HERANÇA DE MÃE

Nos eucariotos (seres cujas células têm núcleos separados do citoplasma por uma membrana), a informação contida na molécula de DNA é dividida entre duas organelas intracelulares: o núcleo e a mitocôndria. Não é uma divisão equânime. Entre os cerca de 1.000 genes que dizem respeito à função da mitocôndria, por exemplo, a grande maioria é codificada pelo DNA nuclear e somente 37 são codificados pelo DNA mitocondrial. Mas isso não torna a mitocôndria menos importante. Ela influencia não só aqueles aspectos ligados à respiração e à produção de energia, mas também a própria longevidade das células e dos indivíduos. As doenças causadas por mutações no DNA mitocondrial chegam a compor uma especialidade da medicina.

Curiosamente, com pouquíssimas exceções, nas espécies que se reproduzem de maneira sexuada, a herança das mitocôndrias é uniparental. Somente as mães transmitem as mitocôndrias e, consequentemente, o DNA mitocondrial para os descendentes. Parte da explicação de como ocorre a herança materna das mitocôndrias se origina no próprio processo de fertilização. As mitocôndrias estão localizadas nas caudas dos espermatozoides. 

Quando o espermatozoide penetra  no ovócito (célula sexual feminina), sua cauda permanece no exterior dessa  célula e, desse modo, muitas mitocôndrias paternas nem chegam a ter contato com o citoplasma  dela.

Antes, pensava-se que a eliminação das mitocôndrias paternas decorria de mera diluição; mas hoje sabemos que as poucas mitocôndrias masculinas que logram entrar no ovócito são ativamente destruídas

Antes, pensava-se que a eliminação das mitocôndrias paternas decorria de mera diluição; mas hoje sabemos que as poucas mitocôndrias masculinas que logram entrar no ovócito são ativamente destruídas por mecanismos que somente agora estão se tornando mais claros. Ou seja, há um programa celular que bloqueia a contribuição de DNA mitocondrial paterno para o ovo.

Esse fenômeno há muito tempo tem intrigado os geneticistas. As indagações principais eram: de que maneira o DNA mitocondrial masculino era reconhecido e degradado e qual a razão para essa discriminação? O enigma foi parcialmente resolvido por Zhou e colaboradores, que publicaram seus resultados em junho na revista Science. Embora esses cientistas tenham usado como modelo experimental um parente bem distante dos mamíferos – o nematoide C. elegans –, é bem provável que suas conclusões sejam em breve extensíveis aos humanos.

Em primeiro lugar, o grupo mostrou que as mitocôndrias paternas (dos espermatozoides) eram morfologicamente diferentes das mitocôndrias maternas, o que, de certo modo, facilitava seu reconhecimento. Em segundo lugar, os pesquisadores descobriram uma enzima que degrada o DNA mitocondrial paterno e foi denominada de cps-6.

Os resultados mostraram que os eventos de degradação tinham início na própria mitocôndria masculina, ficando por conta da cps-6 paterna.  Em outras palavras, algo presente no microambiente do ovo disparava o suicídio das mitocôndrias paternas, o que demonstra que houve um grande investimento evolutivo nesse processo de eliminação.

Mas por quê? Essa é ainda uma pergunta passível de múltiplas interpretações.  Uma delas é a hipótese da ‘maldição de mãe’, que invoca a ideia de que a herança uniparental decorre de um mecanismo de seleção purificadora. Esta é assim chamada porque gradualmente elimina erros causados por mutações que, ao se acumularem nos genomas mitocondriais masculinos, poderiam ter efeitos graves para toda a espécie.

Muitos estudos populacionais mostram que os erros naturalmente introduzidos no DNA mitocondrial se manifestam mais nas características físicas masculinas do que nas femininas. Sabe-se, por exemplo, que os machos de muitas espécies têm expectativa de vida menor, além de envelhecimento celular mais acelerado, que as fêmeas. Acrescente-se que os machos apresentam mais riscos de adquirir doenças e de portar mais problemas de infertilidade.

O enigma é que as mutações do DNA mitocondrial masculino não têm o mesmo efeito quando presentes no DNA feminino. De todo modo, com a herança uniparental do DNA mitocondrial, os potenciais problemas contidos no genoma mitocondrial masculino são filtrados, isto é, os descendentes só recebem o DNA materno, mais depurado. Afinal, no fundo, as mães só desejam o melhor para seus filhos.

 

Franklin Rumjanek
Instituto de Bioquímica Médica
Universidade Federal do Rio de Janeiro

Trabalho liderado por pesquisadores da USP e do Centro de Terapia Celular é o primeiro a estudar o genoma mitocondrial para verificar alterações relacionadas aos tumores penianos (ilustração: Molecular Biology Reports)

Estudo destaca relação entre câncer de pênis e mutações no genoma das mitocôndrias

17 de janeiro de 2019

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Peter Moon  |  Agência FAPESP – Um estudo publicado por pesquisadores brasileiros na revista Molecular Biology Reports sugere a existência de mutações no genoma mitocondrial que podem favorecer a progressão do tumor peniano.

O câncer de pênis é um tumor raro nos países desenvolvidos, representando cerca de 0,4% das neoplasias malignas em homens, na Europa e nos Estados Unidos. No Brasil a incidência é bem maior. Segundo o Instituto Nacional do Câncer (Inca), esse tipo de tumor corresponde a 2% de todos os casos de câncer que atingem o homem.

“É a primeira vez que se estuda o genoma mitocondrial para verificar alterações que possam estar relacionadas ao tumor peniano”, disse Wilson Araújo da Silva Junior, professor na Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo (FMRP-USP) e um dos autores principais do trabalho, que foi conduzido no âmbito do Centro de Terapia Celular (CTC), um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP.

O tipo mais frequente do câncer de pênis é o carcinoma epidermoide, também denominado espinocelular ou escamoso, que representa 95% dos tumores malignos do pênis. Apesar de o câncer peniano ser uma doença com alto potencial de cura se identificada em estágios mais precoces, a demora no diagnóstico e na procura por tratamento específico é observada em mais de 50% dos casos.

O câncer peniano apresenta maior incidência em homens que vivem em regiões rurais e com idades a partir dos 50 anos, embora possa atingir os mais jovens. Está relacionado a baixas condições socioeconômicas e de instrução. A doença é causada principalmente pela falta de higiene íntima e tem forte prevalência em homens com fimose.

"Quem se submete à cirurgia de fimose tem menores chances de desenvolver a doença”, disse Rodolfo Borges dos Reis, professor na FMRP-USP e o autor principal do estudo.

O câncer de pênis inicialmente não apresenta sintomas, mas tem como causa principal o acúmulo de secreções na glande. Essa “sujeira” pode evoluir para uma lesão tumoral com possibilidade de progredir localmente ou a distância.

Em muitos casos, os doentes procuram ajuda quando o pênis já está muito acometido, muitas vezes com a lesão já infectada e invadindo as estruturas penianas. Infelizmente, nesse estágio, a terapia sistêmica é pouca efetiva. Desse modo, a cirurgia, amputação parcial ou total do órgão, ainda é o principal método terapêutico. Segundo o Datasus, são realizadas cerca de mil amputações penianas ao ano no Brasil. 

 DNA mitocondrial

Mitocôndrias são organelas que existem nas células eucarióticas, que têm como função realizar as reações de conversão de energia para as células. Estima-se que as mitocôndrias se originaram há mais de 2 bilhões de anos, quando alguns microrganismos desenvolveram uma simbiose com bactérias invasoras.

Em troca do fornecimento constante de alimento, aquelas antigas bactérias teriam passado a viver no interior das primeiras células eucarióticas, fornecendo energia. Com o passar das gerações, os descendentes daquelas bactérias invasoras se tornaram organelas celulares, ou seja, as mitocôndrias.

Por descenderem de uma bactéria ancestral, as mitocôndrias possuem uma particularidade: elas preservam em seu interior vestígios da bactéria independente que foram um dia.

O principal vestígio é o DNA mitocondrial, um tipo de genoma com cerca de 16,5 mil pares de bases que é particular às mitocôndrias – e que não se confunde com o genoma nuclear, que é constituído de 23 pares de cromossomos herdados dos parentais e, no caso dos humanos, possui cerca de 3 bilhões de bases.

A principal função da mitocôndria é fornecer a maior parte da energia útil das células, por meio do processo chamado de respiração celular. Em uma única célula humana, por exemplo, há cerca de 10 mil mitocôndrias, cada uma delas contendo milhares de cópias do DNA mitocondrial.

"A característica principal que define as células tumorais é o seu crescimento e multiplicação descontrolados, formando tumores. Para crescer, os tumores precisam de muita energia, e a fonte desta energia são as mitocôndrias. Logo, faz sentido pensar que a célula tumoral utilize mecanismos que possam preservá-las. Nesse contexto a mitocôndria e seu genoma tem um papel crucial”, disse Reis.

Segundo ele, alterações do genoma mitocondrial são comuns em muitos tipos de tumores e são descritas como reguladoras do metabolismo oxidativo com impacto direto na progressão tumoral.

"Foi demonstrado que a mitocôndria tem um papel importante na progressão de diversos tipos de tumores. No caso do tumor peniano, as alterações do genoma mitocondrial não haviam ainda sido descritas”, disse Reis.

Silva Junior destaca que os resultados do estudo demostraram um aumento da instabilidade do genoma mitocondrial no tecido tumoral. “Analisamos pela primeira vez o genoma mitocondrial no carcinoma peniano, com o objetivo de avaliar a heteroplasmia, a sua carga mutacional e o conteúdo de DNA mitocondrial em tumores penianos”, disse. Heteroplasmia é a presença de mais de um tipo de genoma mitocondrial em uma mesma célula.

Utilizando sequenciamento de nova geração, os pesquisadores analisaram o genoma mitocondrial de 13 tumores penianos (de 13 pacientes) e 12 amostras de tecido peniano saudável, o que permitiu identificar variantes de DNA mitocondrial e o grau de heteroplasmia.

O sequenciamento do genoma mitocondrial revelou a redução do número de cópias, juntamente com um aumento do número de variantes de DNA mitocondrial no tecido tumoral, confirmando o aumento da instabilidade do genoma mitocondrial nos tumores penianos.

"Descrevemos uma lista de variantes mitocondriais encontradas no tumor do pênis, incluindo cinco novas variantes encontradas especificamente no tecido tumoral. Avaliamos ainda a patogenicidade das variantes, ou seja, a capacidade das variantes em contribuir para a evolução da doença”, disse Reis.

“Também sugerimos que a redução do número de cópias e o aumento da instabilidade do genoma mitocondrial podem atuar em conjunto contribuindo para o desequilíbrio do metabolismo celular dos tumores penianos”, disse Silva Junior.

É a primeira vez que se estabelece um vínculo entre o câncer peniano e o genoma mitocondrial. O trabalho dos pesquisadores indica que a melhor compreensão da biologia mitocondrial pode, eventualmente, abrir um novo campo para a terapia no carcinoma peniano.

O artigo Mitochondrial genome analysis in penile carcinoma (doi: https://doi.org/10.1007/s11033-018-4197-5), de L.F. Araújo, A.T. Terra Jr., C.T.G. Sares, C.F.R. Sobreira, E.F.Faria, R.D. Machado, A.A. Rodrigues Jr., V.F. Muglia, W.A. Silva Jr. e R.B. Reis, pode ser lido em https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11033-018-4197-5.

The Advantages of Asexual Reproduction

by Daniel Nelson

The main advantages of asexual reproduction are a higher number of offspring, a mating partner is not required to reproduce, one can clone their DNA, and ability to better dictate reproduction location, timing, etc.

There are two kinds of reproduction: sexual reproduction and asexual reproduction. Among mammals, sexual reproduction is the norm, yet there are many advantages to asexual reproduction. Asexual reproduction allows a species do rapidly populate without a need for things like mobility or mates. Yet how does asexual reproduction function exactly, and what are all the benefits that asexually reproducing species enjoy?

Though most, but not all, higher organisms like mammals reproduce sexually, a great many organisms reproduce asexually. Bacteria reproduce asexually, and so do things like sea sponges, starfish, slime molds, and some flowers.

Photo: Pexels via Pixabay

How Asexual Reproduction Occurs

Asexual reproduction happens when an organism reproduces without combining its DNA with another organism. In effect, the offspring of the parent are clones of the parent, with the exact same DNA (though sometimes mutations occur). There are various forms of asexual reproduction, including budding, parthenogenesis, fragmentation and fission. The form of asexual reproduction depends on the type of animal.

Binary fission occurs in species that are able to divide more or less down the middle, creating two individuals that are of the same size. Parthenogenesis is a form of asexual reproduction where embryos can grow without the fertilization of an outside source, and the offspring can be either haploid or diploid.

Budding is where a new organism forms while attached to the original organism, and at a certain point breaks away from the main body, though in some species the two organisms remain attached. Fragmentation is where the body of the original organism may break apart and separate individuals may grow, such as the case of sea stars where a sufficiently large broken limb can result in the generation of a new sea star.

Certain plants, like Muscari, are capable of reproducing asexually by the process of vegetative reproduction. Photo: Public Domain

In the case of asexually reproducing plants, two main types of asexual reproduction are used: apomixis and vegetative reproduction. Plants that are capable of vegetative reproduction mean they don’t need spores or seeds to reproduce, instead of using their roots. Plants that have bulbs like lilies, as well as stem tubers in potatoes are examples of vegetative reproduction. Plants which are capable of apomixis use seeds, but don’t need the seeds to be fertilized. The ovule or part of the ovary are diploid and can make new seeds.

Some organisms, like aphids and sea anemones, can reproduce either sexually or asexually. In this case, asexual reproduction usually occurs when the environment is favorable to reproduction, with stable shelter and climate. When the environment is most volatile, the organisms switch to sexual reproduction.

The Benefits Of Asexual Reproduction

Blacktip sharks are capable of a form of asexual reproduction called parthenogenesis. Photo: Public Domain

There are a number of different benefits to asexual reproduction. Asexual reproduction requires less energy, allows rapid replication, and can occur in a number of different environments.
Asexual reproduction doesn’t require as much energy as sex because there is only one source of the DNA. Energy doesn’t need to be used to combine genetic material, which means DNA can more easily and quickly be passed onto the next generation. Asexual reproduction can also occur in many different environments. If an asexually reproducing organism can manage to adapt to an environment, it can be virtually guaranteed that the offspring of the organism will also be able to thrive in the environment. The key traits within an organism that allow it to thrive in its environment will definitely be passed on since the DNA of the offspring is the same as the parent. Asexual reproduction can help a species ensure its survival even when there are few mates and resources around.

Because asexually reproducing organisms can replicate by themselves, it only takes one organism to establish a new population or colony. A single parent can lead to the growth of an entire colony over time, and it becomes very easy for this organism to out-compete other organisms in the same ecosystem. Asexual reproduction also helps an organism or species ensure that its DNA is passed on, even if there are threats in the immediate area. If one organism is eaten, the genes of the organism will be safe in its offspring or brethren.

Plants that reproduce asexually don’t need seeds to grow, which is helpful for both the species of plants that reproduce asexually and for humans who rely on the plant. Losses of crops can be balanced by taking advantages of asexually reproducing species. Asexually reproducing species typically mature very quickly, in contrast to sexually reproducing species. This means that crops which reproduce asexually can quickly be grown and harvested.

Desvantagens da Reprodução Assexuada

While there are many advantages to asexual reproduction, there are also many drawbacks and disadvantages to asexual reproduction. Asexually reproducing species must deal with negative mutations longer than sexually reproducing species, lack diversity, have difficulty controlling population numbers, and have shorter lifespans.

Maladaptive mutations stay around longer in asexually reproduction species. Because there isn’t another set of DNA to combine with, the maladaptive traits are passed down to offspring for generations. Because diversity is so limited in populations of asexually reproducing organisms, not only do maladaptive trains stick around longer but populations of organisms are also at greater risk from disease or parasites. If a parasite or disease is capable of compromising one organism, it is capable of compromising all of the organisms within that population, meaning that populations of asexually reproducing organisms can quickly fall. Changes in climate can also devastate asexually reproducing lifeforms.

Not only do asexually reproducing lifeforms struggle with the threat of being wiped out due to disease or climate change, they also struggle with overpopulation and crowding. Organisms which reproduce asexually tend to reproduce very quickly and in large numbers, frequently meaning their population levels balloon up to the point where the ecosystem can no longer sustain them, causing mass die-offs. If the species which reproduces asexually can’t move, this problem is even worse as the organisms must compete for space and resources in a small area. Asexually reproducing species also tend to have shorter lifespans than organisms that reproduce sexually, meaning there is less time to grow and pass on their DNA.

Advantages of Asexual Reproduction:

• Energy isn’t needed to find a mate.
• Large colonies can outcompete other organisms.
• Quick reproduction and maturation.
• Adaptive traits are preserved in new generations.

Disadvantages of Asexual Reproduction:

• Entire population can be susceptible to disease or parasites.
• Competition over resources and space may occur.
• Unfavorable climates can destroy whole colonies.

Asexual reproduction has its advantages and disadvantages, but it works extremely well for those relatively simple species which live in a uniform, slowly changing ecosystem.

Pesquisadores identificam genes associados à longevidade de papagaio-verdadeiro

Mutações genéticas ao longo do processo evolutivo permitiriam a essas aves viver até 80 anos

Papagaio-verdadeiro em ninho no Pantanal, no Mato Grosso do Sul

Glaucia Seixas

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Rodrigo de Oliveira Andrade

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18:28
6 dez 2018

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BiodiversidadeBiologiaEvoluçãoGenética

 

Papagaios têm muito mais do que uma plumagem colorida. Como os seres humanos, possuem cérebros grandes em relação ao tamanho do corpo, com alta densidade de neurônios. Isso lhes permite vocalizar sílabas e articular palavras mais complexas, além de desenvolver várias habilidades cognitivas. Também chamam atenção pela longevidade: podem viver décadas. Há muito essas características intrigam os pesquisadores. Suas bases genéticas, no entanto, nunca haviam sido identificadas. Essa questão agora parece ter sido esclarecida por uma equipe de pesquisadores brasileiros e norte-americanos coordenada pelo neurobiólogo brasileiro Cláudio Vianna de Mello, professor da Universidade de Saúde e Ciência do Oregon, nos Estados Unidos. Em um estudo publicado nesta quinta-feira (06/12), na revista Current Biology, o grupo descreve o sequenciamento completo do genoma do papagaio-verdadeiro, uma das aves mais famosas da América Latina, e a identificação de genes que podem estar associados à sua vida longa, além de modificações em regiões regulatórias de genes que controlam o desenvolvimento do cérebro e a capacidade cognitiva desses animais.

O papagaio-verdadeiro (Amazona aestiva) exibe um colorido contrastante único. As fêmeas adultas ostentam uma plumagem vermelho-alaranjado com um fino anel externo avermelhado na íris. Nos machos, de bico negro, esse detalhe é amarelo-alaranjado. Com cerca de 35 centímetros de comprimento e peso médio de 400 gramas, vivem, em média, 60 anos — mas alguns alcançam até oito décadas de vida. “Esses animais apresentam uma longevidade única”, explica Mello. “Levando em conta o seu tamanho, era para viverem aproximadamente 20 anos.” Isso porque a expectativa média de vida das aves, e dos animais, em geral, está associada às dimensões de cada espécie. Quanto maior o animal, mais ele vive. Isso, porém, não se aplica aos papagaios, que podem viver até três vezes mais do que se esperaria baseado em seu tamanho.

Casal de papagaio-verdadeiro no Cerrado do Mato Grosso do Sul. Glaucia Seixas

Para investigar as origens da resistência e longevidade desses papagaios, a equipe de Mello sequenciou o seu genoma, comparando-o, em seguida, com os de outras 30 espécies de aves disponíveis em bancos de dados genômicos. “A ideia era verificar diferenças e semelhanças entre o genoma dos papagaios-verdadeiros e o de outras aves longevas, como a araracanga [Ara macao], que vive, em média, entre 40 e 60 anos, ou cuja longevidade correspondesse ao esperado baseado no tamanho”, esclarece Mello, que coordenou uma equipe de pesquisadores de diversas instituições de pesquisa, entre elas as universidades federais do Rio de Janeiro (UFRJ) e do Pará (UFPA), e o Laboratório Nacional de Computação Científica (LLCC). Os pesquisadores identificaram características genômicas únicas dos papagaios e de outras aves longevas, incluindo modificações em pelo menos 300 genes potencialmente capazes de influenciar os mecanismos de longevidade desses animais.

Um deles é o gene TERT, que codifica uma proteína que faz parte de uma enzima chamada telomerase, que protege os telômeros. De modo semelhante ao plástico na ponta dos cadarços, essas estruturas recobrem as extremidades dos cromossomos, os pacotes de DNA enovelado. Mello explica que a função da telomerase é impedir que os cromossomos se deteriorem durante o processo de divisão celular. “Há algum tempo a redução no tamanho dos telômeros é interpretada como um indicador do processo de envelhecimento celular, um sinal de degradação biológica”, explica. “No entanto, nossas observações sugerem que o TERT, ao longo do processo evolutivo, sofreu mutações que alteraram sua atividade, de modo que a telomerase, nesses papagaios, seria mais ativa, retardando o processo de envelhecimento celular. Isso contribuiria para a manutenção de sua longevidade.”

Os machos adultos ostentam um fino anel externo amarelo-alaranjado na íris, além do bico negroGlaucia Seixas

A equipe coordenada por Mello também identificou mutações em genes associados a mecanismos de reparo no DNA, controle de proliferação celular, proteção a estresse oxidativo do sistema imune, entre outros, os quais podem ter um papel na manutenção da longevidade aumentada. No estudo, eles destacam, ainda, a identificação de regiões de DNA divergentes do padrão encontrado em outras aves longevas, nas regiões regulatórias de genes envolvidos no desenvolvimento do cérebro e em aspectos da função cerebral, e que podem estar associados ao aumento do cérebro e da capacidade cognitiva dos papagaios.

Artigo científico

 
WIRTHLIN, M. et al. Parrot genomes and the evolution of heightened longevity and cognition. Current Biology. v. 28, p. 1–8, dez. 2018.

Science Source

Why microbes are better than people at keeping DNA mutations at bay

Por que os micróbios são melhores do que as pessoas em manter as mutações do DNA?

By Elizabeth PennisiApr. 11, 2018 , 4:50 PM

Tempe, Arizona—Kelley Harris wishes humans were more like paramecia. Every newborn's DNA carries more than 60 new mutations, some of which lead to birth defects and disease, including cancers. "If we evolved parameciumlike replication and DNA repair processes, that would never happen," says Harris, an evolutionary biologist at the University of Washington in Seattle.
Researchers have learned that these single-cell protists go thousands of generations without a single DNA error—and they are figuring out why human genomes seem so broken in comparison.
The answer, researchers reported at the Evolution of Mutation Rate workshop here late last month, is a legacy of our origins. Despite the billions on Earth today, humans numbered just thousands in the early years of our species. In large populations, natural selection efficiently weeds out deleterious genes, but in smaller groups like those early humans, harmful genes that arise—including those that foster mutations—can survive.

Support comes from data on a range of organisms, which show an inverse relationship between mutation rate and ancient population size. This understanding offers insights into how cancers develop and also has implications for efforts to use DNA to date branches on the tree of life. "Clarifying why mutation rates vary is crucial for understanding all areas of biology," says evolutionary biologist Michael Lynch of Arizona State University (ASU) here.

Mutations occur, for example, when cells copy their DNA incorrectly or fail to repair damage from chemicals or radiation. Some mistakes are good, providing variation that enables organisms to adapt. But some of these genetic mistakes cause the mutation rate to rise, thus fostering more mutations.
For a long time, biologists assumed mutation rates were identical among all species, and so predictable that they could be used as "molecular clocks." By counting differences between the genomes of two species or populations, evolutionary geneticists could date when they diverged. But now that geneticists can compare whole genomes of parents and their offspring, they can count the actual number of new mutations per generation.

That has enabled researchers to measure mutation rates in about 40 species, including newly reported numbers for orangutans, gorillas, and green African monkeys. The primates have mutation rates similar to humans, as ASU co-organizer Susanne Pfeifer reported in the December 2017 issue of Evolution. But, as Lynch and others reported at the meeting, bacteria, paramecia, yeasts, and nematodes—all of which have much larger populations than humans—have mutation rates orders of magnitude lower.

The highs and lows of mutation rates

The rate at which new mutations appear in a genome (sizes of circles) is inversely proportional to the so-called effective population size of the species. Microbes (right) have the largest populations and lowest mutation rates.



The variation suggests that in some species, genes that cause high mutation rates—for instance, by interfering with DNA repair—go unchecked. In 2016, Lynch detailed a possible reason, which he calls the drift barrier hypothesis. It invokes genetic drift, or chance genetic changes—"noise in the evolutionary process that is greater than the directional force" of selection, as he puts it. Genetic drift plays a bigger role in smaller populations. In large populations, harmful mutations are often counteracted by later beneficial mutations. But in a smaller population with fewer individuals reproducing, the original mutation can be preserved and continue to do damage.

Today, 7.6 billion people inhabit Earth, but population geneticists focus on the effective population size, which is the number of people it took to produce the genetic variation seen today. In humans, that's about 10,000—not so different from that of other primates. Humans tend to form even smaller groups and mate within them. In such small groups, Harris says, "we can't optimize our biology because natural selection is imperfect."
Harris detected those imperfections even among populations of people—further evidence, she notes, to support the drift barrier hypothesis.

Rather than look at the overall number of DNA changes, Harris focused on the frequency of changes in each kind of DNA base in the populations she studied. That "mutation spectrum" varies widely between different groups of people, she reported. In 2017, she and her colleagues estimated that between 15,000 and 2000 years ago, Europeans had an unusually high number of some conversions of the base cytosine to thymine.

She has since found differences in the mutation spectrum between Japanese and other East Asian populations. "The way the genome tends to break is not the same in Europeans" as in people elsewhere, she says.

Now, Harris and researchers at the University of Copenhagen have extended the analysis to ancient DNA. Among Europeans, the excess cytosine to thymine mutations existed in early farmers but not in hunter-gatherers, she reported. She speculates that these farmers' wheat diet may have led to nutrient deficiencies that predisposed them to a mutation in a gene that in turn favored the cytosine-to-thymine changes, suggesting environment can lead to changes in mutation rate. Drift likely played a role in helping the mutation-promoting gene stick around.

Eventually she hopes to pinpoint the pathways and the genes responsible. That's increasingly necessary, says Charles Baer, an evolutionary biologist at the University of Florida in Gainesville. It's become clear that "mutation rates can evolve pretty quickly and in all sorts of ways. If you really want to understand mutation rate, you have to put a fine magnifying glass to it."

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doi:10.1126/science.aat8564

Mutação gera padrão em espiral no pelo de gatos e guepardos

Pelagem dos felinos é definida por alteração genética antes de o animal nascer

ISIS NÓBILE DINIZ | Edição Online 23:33 20 de setembro de 2012

© GREG BARSH / RESERVA ANN VAN DYK

Mutação determina diferença entre guepardo pintado (esquerda) e sua versão real.

Por que alguns gatos de estimação têm manchas escuras em forma de espiral no corpo, no lugar das listras comuns? Mutações em um único gene, o Taqpep, estão por trás da desorganização do padrão da pelagem dos bichanos e também do felino guepardo, segundo estudo publicado na Science sexta-feira (21). Essa alteração genética define o guepardo real, caracterizado por manchas semelhantes às dos gatos com mutação.

O trabalho realizado por uma equipe internacional de pesquisadores poderá ajudar a desvendar como as características físicas evoluem nos felinos.

O gene chamado Taqpep, que regula esses padrões de cor no corpo de ambos os felinos, se manifesta – com ou sem mutação – quando o animal ainda está no útero. É aí que o padrão da pelagem começa a se formar. Depois, o gene Edn3 controla a cor do pelo, provavelmente também antes de o animal nascer. Ou seja, o Edn3 induz a produção de pigmento escuro (manchas, pintas e listras) nas áreas preestabelecidas pelo gene Taqpep.

“Até agora, não se conhecia o mecanismo por trás da formação de pintas e listras dos mamíferos”, conta Eduardo Eizirik, um dos autores do estudo e geneticista da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS). “O principal modelo estudado era em camundongos, mas eles não têm listras ou outros tipos de manchas padronizadas”, completa.

De acordo com Eizirik, manter e cruzar grandes animais selvagens listrados ou pintados, como zebras ou girafas, é uma das dificuldades desse tipo de estudo. “O gato pode ser um excelente modelo nesse caso”, afirma o geneticista. Para chegar a esse resultado, foram necessários mais de dez anos de trabalhos cruzando gatos, investigando a genética desses animais e comparando com o que observavam em camundongos e outros organismos.

O achado abre caminho para, futuramente, entender com mais detalhe como essas mudanças ocorrem no nível molecular, bem como os processos evolutivos que influenciam a sua formação. “Ainda não se sabe ao certo por que os animais têm cores diferentes e quais as vantagens e desvantagens dos tipos de pelagem”, explica Eizirik. Do ponto de vista evolutivo, o estudo poderá permitir a verificação de como as listras ou manchas, importantes para camuflagem no ambiente, podem favorecer ou desfavorecer a adaptação das espécies.

A partir desses resultados, os pesquisadores criaram um modelo para tentar explicar o desenvolvimento dos padrões de pelagem e cor de gatos domésticos e selvagens, que deve ser usado para investigar o que altera o tamanho das marcas tigradas durante o crescimento dos animais.