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A importância da Evo-Devo no
  entendimento do processo
          evolutivo

       Rodrigo Nunes da Fonseca

Universität ...
Junção dos conhecimentos de evolução, genética e desenvolvimento
               embrionário em um campo de estudo comum
  ...
Estrutura da palestra

• Histórico
• Definições - teoria

• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos important...
Histórico
- von Baer (1822) – era um fixista mas fez importantes estudos de embriologia em
diversos organismos.
- Ernst Ha...
1.5 Similarities/differences among different vertebrate embryos through
                              development
Hans Spemann (1901-1935) – Entwicklungsmechanik –
           Biologia do Desenvolvimento




- A descoberta de que um grup...
Histórico
- Genética (primeira metade do século 20 - Mendel, Wilson e Morgan - fusão da
genética mendeliana com a teoria d...
Histórico
- No final da década de 70 e início da década de 80 a junção
da Genética, Embriologia e Evolução comeca a aconte...
O problema da Evo-Devo – os organismo-modelo são muito poucos e muitas vezes
derivados filogeneticamente em relação ao vas...
Diversas técnicas
moleculares e vários
organismos são utilizados
em estudos de Evo-Devo
Análise da expressão gênica permite a identificação de diferentes
                      territórios celulares




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Estrutura da palestra

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• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos important...
Perguntas gerais que rodeiam a Evo-Devo:


• Darwin propôs no seu livro “A Origem das Espécies” que os mais aptos
  sobrev...
Estrutura da palestra

• Histórico
• Definições – teoria
• (Sean Carroll, David Stern, Scott Gilbert, Günter Wagner, Walla...
Um caminho para teoria:

- Oito princípios que definem a Evo-Devo:

(1) Pleiotropia - A maior parte das proteínas envolvid...
• (2) Complexidade Genética Ancestral
• - Animais morfologicamente bem diferentes (principalmente quando
  adultos) e que ...
Genes do complexo Hox são responsáveis pela padronização do eixo
antero-posterior em todos os animais bilaterais investiga...
Não apenas a ordem dos genes do complexo Hox é conservada, mas também
a posição dos reguladores destes genes, como os micr...
Genes Hox podem estar envolvidos com a expansao da regiao torácica em serpentes
quando comparados com outros organismos (c...
Genes Hox se ligam a regiões regulatórias (DNA) de vários genes-alvo específicos
para cada região do corpo e cada gene Hox
• (3) Equivalência funcional de ortólogos distantes e parálogos
 Vários experimentos demonstraram que genes provenientes d...
• (4) Homologia profunda (Deep Homology)

A formação e a diferenciação de muitas estruturas como olhos, coração e membros ...
- (5) Duplicações gênicas não parecem ser o principal
   motor da evolução (esta hipótese é a mais discutida de
   todas a...
Contrariando a hipótese de que as duplicações gênicas não são importantes,
o gene mais importante para a formação da regia...
Estrutura da palestra

• Histórico
• Definições – teoria
• (Sean Carroll, Scott Gilbert, David Stern, Günter Wagner, Walla...
(6) Heterotopia, Heterocronia, Heterometria, Heterotipia - tipos de
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Heterotopia - Mudança no local da expressão gênica




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(7) Modularidade de Regiões Cis-Regulatórias
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(8) Fatores de transcrição importantes controlam centenas de
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  (Restrições da biologia do desenvolvimento na Evolução)


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- Leis de difusão, hidráulicas, e suporte físico são imutáveis
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Restrições morfogenéticas
Sistemas auto-regulatórios tem limitações para funcionar quando
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Restrições filogenéticas

- São baseadas na estória filogenética do desenvolvimento de um organismo
(Gould, 1979).



- Ex...
Restrições filogenéticas
- A ação pleiotrópica dos genes restringe o número de mudanças que podem
ocorrer com estes genes....
Restrições filogenéticas
- Recrutamento para genes já existentes para novas funções. Por exemplo, o padrão
de pigmentação ...
Estrutura da palestra

• Histórico
• Definições - teoria

• Grandes questões em Evo-Devo
• Exemplos de trabalhos important...
Um gene, uma Regiao Aberta para Leitura (Open
         Reading Frame), uma proteína


         DNA        1-ATGAGAAGC........
Vários RNAm policistrônicos existem em insetos e possuem uma
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mille-pattes um gene que codifica um RNAm poli-cistrônico que é
 necessário para embriogênese e regulação dos genes Hox em...
Eco-Evo Devo (Ecological Developmental Biology) - Epigênese
Muito obrigado!
Mais informações sobre Evo-Devo em:

- http://evodevobr.blogspot.com/ (blog mantido junto com Igor Schneid...
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Genetics and                     ...
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Palestra de Divulgacao de Evo-Devo

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Palestra de divulgacao de Evo-Devo realizada na UFRMG em Belo horizonte, Minas Gerais em 10 de Dezembro de 2009 no Dia de Darwin.

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Palestra de Divulgacao de Evo-Devo

  1. 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. 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. 3. Estrutura da palestra • Histórico • Definições - teoria • Grandes questões em Evo-Devo • Exemplos de trabalhos importantes na área
  4. 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 !
  5. 5. 1.5 Similarities/differences among different vertebrate embryos through development
  6. 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. 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. 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. 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
  10. 10. Diversas técnicas moleculares e vários organismos são utilizados em estudos de Evo-Devo
  11. 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. 12. Estrutura da palestra • Histórico • Definições - teoria • Grandes questões em Evo-Devo • Exemplos de trabalhos importantes na área
  13. 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. 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. 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. 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. 17. Genes do complexo Hox são responsáveis pela padronização do eixo antero-posterior em todos os animais bilaterais investigados até hoje Drosophila camundongo
  18. 18. Não apenas a ordem dos genes do complexo Hox é conservada, mas também a posição dos reguladores destes genes, como os microRNAs
  19. 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. 20. Genes Hox se ligam a regiões regulatórias (DNA) de vários genes-alvo específicos para cada região do corpo e cada gene Hox
  21. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 28. Adição de pequenas bolinhas (“beads) contendo Gremlin ectópico em galinhas leva a formação de dígitos e interdígitos como pato
  29. 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. 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. 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. 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. 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. 34. (8) Fatores de transcrição importantes controlam centenas de Regioes Cis-Regulatórias de genes-alvo. Twist Ab
  35. 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. 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.
  37. 37. Restrições morfogenéticas Sistemas auto-regulatórios tem limitações para funcionar quando complexidade aumenta muito.
  38. 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. 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. 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. 41. Estrutura da palestra • Histórico • Definições - teoria • Grandes questões em Evo-Devo • Exemplos de trabalhos importantes na área
  42. 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. 43. Vários RNAm policistrônicos existem em insetos e possuem uma origem comum, pois seus peptídeos são interrelacionados (similares) Tautz, 2009 Brief Genomics
  44. 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
  45. 45. Eco-Evo Devo (Ecological Developmental Biology) - Epigênese
  46. 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. 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 Looking for interested students, collaborators, and research money.

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