EVOLUÇÃO BASEADA NA
EPIGENÉTICA
Enviado por Edson Coelho
Morais
Cientista italiano Corrado
Spadafora propõe novo modelo de evolução baseado na epigenética
EVOLUTION
Marjorie Hecht Jun 12, 2023
A visão de síntese moderna de que mutações genéticas aleatórias e a seleção
natural impulsionam a evolução tem predominado na ciência por quase um século.
Mais recentemente, evidências experimentais, possibilitadas por métodos
tecnológicos avançados, estão desafiando essa visão.
Em vez de uma teoria centrada no gene, novas evidências apontam para a
epigenética como desempenhando um papel importante como base para a herança.
Epigenética são aquelas mudanças que persistem através de gerações, mas não
envolvem mudanças nas sequências de DNA.
Em uma revisão abrangente de linhas independentes de evidências que
desafiam a síntese moderna, o cientista italiano Dr. Corrado Spadafora propõe
um novo modelo evolutivo baseado em novos dados epigenéticos emergentes.
Especificamente, ele relata evidências experimentais de que informações baseadas
em RNA produzidas em células somáticas em resposta ao estresse ambiental são
transmitidas por meio de vesículas extracelulares que as entregam à corrente
sanguínea. As vesículas extracelulares transmitem essa "carga"
extracromossômica para os espermatozóides e daí para os ovócitos com potencial
para "novidades fenotípicas no embrião" que podem ser transmitidas
por gerações.
Seu trabalho aparece na revista Progress in Biophysics and Molecular
Biology, março de 2023
O efeito do ambiente - Para explicar a evolução de genes e
fenótipos, Spadafora diz, uma visão estendida "considera os efeitos do
ambiente nos organismos e o papel dos mecanismos epigenéticos na adaptação, e
vê processos de desenvolvimento, herança não baseada em genes, epigenética,
construção de nicho e as condições ambientais como forças motrizes
multifatoriais na evolução."
Os fatores ambientais observados em diferentes espécies incluem
nutrição, temperatura, luz, toxinas e estresse. Spadafora cita evidências
mostrando que tais gatilhos ambientais podem "ser transmitidos por meio de
gametas e ser herdados com frequência variável através de gerações que não
foram expostas a esse gatilho".
Pesquisa em andamento - Vários anos atrás, o laboratório de Spadafora
no Conselho Nacional de Pesquisa em Roma descobriu a capacidade das células
espermáticas de absorver moléculas externas de DNA e entregá-las aos oócitos na
fertilização. Eles chamaram o processo de transferência genética mediada por
esperma (TGME) e seu laboratório e outros têm estudado o fenômeno e trabalhado
em possíveis aplicações para modificação genética e terapias contra o câncer.
Resumindo seu modelo, Spadafora disse: "A evolução não é uma
coleção de características aleatórias que aumentam com o tempo, nem essas
características dependem de eventos contingentes. Pelo contrário, as variações
são finamente ajustadas por organismos e são integradas gerando estruturas, formas e funções."
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Corrado
Spadafora. "The epigenetic basis of evolution." Progress in
Biophysics and Molecular Biology. March 2023. https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2023.01.005
Entrevista com Corrado Spadafora
A epigenética impulsiona a evolução
O Dr. Corrado Spadafora é pesquisador do Instituto de Farmacologia
Translacional do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália. Ele discutiu suas
opiniões sobre epigenética e evolução com o Current Science Daily por e-mail.
Discuta como sua hipótese evolutiva desafia a visão de síntese moderna
da evolução.
De acordo com o neodarwinismo (ou a teoria chamada “síntese moderna”), a
evolução é alimentada por dois processos independentes, mas convergentes:
mutações genéticas que ocorrem aleatoriamente e seleção natural. Em resumo, as
mutações geram variantes fenotípicas que são então “peneiradas” pela seleção
natural, que preserva e fixa aquelas que conferem uma vantagem adaptativa
(maior aptidão) e contra-seleciona aquelas com baixo ou nenhum valor
adaptativo.
Essa visão foi recentemente contestada por muitas razões com base em
evidências de que mutações aleatórias podem causar instabilidade genética e,
finalmente, gerar células inviáveis, atuando principalmente como “agentes
disruptivos” de informações genéticas pré-existentes, em vez de geradoras de
novidade evolutiva.
Além disso, nenhuma evidência paleontológica apoia o surgimento de
muitas variantes fenotípicas induzidas por mutações que se esperaria originar
de mutações aleatórias.
Quais são algumas das evidências de dados epigenéticos?
Nos últimos anos, dados epigenéticos crescentes mostram que os
organismos são sensíveis a uma variedade de estímulos epigenéticos que não
causam mutações no DNA genômico, mas alteram a conformação espacial da
arquitetura do genoma e reprogramam o perfil de expressão gênica. Dados
crescentes sugerem que alterações epigenéticas têm fortes implicações
evolutivas.
Na esteira desses estudos, propus que os gametas e os embriões iniciais
têm características evolutivamente relevantes intrínsecas.
Primeiro, os espermatozoides, além de carregar o genoma masculino,
também acumulam e carregam uma carga de informações extracromossômicas baseadas
em RNA que podem ser entregues aos ovócitos na fertilização.
Em segundo lugar, zigotos e embriões muito precoces nos estágios de uma
e duas células – isto é, logo após a fertilização ou apenas emergindo da
primeira divisão celular que se segue à fertilização – oferecem um contexto
altamente permissivo, capaz de aceitar e transmitir as informações
transportadas pelo RNA do esperma junto com o pool genético dos embriões em
desenvolvimento.
Nesse ambiente crucialmente permissivo, o RNA espermático pode exercer
todo o seu potencial para reprogramar o desenvolvimento, induzindo variações
micro e/ou macro-evolutivas. Além disso, o acúmulo, em várias gerações, de
informações baseadas em RNA fornecidas após cada fertilização pode aumentar os
efeitos de variação com alcance evolutivo significativo.
O RNA está transmitindo material que não é DNA?
O RNA não está transmitindo material, mas informação extracromossômica
que não está codificada no DNA genômico. A maior parte do RNA armazenado nos
espermatozoides tem origem somática, provavelmente transcrito nas células
somáticas do doador de esperma (o pai) em resposta a estressores e estímulos
ambientais, depois acondicionado em vesículas extracelulares (VEs) que são
liberadas no sangue circulante.
Parte dos VEs atinge o epidídimo, onde sua carga de RNA é eventualmente
absorvida por espermatozoides maduros, que são naturalmente permeáveis a
moléculas e vesículas. Assim, as informações baseadas no RNA do esperma não são
remanescentes de alguma transcrição aleatória, mas refletem o impacto exercido
pelas condições ambientais nas células do organismo.
Os RNAs induzidos pelo estresse, por sua vez, podem afetar a modelagem
do organismo em desenvolvimento. Este modelo proposto integra essas linhas de
evidência e sugere que o surgimento de novidades de desenvolvimento é
amplamente impulsionado pelo RNA contendo informações herdadas por meio de
células espermáticas ao longo das gerações. A progressão evolutiva, portanto, é
um processo eminentemente epigenético que não requer necessariamente mutações
genéticas ou seleção natural, uma visão que contrasta fortemente com a visão
genecêntrica neodarwiniana.
Além disso, nenhuma evidência paleontológica apoia o surgimento de
muitas variantes fenotípicas induzidas por mutações que se esperaria originar
de mutações aleatórias.
E quanto às diferenças reais no DNA que distinguem as espécies?
Existem várias diferenças quantitativas e qualitativas que distinguem os
genomas de diferentes espécies: o tamanho do genoma varia entre as diferentes
espécies; o conteúdo gênico varia porque espécies diferentes têm números
diferentes de genes; o rearranjo gênico varia porque os genes são distribuídos
diferencialmente nos cromossomos.
No entanto, nenhuma dessas diferenças mostra correlações claras com a
progressão evolutiva das espécies. Em vez disso, uma paisagem diferente e mais
interessante surge quando as sequências de DNA codificantes e não codificantes
são comparadas. As sequências codificantes, também conhecidas como éxons, são
as sequências codificadoras de proteínas, enquanto as não codificantes são
constituídas predominantemente por sequências que exercem funções regulatórias
genômicas.
É justo dizer que seu modelo proposto flui da teoria evolutiva
tradicional e faz uso de novos dados experimentais?
Sim, está correto. Como qualquer outro ramo da ciência, a biologia
evoluiu ao longo do tempo e agora é hora de incorporar novas descobertas
experimentais e conceitos teóricos em um novo cenário evolutivo. Estudos têm
revelado que um amplo espectro de fatores e mecanismos contribui para os
processos evolutivos.
Entre outros, surgiram papéis fundamentais para a biologia evolutiva do
desenvolvimento (fundindo-se no novo campo de pesquisa denominado evo-devo),
que visa identificar mecanismos de desenvolvimento que geram a vasta
diversidade de morfologias em organismos dentro e entre populações e espécies.
Esses incluem:
• Herança epigenética, ou herança não baseada em genes, que consiste na
capacidade de reprogramar a expressão gênica, sem alterar a sequência de DNA
subjacente, e transmitir de forma estável a informação reprogramada ao longo
das gerações;
• Plasticidade do desenvolvimento, ou seja, a capacidade de um organismo
modificar seu próprio fenótipo para se adaptar ao ambiente em resposta a
estímulos externos.
Novamente, esses processos indutores de variações são de natureza
epigenética, não exigindo mutações nem seleção natural.
Seu laboratório fez algumas descobertas importantes em relação à
epigenética.
O trabalho do meu laboratório tem se concentrado principalmente na
biologia reprodutiva e do desenvolvimento. Nossa principal descoberta foi que
os espermatozoides de praticamente todas as espécies animais, inclusive a
humana, têm a capacidade espontânea de captar moléculas estranhas, como DNA e
RNA, e partículas, como vesículas e vírus, e internalizá-las em seus núcleos.
Essa carga extracromossômica é entregue ao oócito na fertilização e tem
o potencial de introduzir novas características no embrião em desenvolvimento.
Essa capacidade espontânea das células espermáticas forneceu a base funcional
para o desenvolvimento do modelo evolutivo proposto em meu artigo.
Onde os fatores ambientais entraram em jogo?
Esta não foi nossa descoberta exclusiva, mas contribuímos para ela juntamente
com o trabalho de muitos outros laboratórios que descobriram que a composição
da carga de RNA em VEs é fortemente influenciada pelas condições ambientais às
quais as células/tecidos originários foram expostos. Por essa razão, a
composição da informação que flui das células estressadas é variável e expressa
sua adaptação a mudanças ambientais específicas.
No modelo, as VEs desempenham um papel crucial como vetores da
informação baseada em RNA extracromossômico das células somáticas [não
reprodutivas] originárias para os espermatozoides do epidídimo. [O epidídimo é
onde os espermatozoides amadurecem e são armazenados.] Ao fazer isso, eles
atravessam a “barreira de Weissman”, uma barreira metafórica tradicionalmente
considerada como a fronteira intransponível que separa as células somáticas das
células germinativas.
Você propôs esta transferência de esperma como um projeto baseado em RNA
que pode "religar os circuitos genéticos nos embriões".
A carga de RNA do VE proveniente de células somáticas e captada por
espermatozoides epididimários é essencialmente constituída por RNAs
“reguladores”, muitas vezes pequenas moléculas de RNA que controlam a expressão
de genes-alvo e modulam perfis de transcrição. Na fertilização, a carga de RNA
do esperma é entregue aos zigotos. Nesse sentido, modula a expressão de genes
embrionários e redefine o perfil de transcrição dos embriões pré-implantação em
desenvolvimento inicial. Isso pode levar ao surgimento de novidades
fenotípicas.
Em outras palavras, as mudanças evolutivas não são causadas por mutações
progressivas, mas emergem de uma malha funcional.
As variações evolutivas estão diretamente correlacionadas com o RNA
espermático entregue na fertilização, cuja composição depende dos estímulos e
da resposta às condições ambientais nas células somáticas originárias. Nesta
perspectiva, o RNA do esperma pode ser considerado como seu “projeto”. Este
mecanismo tem um valor adaptativo específico porque transmite informações
ambientais relevantes para os embriões em desenvolvimento.
Como você espera que seu modelo para uma "linha de montagem"
promotora da evolução epigenética mude o estudo da evolução?
A evolução é um processo extremamente lento que se desenvolve ao longo
de eras geológicas e não é observável durante a vida humana. Consistente com
isso, nenhuma abordagem experimental pode estudar a evolução. A trajetória da
evolução é geralmente reconstruída com base em estudos retrospectivos “para
trás”, usando remanescentes paleontológicos deixados ao longo das eras,
enquanto mecanismos moleculares básicos podem ser recapitulados a partir de
características fenotípicas, genômicas e epigenéticas de organismos vivos.
Além disso, a evolução está intimamente relacionada ao problema da
origem da vida, uma questão importante cuja resposta permanece envolta em
profundo mistério. Essa falta de dados experimentais diretos deixa grandes
lacunas em nosso conhecimento que, não surpreendentemente, foram preenchidas
com uma variedade de especulações filosóficas, referências ideológicas e implicações
religiosas. Com base nisso, a evolução tornou-se um amplo campo de batalha, no
qual as visões contrastantes da evolução como um fenômeno aleatório não
direcionado versus um processo conduzido teleologicamente são duramente
opostas.
Todas essas razões tornam a evolução uma área de estudo complexa e
desafiadora. A principal intenção do modelo que proponho é reunir dados
experimentais sólidos, conceitos e hipóteses de várias áreas da biologia e
integrá-los em um modelo multifacetado de evolução global.
O que é a "linha de montagem"?
As seguintes etapas principais podem ser reconhecidas.
1) Os espermatozóides absorvem o RNA contendo informações de origem
somática e o entregam aos oócitos na fertilização.
2) Os zigotos, embriões de uma e duas células, são altamente
“permissivos” e, portanto, fornecem contextos capazes de assimilar as
informações extracromossômicas baseadas em RNA.
3) As assimetrias funcionais são estabelecidas em oócitos e embriões
iniciais, com base na distribuição de miRNAs e morfogênios, e representam um
modelo natural de “pontos quentes” que conduzirão o desenvolvimento futuro.
4) O RNA liberado pelo esperma age como um agente de quebra de simetria,
capaz de modificar o projeto natural e redirecionar a trajetória da evolução.
5) A redistribuição de redes genéticas pré-existentes e a readaptação de
estruturas pré-existentes propensas a aceitar inovações morfológicas são,
portanto, fundamentais para o surgimento de variantes fenotípicas evolutivas,
independentemente da ocorrência de mutações.
Conclusão
Esse maquinário gerador de informação/inovação é continuamente acionado
nos organismos em resposta a estímulos ambientais aos quais estão expostos. No
geral, o processo fornece condições que favorecem a evolução e a canalizam ao
longo de trajetórias específicas, restringindo a miríade de variantes possíveis
que poderiam ser potencialmente geradas por mutações aleatórias. Nesse sentido,
o acaso desempenha pouco papel na evolução e, como tal, pode ser definido como
um “processo orientado por objetivos” e, porque não, também repetível.
Spadafora concluiu, '"Nada
na biologia faz sentido exceto à luz da evolução' é a famosa declaração do
biólogo Theodosius Dobzhansky que poderia ser parafraseada como 'Nada na
evolução faz sentido exceto à luz da mente humana.'''
A base epigenética da evolução
The epigenetic basis of evolution
Corrado Spadafora 1
Review Prog Biophys Mol Biol. 2023
Mar;178:57-69.
Abstrato - Um
crescente corpo de dados está revelando papéis-chave da epigenética nos
processos evolutivos. O escopo deste manuscrito é reunir em um quadro coerente
evidências experimentais que apoiem o papel de fatores e redes epigenéticos,
ativos durante a embriogênese, na orquestração de fenômenos indutores de
variação subjacentes à evolução, vistos como um processo global. Esse processo
se desdobra em dois níveis cruciais: i) um fluxo de informações baseadas em RNA
- predominantemente pequenos RNAs regulatórios liberados de células somáticas
expostas a estímulos ambientais - captados por espermatozoides e entregues aos
oócitos na fertilização e ii) o altamente permissivo e variador- ambientes
propensos oferecidos por zigotos e embriões precoces totipotentes. Os embriões
totipotentes fornecem uma variedade de ferramentas biológicas que favorecem o
surgimento de novidades fenotípicas evolutivamente significativas impulsionadas
pela informação do RNA. Sob esta luz, nem mutações genômicas aleatórias, nem o
papel criterioso da seleção natural são necessários, pois a carga de RNA
entregue pelo esperma transmite informações específicas e atua como
"indutor fenotípico" de características adquiridas no ambiente
definidas.
Palavras-chave: Totipotência
embrionária; Epigenética; Evolução; LINHA 1; Herança transgeracional mediada
por espermatozoides.
A hipótese do "campo
evolutivo". Herança transgeracional não mendeliana medeia diversificação e
evolução
The "evolutionary field"
hypothesis. Non-Mendelian transgenerational inheritance mediates diversification
and evolution
Corrado Spadafora
Review Prog Biophys Mol Biol. 2018
May;134:27-37
Abstrato - A
epigenética é cada vez mais considerada como um potencial fator contribuinte
para a evolução. Com base em resultados aparentemente não relacionados,
proponho aqui que as nanovesículas contendo RNA, predominantemente pequenos
RNAs reguladores, são liberadas de tecidos somáticos na corrente sanguínea,
atravessam a barreira de Weismann, atingem o epidídimo e são eventualmente
absorvidas por espermatozoides; doravante, a informação é entregue aos ovócitos
na fertilização. No modelo, uma atividade de transcriptase reversa codificada
por LINE-1, presente em espermatozoides e embriões iniciais, desempenha um
papel fundamental na amplificação e propagação desses RNAs como estruturas
extracromossômicas. Pode-se conceber que, ao longo de gerações, os efeitos
cumulativos dos RNAs entregues pelo esperma cruzariam um limiar crítico e
superariam a capacidade tampão dos embriões. Como um todo, o processo pode
promover a geração de uma plataforma contendo informações que impulsiona a
remodelação da paisagem epigenética embrionária com potencial para gerar
mudanças ontogênicas e redirecionar a trajetória evolutiva. Ao longo do tempo,
variações evolutivamente significativas e adquiridas de forma estável podem ser
geradas através do processo. A interação entre esses elementos define o
conceito de "campo evolutivo", uma plataforma autoconsistente e
abrangente contendo informações e uma fonte de novidade evolutiva descontínua.
Palavras-chave:
Embriogênese; retrotransposões LINE-1; Nanovesículas; Transcriptase reversa;
Espermatozoides; Herança transgeracional; Barreira de Weismann.
