DNA: proteínas antigas estão começando a revelar a história da humanidade
Proteínas que datam de mais de um milhão de anos foram extraídas de
alguns fósseis e poderiam ajudar a responder algumas perguntas difíceis
sobre seres humanos arcaicos.
Homo floresiensis é uma das espécies que os pesquisadores esperam estudar sequenciando proteínas antigas. Crédito: Adaptado de Arquivo da História Mundial / Alamy
Em algum momento nos últimos 160 mil anos, mais ou menos, os restos
mortais de um ser humano antigo acabaram em uma caverna no planalto
tibetano na China. Talvez o indivíduo tenha morrido ali, ou partes foram levadas para lá por seus parentes ou um limpador de animais. Em poucos anos, a carne desapareceu e os ossos começaram a se deteriorar. Então, milênios gotejaram.
As geleiras recuaram e depois voltaram e recuaram novamente, e tudo o
que foi deixado para trás foi um pouco de queixada com alguns dentes.
O osso tornou-se gradualmente revestido em uma crosta mineral, e o DNA
desse antigo ancestral foi perdido para o tempo e o clima. Mas alguns sinais do passado persistiram. Nas profundezas dos dentes dos hominídeos, as proteínas permaneciam degradadas, mas ainda identificáveis.
Quando os cientistas os analisaram no início do ano, eles detectaram o
colágeno, uma proteína de suporte estrutural encontrada nos ossos e
outros tecidos.
E em sua assinatura química havia uma única variante de aminoácido que
não está presente no colágeno de humanos modernos ou neandertais - em
vez disso, marcou o maxilar como pertencente a um membro do misterioso
grupo hominino chamado Denisovans 1 .
A descoberta de um Denisovan na China foi um marco importante.
Foi o primeiro indivíduo encontrado fora da caverna de Denisova, na Sibéria,
onde todos os outros restos de seu tipo já haviam sido identificados.
E a localização do local no platô tibetano - mais de 3 mil metros acima
do nível do mar - sugeria que os denisovanos tinham conseguido viver em
ambientes com muito frio e baixo oxigênio.
Mas a descoberta também marcou outro marco: foi a primeira vez que uma
antiga hominina foi identificada usando apenas proteínas.
É uma das descobertas mais marcantes ainda para o campo incipiente da
paleoproteômica, em que os cientistas analisam proteínas antigas para
responder a perguntas sobre a história e evolução dos seres humanos e
outros animais.
As proteínas, que permanecem em fósseis por muito mais tempo do que o
DNA, podem permitir que cientistas explorem novas eras da pré-história e
usem ferramentas moleculares para examinar ossos de uma parte muito
mais ampla do mundo do que é atualmente possível, de acordo com os
defensores do campo. Anteriormente, cientistas haviam recuperado proteínas de dentes de
animais de 1,8 milhão de anos e uma casca de ovo de 3,8 milhões de anos.
Agora, eles esperam que a paleoproteômica possa ser usada para fornecer
insights sobre outros fósseis hominídeos antigos que perderam todos os
vestígios de DNA - do Homo erectus , que percorreu partes do mundo de cerca de 1,9 milhão a 140 mil anos atrás, ao Homo floresiensis , o diminutivo. espécies 'hobbit' que viveram na Indonésia há 60 mil anos. Ao observar as variações dessas proteínas, os cientistas esperam
responder a perguntas antigas sobre a evolução de grupos humanos
antigos, como as linhagens ancestrais diretas do Homo sapiens .
"Eu acho que você pode basicamente desbloquear toda a árvore humana",
diz Matthew Collins, um bioarqueólogo da Universidade de Copenhague que
está na vanguarda do campo desde os anos 80, quando consistia de apenas
um punhado de pesquisadores.
A maioridade
Apesar da empolgação, alguns argumentam que os pesquisadores poderiam
se esforçar para pintar um quadro definitivo da história humana a partir
das informações que os pesquisadores podem obter das proteínas, o que é
limitado em comparação com o obtido pelo DNA.
E muitos temem que a paleoproteômica em geral possa ser suscetível a
resultados espúrios, decorrentes de questões como contaminação.
"Você vê uma pesquisa muito boa, e então você vê pessoas que publicam
coisas que são muito estranhas, porque elas não pensam criticamente
sobre os métodos", diz Philipp Stockhammer, um arqueólogo da
Universidade Ludwig Maximilian de Munique, na Alemanha. Nas últimas duas décadas, o DNA recuperado de antigos fósseis transformou a compreensão dos cientistas sobre a evolução humana.
A análise das semelhanças e diferenças no DNA de diferentes grupos de
hominina permitiu que os pesquisadores mapeassem a árvore genealógica
emaranhada de uma forma que anteriormente não era possível. E material genético levou a algumas descobertas importantes, como a descoberta de Denisovans em primeiro lugar.
As seqüências de proteína de colágeno desta queixada de 160 mil anos identificaram-na como um Denisovan do planalto tibetano.Crédito: F. Chen et al./ Nature
Mas as lacunas gritantes permanecem nessa imagem. O DNA foi sequenciado a partir de apenas três grupos de hominina: Neandertais, Denisovanos e Homo sapiens
, principalmente de espécimes com menos de 100.000 anos de idade (uma
exceção notável é um par de neandertais primitivos de 430.000 anos da
Espanha 2 ).
Vá algumas centenas de milhares de anos atrás, e as coisas ficam muito mais obscuras.
Este foi um período de tempo em que muitas coisas interessantes estavam
acontecendo, diz Frido Welker, um antropólogo molecular da Universidade
de Copenhague. Foi quando os denisovanos e os neandertais ramificaram-se da linhagem que se tornaria humanos modernos, por exemplo. Mas continua sendo uma parte obscura da história humana.
Os pesquisadores não sabem, por exemplo, se o antigo hominin Homo heidelbergensis , que viveu em torno de 700.000 a 200.000 anos atrás, foi um ancestral tanto de H. sapiens quanto de neandertais ou parte de apenas o ramo neandertal, como alguns sugeriram. "Muito disso acontece além do alcance do DNA antigo", diz Welker. Volte um milhão de anos ou mais, e as coisas ficam ainda menos claras.O H. erectus
, por exemplo, surgiu pela primeira vez na África há cerca de 1,9
milhão de anos, mas, sem evidências de DNA, permanece incerto exatamente
como está relacionado a hominídeos posteriores, incluindo o H. sapiens . DNA antigo também deixou pontos cegos geográficos.
O DNA degrada mais rápido em ambientes quentes, por isso, embora um
espécime de 100 mil anos encontrado em uma caverna siberiana gelada
ainda possa abrigar material genético, um fóssil que passou tanto tempo
no calor da África ou no sudeste asiático geralmente não o fará. Como resultado, pouco se sabe sobre a genética de hominídeos relativamente recentes dessas regiões, como o H. floresiensis . Agora os pesquisadores esperam que a análise de proteínas comece a preencher alguns desses espaços em branco. A ideia não é nova: já na década de 1950, pesquisadores relataram encontrar aminoácidos em fósseis. Mas por um longo tempo, a tecnologia necessária para sequenciar proteínas antigas simplesmente não existia.
“Durante a maior parte da minha carreira, sinceramente, acreditei
genuinamente que não conseguiríamos recuperar antigas seqüências de
proteínas”, diz Collins.
Isso mudou nos anos 2000, depois que os pesquisadores perceberam que a
espectrometria de massa - uma técnica usada para estudar proteínas
modernas - também poderia ser aplicada a proteínas antigas.
A espectrometria de massa envolve essencialmente a quebra de proteínas
em seus peptídeos constituintes (cadeias curtas de aminoácidos) e a
análise de suas massas para deduzir sua composição química.
Os pesquisadores usaram esse método para vasculhar centenas de
fragmentos ósseos para identificar os tipos de animais de onde vieram.
Nessa abordagem específica, chamada zooarchaeology por espectrometria
de massa ou ZooMS, os pesquisadores analisam um tipo de colágeno.
A massa dos componentes do colágeno difere em vários grupos e espécies,
fornecendo uma impressão digital característica que permite aos
pesquisadores identificar a fonte do osso.
O ZooMS foi usado em um artigo de 2016 para identificar um osso
hominíneo entre milhares de fragmentos da caverna Denisova - um osso que
a análise de DNA posteriormente mostraria pertencer a um híbrido,
apelidado de Denny, com uma mãe neandertal e um pai denisovano.
Mesmo com esse resultado, a antiga análise de proteínas já havia
ampliado substancialmente nossa visão da evolução humana, diz o
geneticista populacional Pontus Skoglund, do Instituto Francis Crick, em
Londres.
Katerina Douka, arqueóloga do Instituto Max Planck para a Ciência da
História Humana em Jena, na Alemanha, está agora usando a técnica para
pesquisar 40.000 fragmentos ósseos não identificados da Ásia, na
esperança de descobrir hominídeos mais antigos. Mas ZooMS pinta uma imagem apenas em pinceladas largas.
Uma vez que um osso é identificado como pertencente a uma hominina, por
exemplo, outras técnicas são necessárias para aprofundar.
Assim, outros se voltaram para a proteômica shotgun, que visa
identificar todas as sequências de proteínas em uma amostra - seu
proteoma.
A composição do proteoma depende do tipo de tecido que está sendo
examinado, mas frequentemente inclui várias formas de colágeno.
Esse método gera milhares de sinais, o que o torna muito mais
informativo do que o ZooMS, diz Douka, mas também mais complicado de
interpretar.
Ao combinar esses sinais com sequências conhecidas em bancos de dados,
os pesquisadores podem identificar as sequências exatas de colágeno ou
outras proteínas em sua amostra.
Os cientistas podem então comparar esta nova sequência proteica
determinada com a mesma proteína de outros grupos de hominina,
procurando semelhanças e diferenças em aminoácidos individuais que
ajudarão a colocar a hominina na árvore genealógica. Isso é semelhante a como os pesquisadores de DNA antigos observam variações de letras únicas em sequências genéticas.
Preenchendo as lacunas
Embora os pesquisadores tivessem usado análise de proteínas junto com sequenciamento antigo de DNA antes de 4
, o tibetano Denisovan foi o primeiro hominídeo antigo para o qual só
as proteínas foram analisadas - e outras poderiam ser seguidas em breve
(veja 'Obtendo fósseis para falar'). Um olhar sobre as seqüências protéicas de H. heidelbergensis , por exemplo, poderia esclarecer sua relação com o H. sapiens e o Neanderthal.
Créditos: H. floresiensis : P. Brown et al ., Nature ;Dente de Denisovan: R. Reich et al ., Nature ;Híbrido Denny: Tom Higham, Univ.Oxford;Queixada de Denisovan: F. Chen et al .(Ref. 1) / Natureza ;H. naledi : LR Berger etal / eLife ;Neandertal: M. Meyer et al .(Ref. 2) / Natureza ;H. erectus : Nat.Hist.Mus./Alamy;Stephanorhinus : Nat.Hist.Mus.Dinamarca;Lucy: 120 via Wikimedia Commons;Casca de avestruz: Terry Harrison
Os debates rodaram durante uma década e meia sobre a natureza de H. floresiensis
, cujos restos foram descobertos na ilha indonésia de Flores em 2003. A
sua relação com outros hominídeos não é clara, com sugestões de que
poderia ser um anão descendente de H erectus , ou talvez até mesmo que evoluiu do gênero Australopithecus que é mais distantemente relacionado aos humanos modernos. Este grupo viveu mais de 2 milhões de anos atrás e conta o famoso esqueleto de Lucy entre seus membros. Proteômica poderia colocar esse mistério para a cama, diz Collins. "Estou totalmente convencido de que temos a proteína Homo floresiensis por perto, e ela será sequenciável, e nos dirá onde isso se encaixa na árvore genealógica", diz ele. O mesmo poderia ser verdade para outro pequeno hominídeo, Homo luzonensis.
Seus ossos e dentes foram descobertos em uma caverna na ilha de Luzon,
nas Filipinas, há alguns anos, e relatados no início deste ano 5 . Similarmente ao H. floresiensis , essas amostras não produziram DNA.
Armand Salvador Mijares, um arqueólogo da Universidade das Filipinas na
cidade de Quezon, diz que planeja enviar a Welker um dente animal da
caverna onde o H. luzonensis foi encontrado, para testar a viabilidade de analisar proteínas em materiais tropicais antigos.
Enquanto os pesquisadores se preparam para fazer análises proteômicas
em hominídeos antigos, o trabalho com outros animais já está revelando
muito sobre suas relações evolutivas no passado profundo. Em uma análise recente, por exemplo, Welker e seus colegas usaram proteômica para descobrir onde o extinto rinoceronte Stephanorhinus se encaixa na árvore genealógica dos rinocerontes. Conforme relatado em uma pré-impressão que ainda não foi revisada por pares 6 , a equipe conseguiu extrair proteínas em restos de Dmanisi, Geórgia, que tinham quase 1,8 milhão de anos de idade. O padrão de substituições de aminoácidos sugere que o animal estava intimamente relacionado com o extinto rinoceronte lanudo (Coelodonta antiquitatis ). Enquanto as proteínas do Denisovan tibetano vinham da dentina, o tecido ósseo dentro dos dentes, essas proteínas Stephanorhinus estavam trancadas no esmalte que cobre o dente.
Isso pode ser particularmente útil para encontrar proteínas muito
antigas, sugere Enrico Cappellini, especialista em paleoproteômica da
Universidade de Copenhague e co-autor do trabalho de Stephanorhinus .
O esmalte é o material mais duro no corpo dos vertebrados e atua como o
que Cappellini chama de sistema fechado, impedindo a saída dos
aminoácidos. A data de 1,8 milhão de anos “não representa um limite”, diz ele. De fato, outros foram mais para trás. Pesquisadores relataram a extração de seqüências de colágeno de um camelo de 3,4 milhões de anos encontrado no Ártico 7 .
E em um artigo de 2016, Beatrice Demarchi, uma arqueóloga biomolecular
da Universidade de Turim, na Itália, e seus colegas extraíram e
sequenciaram proteínas de uma casca de ovo de avestruz com 3,8 milhões de anos 8 .
Esta concha não foi preservada em uma região polar fria: ela veio de um
local na Tanzânia, onde a temperatura média anual do ar é de cerca de
18 ° C, diz Demarchi. "Você não esperaria que as coisas sobrevivessem em um ambiente tão quente", diz ela. Proteínas de hominina podem ser recuperadas dos mesmos lugares, ela acrescenta: "Temos que tentar, não é?"
Dores de dentição
Ainda há obstáculos a serem superados antes que proteínas antigas possam focar os ramos da árvore evolutiva humana.
Até agora, os pesquisadores conseguiram deduzir as seqüências de
antigas proteínas homininas com bastante facilidade, porque elas já
possuem DNA de neandertais, denisovanos e H. sapiens .
Isso permite prever as sequências de proteínas que provavelmente aparecerão em seus sinais de espectrometria de massa.
“Você pode identificar os fragmentos que espera encontrar nas
sequências conhecidas do genoma, tanto dos organismos antigos quanto das
pessoas atuais, e procurá-los”, diz Svante Pääbo, paleogeneticista do
Instituto Max Planck de Antropologia Evolutiva, em Leipzig, Alemanha. Mas, à medida que os cientistas voltarem no tempo, precisarão descobrir a sequência desses aminoácidos sem um mapa.
Esse é um desafio contínuo para proteômica antiga, porque as proteínas
são degradadas em pequenos fragmentos e as amostras são frequentemente
contaminadas com proteínas modernas, diz Pääbo.
As
proteínas que persistiram no esmalte dentário por quase 1,8 milhão de
anos ajudaram a esclarecer a filogenia de um rinoceronte antigo
encontrado em Dmanisi, na Geórgia.Crédito: Museu de História Natural da Dinamarca
Collins está confiante de que isso pode ser feito. Ele aponta para um documento de 2015 9
no qual ele, Welker e outros mapearam a árvore filogenética para os
ungulados nativos da América do Sul, um grupo variado de mamíferos de
aparência peculiar que foram extintos há cerca de 12.000 anos.
Sem DNA disponível a partir de fósseis de ungulados, a equipe teve que
sequenciar as proteínas de colágeno a partir do zero para compará-las
com as de outros animais.
Eles descobriram que dois ungulados nativos extintos, Toxodone Macrauchenia, estavam intimamente relacionados a um grupo que inclui cavalos e
rinocerontes - e não, como alguns pesquisadores pensavam, o grupo
Afrotheria, que inclui elefantes e peixes-boi. Outras limitações são mais fundamentais.
Os dentes e ossos antigos contêm um pequeno número de proteínas,
portanto, há relativamente poucos fragmentos de informação que podem ser
usados para identificar um espécime.
A análise do tibetano Denisovan, por exemplo, revelou seqüências de
oito diferentes tipos de proteína de colágeno, totalizando pouco mais de
2.000 aminoácidos. Apenas um desses aminoácidos diferia das sequências humanas neandertais e modernas, identificando a amostra como Denisovan. Isso significa que, mesmo que um pesquisador fosse capaz de sequenciar as proteínas de um espécime de H. erectus
, por exemplo, simplesmente não haveria informações suficientes nas
seqüências de aminoácidos para dizer qualquer coisa definitiva sobre sua
relação com humanos modernos ou arcaicos.
Em comparação, um único genoma antigo contém na ordem de três milhões
de variantes em comparação com qualquer outro genoma, diz Skoglund, e
por isso é muito mais informativo em relação à evolução.
E como as proteínas geralmente desempenham funções cruciais - como a
estrutura óssea, por exemplo - nem sempre mudam à medida que as espécies
evoluem. As proteínas específicas do esmalte, por exemplo, são exatamente as mesmas em Denisovans, H. sapiens e Neanderthals, portanto, não podem ser usadas para distinguir entre esses grupos.
Welker diz, no entanto, que essas proteínas variam em outros grandes
símios e poderiam ser mais informativas quando se trata de grupos de
hominina mais velhos. Ainda assim, os pesquisadores sabem muito pouco sobre como as seqüências de proteínas variam em populações de humanos antigos.
Os cientistas sequenciaram apenas um único genoma de Denisovan, por
exemplo, o que significa que, para identificar o tibetano Denisovan, a
equipe comparou as seqüências de proteínas a apenas um outro membro
desse grupo. Pode ser que outros Denisovans tivessem variantes diferentes.
"Muitos geneticistas são bastante céticos em relação à metodologia, mas
acho que é porque eles percorreram um longo caminho para entender a
variação genômica em populações antigas", diz Douka.
Aprendendo com o passado
Existem outros desafios também.
Alguns pesquisadores estão preocupados com o fato de que o burburinho
mais amplo em torno da paleoproteômica poderia fazer com que o campo
caísse nas mesmas armadilhas que o antigo campo de DNA fez há 20 anos.
Muitos resultados aparentemente empolgantes da década de 1990 e início
de 2000 - a descoberta de DNA de dinossauros ou insetos presos em âmbar,
por exemplo - mais tarde se revelaram falsos porque eram produtos de
contaminação ou outros erros metodológicos. "Eu não ficaria surpreso se isso acontecesse com o mundo da proteômica", diz Douka.
Aqueles que lideram o caminho no campo estão cientes desses problemas, e
muitos pesquisadores estão fazendo esforços para criar uma ciência
robusta.
Entre eles está Jessica Hendy, uma arqueóloga da Universidade de York,
no Reino Unido, que é pioneira no uso de proteínas para estudar a dieta
dos primeiros humanos.
Em um artigo de 2018, Hendy e seus colegas identificaram proteínas em
8.000 anos de idade cerâmica de Çatalhöyük na Turquia moderna, que
revelou que os antigos habitantes comiam várias plantas e animais, e até
mesmo processavam o leite em soro 10 . "Essa técnica é tão interessante e fascinante que está recebendo muita atenção, especialmente agora", diz Hendy. "Nós realmente precisamos estar nos movendo com cuidado", acrescenta ela.
Juntamente com Welker, Hendy é o autor principal em um artigo
descrevendo as melhores práticas para o campo, desde evitar a
contaminação até compartilhar dados em repositórios públicos 11 .
Hendy acrescenta que é preciso haver mais pesquisas básicas sobre como
as proteínas sobrevivem e se degradam em escalas de tempo longas.
Esse tipo de pesquisa pode não fazer manchetes, diz ela, mas pode dar
aos pesquisadores muito mais confiança em seus resultados.
Ela aponta para o trabalho de Demarchi como um exemplo: Demarchi
descobriu que as proteínas de sua casca de ovo de 3,8 milhões de anos
estavam presas à superfície dos cristais minerais na casca,
essencialmente congelando-as no lugar.
"O que é legal sobre isso é que ele está realmente explicando por que
as proteínas estão sobrevivendo, o que torna a descoberta muito mais
robusta", diz Hendy. Embora ainda haja problemas para resolver, o progresso no campo não mostra sinais de desaceleração.
E enquanto a evolução humana pode chamar mais atenção, os cientistas
estão usando proteômica antiga de todos os tipos, desde o estudo de
marcadores de doenças no tártaro de dentes antigos 12 até a investigação de quais peles de animais foram usadas para criar pergaminhos medievais 13 . Demarchi diz que está animada com tudo isso.
E quando se trata de calcular as árvores genealógicas de organismos
extintos há muito tempo, diz ela, a proteômica tem o potencial de gerar
ondas. "Eu não acho que vou ver o fim disso na minha vida", diz ela. "Vai ser realmente muito grande".
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