A evolução de apêndices do corpo é um dos temas fascinantes da biologia evolutiva, uma vez que essas estruturas estão diretamente associadas à locomoção, à defesa e à exploração de nichos ecológicos e apresentam uma grande variedade de formas e funções entre os vertebrados. Perdas ou reduções desses apêndices ocorreram repetidamente ao longo da história evolutiva, sugerindo que tais modificações podem ser favorecidas sob determinadas pressões seletivas. Nesse contexto, o peixe threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus Linnaeus, 1758) despontou como um dos modelos mais informativos para investigar a base genética e molecular de grandes transformações morfológicas, por alterações em regiões gênicas reguladoras, a partir de estudos pioneiros conduzidos pelos grupos de David Kingsley e Michael Shapiro, que demonstraram a associação entre a redução pélvica e mudanças em um elemento cis-regulador no gene Pitx1[2]. Essa linha de pesquisa foi posteriormente aprofundada por trabalhos dos mesmos pesquisadores e colaboradores que identificaram e caracterizaram alterações genéticas independentes que inativaram o funcionamento do módulo regulador responsável pela formação da estrutura pélvica e foram selecionadas de forma recorrente nas populações de água doce[1]. Além disso, esses estudos realizaram abordagens comparativas que inseriram os achados com o esgana-gato em um contexto mais amplo da biologia evolutiva do desenvolvimento dos vertebrados[3].
Um peixe, dois mundos
As populações marinhas de G. aculeatus apresentam uma cintura pélvica bem desenvolvida, com espinhos longos e serrilhados que funcionam como defesa eficaz contra peixes predadores. Populações de água doce surgiram quando indivíduos de origem marinha colonizaram ambientes dulcícolas, como rios e lagos recém-formados após eventos geológicos e glaciações, ficando isolados reprodutivamente das populações ancestrais. Esse isolamento impediu o fluxo gênico contínuo entre os ambientes, permitindo que as populações de água doce evoluíssem de forma independente. Em contraste com as populações marinhas, essas populações dulcícolas exibem redução parcial ou ausência completa da cintura pélvica e dos seus espinhos. Essas alterações morfológicas ocorreram repetidamente e de maneira independente em diferentes regiões geográficas e está associada aos tipos de predadores que os peixes estão sujeitos na água salgada ou doce. Em ambientes de água doce, por vezes de pouca profundidade, os peixes ficam sujeitos a predadores invertebrados, como larvas de insetos aquáticos que capturam suas presas por meio de apêndices preênseis utilizando os espinhos pélvicos como pontos de apoio facilitadores da captura. Nessas condições, a redução da pelve confere uma vantagem adaptativa, favorecendo indivíduos com menor desenvolvimento dessas estruturas.
Diferenças visíveis, causas invisíveis
As diferenças fenotípicas entre populações marinhas e de água doce de sticklebacks são marcantes e bem documentadas. Em ambientes marinhos, a cintura pélvica é composta por um complexo ósseo bem desenvolvido que sustenta espinhos defensivos funcionais. Por outro lado, muitas populações de água doce apresentam redução significativa da cintura pélvica, espinhos vestigiais ou ausência total dessas estruturas[2].
Estudos genéticos demonstraram que a variação morfológica observada entre populações de G. aculeatus está fortemente associada ao gene Pitx1, um fator de transcrição essencial para o desenvolvimento dos apêndices posteriores em vertebrados. É importante destacar que não foram identificadas alterações relevantes na sequência codificadora deste gene. Em vez disso, a diferença reside em mudanças em um módulo cis-regulador, denominado Pel – uma sequência reguladora de DNA cuja função é controlar quando e em quais regiões do organismo o gene será ativado durante o desenvolvimento ¹. No caso dos sticklebacks, esse módulo cis-regulador é especificamente dedicado ao desenvolvimento do tecido pélvico e está localizado a montante do gene Pitx1, isto é, antes do início da sua sequência codificadora do gene[1,3].
Evo-devo em ação
Do ponto de vista da biologia evolutiva do desenvolvimento, o sistema Pitx1 nos sticklebacks tornou-se um exemplo emblemático de como mudanças nas regiões reguladoras dos genes podem gerar grandes transformações morfológicas. A modularidade dos elementos reguladores permite o controle da expressão do mesmo gene em contextos espaciais e temporais distintos. Dessa forma, mutações que afetam um módulo específico produzem alterações fenotípicas localizadas, sem comprometer outros padrões de expressão e funções essenciais do gene, reduzindo os efeitos pleiotrópicos.
Por sua vez, a identificação de múltiplas deleções independentes no mesmo módulo cis-regulador pélvico configura um exemplo claro de evolução paralela, no qual diferentes populações convergem para soluções genéticas semelhantes sob pressões seletivas equivalentes. Evidências genômicas estão relacionadas às características estruturais específicas da região do gene Pitx1, o qual está localizado próximo à extremidade de um dos cromossomos do peixe, em uma região subtelomérica com alta densidade de sequências repetitivas do DNA e micro homologias. Regiões com conteúdo elevado de pares adenina-timina e propensão a formação de estruturas secundárias, tendem a sofrer mais facilmente estresse mecânico durante processos celulares como a replicação e o reparo, o que aumenta a probabilidade de quebras e perdas de sequências da dupla hélice. Tal fato elucida a razão pela qual mutações semelhantes surgem repetidamente em populações independentes[4].
Além disso, os pontos originais de quebra após religados apresentam assinaturas características de mecanismos de reparo imprecisos, como a junção de extremidades não homólogas (non-homologous end joining, NHEJ). Em conjunto, essas características tornam o módulo cis-regulador pélvico de Pitx1 particularmente propenso a deleções recorrentes, aumentando a probabilidade de surgimento de variantes que podem ser exploradas pela seleção natural.
Assim, esse sistema exemplifica como a biologia evolutiva do desenvolvimento (evolutionary developmental biology, evo-devo) atua como um elo conceitual entre genética, desenvolvimento e evolução. Como qualquer outro processo biológico, essas modificações surgem como variações genéticas filtradas pela seleção natural de acordo com o contexto ecológico e se manifestam como diferenças morfológicas herdáveis. No caso dos sticklebacks, evidências geológicas, climáticas e populacionais indicam que muitas dessas transformações ocorreram rapidamente, em um intervalo estimado em cerca de 10.000 anos, durante a colonização de ambientes de água doce que se seguiu ao recuo das geleiras no final do Pleistoceno. Trata-se de um período extremamente reduzido quando comparado às escalas de tempo tradicionalmente consideradas na evolução morfológica de vertebrados.
Dessa forma, o caso do gene Pitx1 demonstra de maneira concreta como processos microevolutivos, proporcionados por mutações em regiões reguladoras dos genes e seleção natural atuando em novos contextos ambientais, podem gerar distinção entre populações e especiação, e subsidia extrapolar mecanismos genéticos responsáveis pelos processos macroevolutivos geradores dos diferentes grupos de vertebrados[1,2].
Do laboratório para a natureza: o que os testes revelam
Ao comparar essas descobertas com evidências provenientes de modelos laboratoriais, observa-se que alterações em genes reguladores do desenvolvimento tendem, com frequência, a produzir efeitos deletérios. Em camundongos, por exemplo, a inativação completa de Pitx1 resulta em anomalias craniofaciais severas, defeitos na hipófise e letalidade neonatal. Em contraste, na situação descrita para os sticklebacks, não são observadas modificações nas regiões codificadoras desse gene; as alterações concentram-se em um elemento regulador, restringindo a perda de expressão a domínios anatômicos específicos durante o desenvolvimento larval[2].
Ensaios funcionais com construções repórter demonstram que o módulo regulador pélvico é capaz de direcionar a expressão gênica exclusivamente para a região da pelve quando introduzido em embriões, confirmando experimentalmente sua especificidade espacial e temporal. A ausência desse módulo resulta na perda de expressão apenas nesse território, preservando a atividade gênica em outros tecidos e evidenciando, de maneira direta, a natureza modular do controle regulatório[1,3].
Adicionalmente, a ausência consistente da relação entre o lócus Pitx 1 e o fenótipo de redução pélvica em experimentos envolvendo organismos diferentes do esgana-gato, reforça que a falta de associação lócus-fenótipo foi observada recorrentemente ao longo dos estudos realizados.
O quadro geral: o que aprendemos com o stickleback
Os estudos com esse modelo mostraram que a variação pélvica pode ser atribuída a um único locus de característica quantitativa (quantitative trait locus (QTL)) de grande efeito[2], situação incomum para traços morfológicos complexos. Essa constatação empírica revela que alterações anatômicas expressivas podem possuir uma base genética relativamente simples, com implicações relevantes para a compreensão da arquitetura genética de características adaptativas.
Outro aspecto significativo dos estudos, é a evidência experimental de conservação funcional desse módulo regulador em outros vertebrados[3], sugerindo que elementos ancestrais do controle do desenvolvimento podem ser reutilizados e modificados ao longo da evolução para gerar diversidade morfológica.
Por fim, a integração entre dados genéticos, funcionais e estruturais do DNA indica que a evolução paralela não depende exclusivamente de pressões seletivas semelhantes, mas também de propriedades intrínsecas do genoma que tornam determinadas regiões mais propensas à geração de variação adaptativa. Essa síntese entre genética molecular, desenvolvimento e propriedades físicas do DNA representa um avanço conceitual importante para compreender como a evolução pode apresentar, simultaneamente, aspectos contingentes e previsíveis[1,4].
Referências
[1] CHAN, Y. F. et al. Adaptive evolution of pelvic reduction in sticklebacks by recurrent deletion of a Pitx1 enhancer. Science, v. 327, n. 5963, p. 302-305, 2010.
[2] SHAPIRO, M. D. et al. Genetic and developmental basis of evolutionary pelvic reduction in threespine sticklebacks. Nature, v. 428, n. 6984, p. 717-723, 2004.
[3] THOMPSON, A. C. et al. A novel enhancer near the Pitx1 gene influences development and evolution of pelvic appendages in vertebrates. Elife, v. 7, p. e38555, 2018.
[4] XIE, K. T. et al. DNA fragility in the parallel evolution of pelvic reduction in stickleback fish. Science, v. 363, n. 6422, p. 81-84, 2019.