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As peculiaridades da evolução: a descoberta de um organismo que vive sem oxigênio



A flora e a fauna do nosso planeta são incrivelmente ricas em uma ampla variedade de organismos, cada um com características próprias. No entanto, apesar do número infinito de diferenças, sempre existem algumas regras evolutivas comuns para todos. Uma dessas regras é a necessidade de oxigênio. É claro que cogumelos, ameba ou ciliados ao longo do tempo perderam a capacidade de respirar, mas essas são apenas exceções que confirmam a regra. Anteriormente, acreditava-se que a respiração aeróbica é inerente a todas as espécies de animais, mas isso não é inteiramente verdade. Cientistas da Universidade de Tel Aviv (Israel) fizeram uma descoberta incrível - o parasita Henneguya salminicolaque vive no tecido muscular do salmão, que não precisa de oxigênio. Quais informações foram obtidas durante o estudo das novas espécies e que diferenças foram encontradas em suas informações genéticas? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Vai.

Base de estudo


Qualquer característica de qualquer organismo vivo pode ser associada ao seu ambiente e às condições em que sua evolução ocorreu. A respiração aeróbica é o ponto de interseção de muitas espécies eucarióticas, porém existem várias linhas unicelulares que perderam essa capacidade devido ao seu habitat em um ambiente hipóxico.

Se considerarmos os organismos das criaturas aeróbicas em termos de células, o mais importante são as mitocôndrias. Essa organela esférica ou elipsoidal de dois membros com um diâmetro da ordem de 1 μm é um tipo de usina elétrica, que realiza a oxidação de compostos orgânicos. Como resultado, é gerada energia, que é usada para gerar potencial elétrico, termogênese e síntese de trifosfato de adenosina (ATP, fonte de energia para processos bioquímicos).

Se não há oxigênio no habitat, e o corpo evoluiu de modo a ficar sem ele, as mitocôndrias perdem parcial ou completamente seu genoma, transformando-se em organelas semelhantes às mitocôndrias (MROs, organelas relacionadas às mitocôndrias ).

Os pesquisadores observam que a questão da presença dessas MROs em animais há muito gera controvérsia na comunidade científica. Alguns consideraram isso impossível, enquanto outros estavam convencidos do contrário, mas não tinham evidências materiais de suas teorias. No entanto, com a abertura do Henneguya salminicola, o debate não será tão feroz.


Imagem Nº 1: relações filogenéticas de eucariotos derivados da supermatriz de 9490 posições de aminoácidos para 78 espécies. As espécies que perderam a respiração aeróbica estão marcadas em negrito e com um asterisco.

Uma das principais diferenças entre a MRO e as mitocôndrias convencionais é a ausência na primeira crista * , que é substituída pelos hidrogenossomas * e mitossomas * .
Krista * - dobras da membrana interna das mitocôndrias.
Hidrogenossomas * - uma organela de membrana fechada de alguns organismos anaeróbicos unicelulares (sem oxigênio), como ciliados, tricomonadas e fungos.
Mitossomas * - organelas de alguns organismos unicelulares anaeróbicos (sem oxigênio). Muito provavelmente, os mitossomas estão envolvidos na síntese de aglomerados de Fe - S (ferro-enxofre), no entanto, os dados sobre essas organelas ainda são escassos.
No estudo que estamos examinando hoje, os cientistas demonstraram que o parasita mixosoico ( Cnidaria ) durante a evolução perdeu tanto seu genoma mitocondrial quanto as vias metabólicas aeróbias, substituindo-os por um novo tipo de MRO anaeróbico.

Os principais sujeitos experimentais neste estudo foram representantes de Myxozoa (myxozoic), uma classe de invertebrados parasitas do tipo rastejante ( Cnidária ). As mitocôndrias dos mixozoários têm estruturas genômicas muito diferentes, com grandes cromossomos mitocondriais em anel de múltiplas partes e taxas de evolução incomumente altas. Duas espécies intimamente relacionadas foram selecionadas para análise - Henneguya salminicola e Myxobolus squamalisque ambos parasitam em salmonídeos.

Resultados da pesquisa


Antes da análise real, foram coletados transcriptomas e genomas de ambas as espécies. Análises filogenéticas baseadas em 78 genes que codificam uma proteína ribossômica nuclear em táxons representando diversidade eucariótica confirmaram que os organismos que foram sequenciados estão intimamente relacionados com mixozoários.

A avaliação da qualidade da montagem do genoma mostrou que H. salminicola possui uma montagem mais completa, com maior cobertura e seqüências de proteínas mais previsíveis que M. squamalis (tabela 1).


Tabela 1: avaliação da qualidade da montagem do genoma das espécies estudadas e representativas.

Pesquisas direcionadas nos genomas identificaram 75/78 genes de proteínas ribossômicas nucleares, sugerindo que a integridade é> 90% para ambas as espécies. No entanto, as estimativas da completude do genoma usando o método básico de mapeamento gênico eucariótico (CEGMA) renderam apenas 53,6% dos principais genes eucarióticos para H. salminicola e 37,5% para M. squamalis .

Os cientistas sugeriram que foi a alta taxa de evolução que reduziu a capacidade de detectar muitos genes eucarióticos comuns.

A análise do genoma mitocondrial (doravante mt ) mostrou diferenças marcantes entre as duas espécies em consideração. O genoma circular do mt foi restaurado com sucesso para M. squamalis, consistindo de um cromossomo, que de acordo com a análise filogenética era mixozoário. Como em outras espécies mixozóicas, os tRNAs estavam ausentes no genoma mt de M. squamalis , e a taxa de evolução foi bastante alta.

A situação com H. salminicola foi oposta, pois não foi possível identificar a sequência mt , apesar da qualidade ainda mais alta dessa montagem em comparação com M. squamalis .

Além disso, para determinar a presença / ausência de DNA nas mitocôndrias mixozóicas, os cientistas mancharam os estágios de desenvolvimento multicelular vivos de M. squamalis e H. salminicola usando DAPI (corante fluorescente 4 ', 6-diamidino-2-fenilindol).


Imagem 2: Imagens microscópicas mostrando a ausência de mitocôndrias em H. salminicola. As

células de M. squamalis mostraram coloração eucariótica característica de núcleos e mitocôndrias ( 2A ), enquanto H. salminicola mostrou apenas coloração nuclear ( 2B ).

Os resultados microscópicos confirmaram que o genoma do mt está ausente em H. salminicola . Entretanto, organelas de duas membranas do tipo mitocondrial com crista também foram detectadas em H. salminicola ( 2C ) e até em M. squamalis. Consequentemente, também foram encontrados genes envolvidos na organização das cristas no genoma de ambas as espécies, em particular DNAJC11 e MTX1.

A totalidade desses dados confirma que as espécies examinadas apresentam MRO sem o genoma das mitocôndrias, mas existem cristais.

Os pesquisadores lembram que em animais, a maioria das mitocôndrias do proteoma * é codificada no núcleo.
Proteoma * - um conjunto de proteínas que são expressas por um genoma, célula, tecido ou organismo em um momento específico.
Com isso em mente , 51 genes foram identificados em H. salminicola e 57 genes em M. squamalis envolvidos nas principais vias metabólicas das mitocôndrias (por exemplo, metabolismo de aminoácidos, carboidratos ou nucleotídeos). Figura


3: Comparação entre as vias presentes nas mitocôndrias aeróbicas típicas ( A ) e na H. salminicola MRO ( B ).

Isso sugere que o MRO de H. salminicola ainda desempenha uma variedade de funções metabólicas semelhantes às mitocôndrias de M. squamalis .

Por outro lado, quase todas as proteínas codificadas nucleares envolvidas na replicação e tradução do genoma do mt estavam ausentes no genoma do H. salminicola. Utilizando o banco de dados 118 desses genes codificados nucleares de Drosophila (mosca da fruta), capazes de determinar de 41 a 58 genes homólogos mt em M. squamalis , mas apenas seis desses genes foram encontrados em H. salminicola .

Vale ressaltar que a DNA polimerase gama-1 do gene mt na espécie H. salminicola é um pseudogênio porque contém três mutações pontuais que criam códons de parada prematuros * .
Stop codon * - uma unidade do código genético que codifica a cessação da tradução (síntese da cadeia polipeptídica).
Além disso, esse gene não é expresso em H. salminicola e não está presente no conjunto do transcriptoma de H. salminicola , enquanto contigs homólogos * foram identificados em todos os outros transcriptomas mixozóicos * .
Kontig * é um grupo de várias seções de DNA conectadas em série.
A presença de uma cópia pseudogênica dessa polimerase é evidência de várias teorias e observações previamente expressas. Em primeiro lugar, isso confirma a teoria de que H. salminicola perdeu seu DNA mt porque não possui um mecanismo para sua replicação. Em segundo lugar, isso prova que a ausência de homólogos de proteínas nessa espécie é resultado de pseudogenização, e não um erro de montagem.

Naturalmente, a perda do genoma mitocondrial afeta diretamente o formato respiratório do corpo, pois as mitocôndrias animais codificam proteínas importantes da cadeia de transferência de elétrons. Verificar se a perda do genoma da MT significou perda da respiração aeróbica em H. salminicola, os cientistas começaram a procurar homólogos dos genes nucleares conhecidos de Drosophila, que geralmente codificam ∼100 proteínas dos complexos da cadeia de transporte de elétrons mt .

Uma pesquisa revelou apenas sete dessas proteínas em H. salminicola , enquanto as outras mixozóicas tinham cerca de 18 a 25 anos. Em particular, todos os complexos genéticos (I, III e IV) que foram detectados em outras espécies mixozóicas estão ausentes em H. salminicola ( 3B ) ou apresentados como pseudogenes.

Uma vez que interage complexos IV com O 2 moléculas , isto pode significar que H. salminicola pode ser incapaz de respiração aeróbica celular padrão.

Além dos complexos I, III e IV, responsáveis ​​pela passagem de prótons no espaço intermembranar mitocondrial, nenhum complexo V responsável pela síntese de ATP foi detectado em H. salminicola .

Para uma familiarização mais detalhada com as nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo


Neste estudo, foram coletados os primeiros dados sobre as características genéticas de uma criatura capaz de, aparentemente, viver sem a necessidade de respiração aeróbica. O que antes era considerado parte integrante do mundo animal não era tão importante para alguns de seus representantes.

Os autores desta descoberta observam que geralmente a evolução procede de simples a complexa, mas no caso de H. salminicola a situação oposta é observada. A vida em um ambiente livre de oxigênio forçou esse organismo a perder os genes mais desnecessários responsáveis ​​pela respiração aeróbica, o que o tornou um organismo mais simples.

Evidentemente, ainda não está claro exatamente como a evolução do organismo parasitário da espécie H. salminicola ocorreu.o que exatamente as circunstâncias o forçaram a perder suas mitocôndrias e realmente abandonar o oxigênio e por que exatamente ocorreu uma variante dessas mudanças. Os cientistas pretendem considerar esses problemas em suas pesquisas futuras.

Seja como for, essa descoberta é verdadeiramente única, pois confirma mais uma vez que a natureza ainda tem algo para nos surpreender. Leis e normas geralmente aceitas anteriormente consideradas inabaláveis ​​são violadas em alguns casos raros. Por um lado, isso é surpreendente, por outro - bastante esperado. Afinal, o que mais você pode esperar da evolução, que de um caldo primário caótico criou uma flora e fauna tão complexa e bonita que nos rodeia todos os dias.

Obrigado pela atenção, fique curioso e tenha um ótimo final de semana a todos, pessoal! :)

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