De alpacas a iaques, DNA de mamífero revela seus segredos

Para aprender mais sobre os humanos, uma grande equipe internacional de cientistas passou anos rastreando algumas das criaturas mais estranhas da Terra. Eles acamparam em um bloco de gelo do Ártico para coletar DNA do animal de uma presa. narvalrendeu um minúsculo morcego abelha em uma região rica em cavernas do Sudeste Asiático e se aventurou nos bastidores de um zoológico caribenho para tirar sangue do animal de focinho fino solenodonteum dos poucos mamíferos venenosos do mundo.

Os pesquisadores compararam os genomas desses mamíferos com os de uma variedade diversificada de outros, incluindo um porco-da-terra, um suricato, uma toupeira de nariz estrelado e um ser humano. Ao fazê-lo, foram capaz de identificar trechos de DNA que pouco mudaram ao longo das eras da evolução dos mamíferos e, portanto, provavelmente são vitais para a saúde e o funcionamento humano.

O banco de dados genético que eles montaram inclui os genomas completos de 240 espécies, abrangendo mais de 80% das famílias de mamíferos do planeta (incluindo humanos). Isso poderia ajudar os cientistas a responder a uma ampla variedade de perguntas sobre outros animais, como quando e como eles evoluíram e a base biológica de alguns de seus talentos incomuns.

“Que coisas incrivelmente legais essas espécies podem fazer que os humanos não podem fazer?” disse Elinor Karlsson, geneticista da UMass Chan Medical School e do Broad Institute e co-líder do que é conhecido como o Projeto Zoonomia. “Sempre gostamos de pensar nos humanos como sendo a espécie mais especial. Mas acontece que somos realmente muito chatos de várias maneiras.”

O conjunto de dados Zoonomia tem limitações. Contém apenas um genoma por espécie (com exceção do cão doméstico, que foi sequenciado duas vezes), e faltam milhares de mamíferos.

Mas em um novo pacote de artigos, publicado na Science na quinta-feira, a equipe de Zoonomia mostrou o poder desse tipo de dados multiespécies. E é só o começo.

“Sequenciar muitos genomas não é trivial”, disse Michael G. Campana, cientista de genômica computacional do Instituto Nacional de Zoológico e Biologia da Conservação do Smithsonian, que não fez parte do projeto. “O que é realmente importante é realmente fazer uso desses dados.”

Aqui estão algumas das coisas que os cientistas da Zoonomia já estão fazendo com ele:

Descobrindo a base das habilidades especiais

Para procurar os fundamentos de talentos animais excepcionais, os cientistas buscaram sequências genéticas que evoluíram de maneira incomum e rápida em espécies que compartilhavam uma certa característica, como a capacidade de hibernar.

Em uma análise, os pesquisadores se concentraram em hibernadores profundos, como o lêmure anão de cauda gorda e o morcego de orelhas de rato, que podem manter baixas temperaturas corporais por dias ou semanas. Os pesquisadores encontraram evidências de “evolução acelerada” em uma variedade de genes, incluindo um que é conhecido por ajudar a proteger as células do estresse relacionado à temperatura e outro que inibe uma via celular relacionada ao envelhecimento.

“Muitas espécies que hibernam também têm uma longevidade excepcional”, disse a Dra. Karlsson, levando-a a se perguntar: as mudanças nesse gene contribuem para suas vidas longas?

Os pesquisadores também exploraram o olfato dos mamíferos. Os animais têm uma grande variedade de diferentes receptores olfativos, cada um capaz de se ligar a certas moléculas causadoras de odores; espécies com mais genes de receptores olfativos geralmente têm sentidos de olfato mais aguçados.

Quando a equipe de Zoonomia somou o número desses genes em cada espécie, o elefante africano da savana ocupou o primeiro lugar, com 4.199. Seguiram-se o tatu-galinha e a preguiça-de-dois-dedos-de-Hoffmann, enquanto a cutia centro-americana ficou em quarto lugar.

A cutia “acaba por ter um dos melhores repertórios olfativos de qualquer mamífero, por razões totalmente desconhecidas”, disse o Dr. Karlsson. “É um lembrete de quanta diversidade existe por aí da qual não sabemos nada.” (Os cães, observou ela, não provaram ser “particularmente especiais” a esse respeito.)

Por outro lado, os cetáceos – um grupo que inclui golfinhos e baleias – têm um número notavelmente pequeno de genes de receptores olfativos, o que faz sentido devido aos seus habitats aquáticos. “Eles se comunicam de outras maneiras”, disse Kerstin Lindblad-Toh, geneticista do Broad Institute e da Uppsala University e outro líder do Projeto Zoonomia.

Espécies com mais genes de receptores olfativos também tendem a ter mais turbinais olfativos, estruturas ósseas na cavidade nasal que auxiliam o olfato. Os resultados sugerem que “se certas características são importantes, elas evoluem de várias maneiras”, disse Lindblad-Toh.

Ela acrescentou: “Acho que uma das coisas importantes com nosso conjunto de dados é que ele gera o sequenciamento do genoma de tantas espécies diferentes que as pessoas podem começar a olhar para suas características favoritas”.

Em fevereiro de 1925, em meio a um surto de difteria, um revezamento de equipes de cães de trenó entregou um suprimento de emergência de antitoxina para Nome, Alasca, que havia sido isolado pela neve. Balto, um dos cães que fez a etapa final do revezamento, ficou famoso; quando ele morreu alguns anos depois, seu corpo taxidermizado foi exposto no Museu de História Natural de Cleveland.

Uma equipe de pesquisadores da Zoonomia já usou um pequeno pedaço desse tecido taxidermizado para saiba mais sobre o cão de trenó das celebridades e seus contemporâneos caninos. “Vimos isso como um pequeno desafio”, disse Kathleen Morrill, autora do artigo de Balto, que realizou a pesquisa como estudante de pós-graduação na UMass Chan Medical School e agora é cientista sênior da Colossal Biosciences. “Aqui está este indivíduo, realmente famoso. Não sabemos muito sobre sua biologia. O que podemos dizer sobre seu genoma?”

Eles descobriram que Balto era geneticamente “mais saudável” do que os cães modernos de raça pura, com mais variação genética herdada e menos mutações potencialmente prejudiciais. Essa descoberta provavelmente decorre do fato de que os cães de trenó são normalmente criados para desempenho físico e podem ser uma mistura de raças.

Balto também tinha uma variedade de variantes genéticas que não estavam presentes em lobos e eram raras ou ausentes em cães modernos de raça pura, descobriram os pesquisadores. Muitas variantes estavam em genes envolvidos no desenvolvimento de tecidos e podem ter afetado uma variedade de características importantes para cães de trenó, como espessura da pele e formação de articulações. Balto tinha duas cópias dessas variantes, uma herdada de cada pai, o que significa que provavelmente eram pelo menos um pouco comuns em outros cães de trenó do Alasca na época.

“Temos uma imagem muito mais clara de como ele era e como seria sua população”, disse Katie Moon, pesquisadora de pós-doutorado na Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, e autora do artigo. “E essa foto é de cães de trenó de trabalho muito bem adaptados.”

Iluminando linhas do tempo evolutivas

Os cientistas há muito debatem precisamente como e quando surgiu a diversidade de mamíferos de hoje. A árvore genealógica dos mamíferos se ramificou somente após a extinção dos dinossauros, há cerca de 66 milhões de anos? Ou o processo ocorreu em grande parte antes da catástrofe?

A nova análise com os genomas de Zoonomia sugere que a resposta é ambos. Os mamíferos começaram a se diversificar cerca de 102 milhões de anos atrás, quando os continentes da Terra estavam se fragmentando e o nível do mar começou a subir. “Isso isolou os predecessores das linhagens modernas em diferentes massas de terra”, disse William Murphy, geneticista evolutivo da Texas A&M University e autor do artigo.

Mas outra explosão de diversificação ocorreu após a extinção dos dinossauros, descobriram os pesquisadores, quando o surgimento de novas terras e o desaparecimento dos répteis reinantes forneceram aos mamíferos novos habitats, recursos e oportunidades.

“É um artigo realmente marcante”, disse Scott Edwards, biólogo evolutivo de Harvard, que não participou da pesquisa. “É provavelmente o maior de seu tipo em termos de tentar colocar os mamíferos em uma escala de tempo.”

O pacote Zoonomia de forma mais ampla é “um conjunto monumental de trabalho”, acrescentou. “Vai realmente definir o padrão para nossa compreensão da evolução dos mamíferos daqui para frente.”

Prevendo o risco de extinção

Os mamíferos geralmente herdam duas cópias da maioria das sequências genéticas, uma de cada pai. Determinar a proximidade dessas sequências pode fornecer informações sobre o tamanho das populações de animais anteriores; longos trechos de DNA correspondente podem ser um sinal de endogamia, por exemplo.

O genoma de um único animal reflete “o grau de parentesco entre seus pais e avós, desde o início”, disse Aryn Wilder, geneticista conservacionista da San Diego Zoo Wildlife Alliance.

Dra. Wilder e seus colegas usou os genomas de Zoonomia para estimar os tamanhos populacionais de diferentes espécies ao longo da história. Em comparação com espécies historicamente abundantes, aquelas com pequenas populações passadas tinham mutações genéticas potencialmente mais prejudiciais e eram mais propensas a serem classificadas como ameaçadas pelo União Internacional para a Conservação da Natureza.

Os pesquisadores também analisaram os genomas de três espécies cujo risco de extinção a IUCN considerou desconhecido por falta de dados: a baleia assassina, o rato-toupeira-cego das montanhas da Alta Galileia e o cervo-rato de Java (que se parece exatamente com o anunciado). . Os resultados sugeriram que a orca pode estar em maior risco.

A abordagem pode fornecer uma maneira rápida de priorizar espécies para avaliações de risco mais completas e intensivas em recursos, disse Beth Shapiro, paleogeneticista da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, e autora do estudo. “Poderia ser uma maneira relativamente direta de fazer a triagem de conservação”, disse ela.