todos os animais bilaterais investigados até hoje
Drosophila
camundongo
18. Não apenas a ordem dos genes do complexo Hox é conservada, mas também
a posição dos reguladores destes genes, como os microRNAs
19. Genes Hox podem estar envolvidos com a expansao da regiao torácica em serpentes
quando comparados com outros organismos (com galinhas, por exemplo)
HoxC8 (azul)
Hoxc6 (vermelho)
20. Genes Hox se ligam a regiões regulatórias (DNA) de vários genes-alvo específicos
para cada região do corpo e cada gene Hox
21. • (3) Equivalência funcional de ortólogos distantes e parálogos
Vários experimentos demonstraram que genes provenientes de
organismos cujo ancestral comum viveu a mais de 500 milhões de anos
atrás podem ter funções equivalentes quando trocados.
O resultado mostra que os ortólogos do gene com homeobox Pax6 são
capazes de induzir a formação de um olho funcional nas moscas-da-fruta.
Veja bem - o gene de camundongo quando expresso na mosca gera um olho
de mosca e não um olho de camundongo!!!
22. • (4) Homologia profunda (Deep Homology)
A formação e a diferenciação de muitas estruturas como olhos, coração e membros são tão diferentes
entre as diversas espécies que acredita-se originalmente que teriam evoluído completamente
independente, incluindo a partir de mecanismos moleculares distintos, mas hoje em dia sabe-se
que são controlados por conjuntos de genes similares e circuitos regulatórios extremamente
conservados.
23. - (5) Duplicações gênicas não parecem ser o principal
motor da evolução (esta hipótese é a mais discutida de
todas as premissas da Evo-Devo).
Duplicações gênicas (de genes responsáveis pelo
desenvolvimento embrionário) são bastante raras ao
longo da evolução dos animais. Isto indica que a
duplicação gênica não é um ingrediente essencial para o
aparecimento de inovações morfológicas. Muitas vezes
duplicações gênicas de genes importantes são
eliminadas devido a problemas de efeito-dosagem nos
processos de desenvolvimento.
24. Contrariando a hipótese de que as duplicações gênicas não são importantes,
o gene mais importante para a formação da regiao anterior da Drosophila,
Bicoid surgiu como uma duplicação gênica em Dipteros derivados
25. Estrutura da palestra
• Histórico
• Definições – teoria
• (Sean Carroll, Scott Gilbert, David Stern, Günter Wagner, Wallace Arthur,
Greg Wray)
• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos importantes na área
26. (6) Heterotopia, Heterocronia, Heterometria, Heterotipia - tipos de
mudanças associadas com divergência morfológica
Heterotopia - Mudança no local da expressão gênica.
Heterocronia - Mudança no momento da expressão gênica
(tempo)
Heterometria - Mudança na quantidade da expressão de
um determinado gene
Heterotipia - mudança no tipo da molécula (mudanças não-
regulatórias, na seqüência codificante do gene)
27. Heterotopia - Mudança no local da expressão gênica
Expressão do inibidor de BMP Gremlin é necessária para evitar a apoptose da
região de interdígitos que ocorre em galinhas e não em patos.
28. Adição de pequenas bolinhas (“beads) contendo Gremlin
ectópico em galinhas leva a formação de dígitos e
interdígitos como pato
29. Heterocronia – mudança no tempo relativo da ocorrência de determinado
evento entre dois processo de desenvolvimento de uma geração para outra.
Crescimento dos dígitos (dedos)
em vertebrados depende do
tempo de exposição a Fgf8 na
região de crescimento do dígito.
Diferentes dígitos se
desenvolvem com tamanho
diferentes devido ao fato de
possuírem diferentes quantidades
de Fgf8 iniciais.
30. Heterometria - Mudança na quantidade da expressão gênica
tentilhoes de Darwin e BMPs
- Um exemplo clássico de expansão adaptativa seleção natural são os
tentilhoes de Darwin.
- A quantidade de expressão do gene BMP é correlacionada com uma
variação da forma dos bicos dos tentilhoes de Darwin.
31. Heterometria - Mudança na quantidade da
expressão gênica - IL-4
- IL-4 é necessária para
promover a diferenciação de
linfócitos B secretando IgE.
- Mutação na região -524, acima
do início da transcrição leva a
formação de mais uma
seqüência que NFAT pode se
ligar (“binding site”).
- Em regiões em que índices de
parasitoses são altos, possuir
mais IgE é selecionado
positivamente.
32. Heterotipia - mudança no tipo (mudanças não-regulatórias,
na seqüência codificante do gene)
Porque insetos tem 6
patas (3 pares de
patas) ?
- Mudancas em
Ubx....uma
possibilidade....
Mudança na região codificante do gene homeobox Ubx leva a uma inibição da
transcrição do gene Distal-less pela presença de uma região de poli-alanina
especificamente em insetos (nova função repressora no abdomen de hexápodas).
33. (7) Modularidade de Regiões Cis-Regulatórias
- Regiões Cis-Regulatórias complexas e modulares são
uma característica especial dos “loci” contendo genes
pleiotrópicos.
Gene Estrutural
expresso em uma
região do corpo
Gene pleiotrópico
Expresso em várias
regiões do corpo
com diferentes
RCRs
34. (8) Fatores de transcrição importantes controlam centenas de
Regioes Cis-Regulatórias de genes-alvo.
Twist
Ab
35. Developmental Constraints on Evolution
(Restrições da biologia do desenvolvimento na Evolução)
- Apenas 12 filos existem no Reino Animal
- Teoricamente poderiam existir outras formas de “body plans” (planos
estruturais”) como em livros de ficção científica ou filmes.
- Porque isso não acontece? Porque não temos seres como os livros de ficção
científica vivendo por aí?
Hipótese - processos de desenvolvimento restringem o desenvolvimento
de novos fenótipos. Estas restrições de desenvolvimento são divididas
em 3 categorias. Física, morfogenética, e filogenética.
36. Restrições físicas
- Leis de difusão, hidráulicas, e suporte físico são imutáveis
e permitem apenas alguns fenótipos físicos surgirem.
- Estas leis fazem com que por exemplo não existam mosquitos com o
tamanho de uma girafa, etc, pois a troca gasosa não seria eficiente,
por exemplo.
38. Restrições filogenéticas
- São baseadas na estória filogenética do desenvolvimento de um organismo
(Gould, 1979).
- Exemplos são órgãos vestigiais, isto é, que não possuem uma função
importante em organismos adultos (degeneram). Por exemplo, a notocorda
que é uma estrutura importante e funcional em protocordados (Amphioxus)
mas que tem caráter transitório em vertebrados (degenera), após especificar o
tubo neural.
39. Restrições filogenéticas
- A ação pleiotrópica dos genes restringe o número de mudanças que podem
ocorrer com estes genes.
- Por exemplo, mamíferos tem sete vértebras cervicais enquanto pássaros podem ter muito
mais (mais variação). Relação dos Hox com o controle da proliferação celular em mamíferos.
40. Restrições filogenéticas
- Recrutamento para genes já existentes para novas funções. Por exemplo, o padrão
de pigmentação das asas de Drosophila não é randômico. Este processo obedece a
lógica dos “enhancers” presentes em cada um dos genes.
No exemplo acima, o gene Yellow (um gene de pigmentação) só é ativado na
região em que o repressor Engrailed está ausente e o ativador Bifid está presente.
Os sítios de ligacao nos”enhancers” que determina onde Yellow é ativado.
41. Estrutura da palestra
• Histórico
• Definições - teoria
• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos importantes na área
42. Um gene, uma Regiao Aberta para Leitura (Open
Reading Frame), uma proteína
DNA 1-ATGAGAAGC.....TGA-1008
1 gene
RNAm 1-AUGAGAAGC.....UGA-1008
1 RNAm
1...MSVLEDG.....336
proteína
43. Vários RNAm policistrônicos existem em insetos e possuem uma
origem comum, pois seus peptídeos são interrelacionados (similares)
Tautz, 2009 Brief Genomics
44. mille-pattes um gene que codifica um RNAm poli-cistrônico que é
necessário para embriogênese e regulação dos genes Hox em
besouros
A- Tipo selvagem
B-E - mlpt RNAi nocaute
(knock-down)
Desregulacão de genes
Hox após nocaute RNAi,
leva a formacao de patas
extras.
Savard et al., 2006 Cell
46. Muito obrigado!
Mais informações sobre Evo-Devo em:
- http://evodevobr.blogspot.com/ (blog mantido junto com Igor Schneider, Universidade
de Chicago)
- Estarei postando um .pdf desta apresentação no Blog
- Email – rodrigo.nunes.da.fonseca@gmail.com
- Livros com conceitos gerais sobre Evo-Devo:
- Ecological Developmental Biology, Scott Gilbert 2009
- Sean Carroll´s books - The Making of the Fittest, Endless Forms Most Beautiful,
Remarkable Creature e apresentações no HHMI
- David Stern – Evolution, Development and the Predictable Genome (a ser vendido em
2010)
- From Embryology to Evo-Devo - A History of Developmental Evolution (Laubichler &
Maienschein)
- Evolution, Nipam Patel Cold Spring Harbor 2008
47. International
Graduate School in - Prof. Dr. Siegfried Roth Molecular Basis of
Genetics and Evolutionary Innovations
- Dr.Maurijn van der Zee
• ......meetingorganizationtribmeetingcolo
Functional Genomics
niacoleoptera2009.pdf
UFRJ- Macaé
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