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Os humanos se separaram de nossos parentes animais mais próximos, os chimpanzés, e formaram nosso próprio ramo na árvore evolutiva há cerca de sete milhões de anos. Desde então – breve, de uma perspectiva evolutiva – nossos ancestrais desenvolveram as características que nos tornam humanos, incluindo um cérebro muito maior do que o dos chimpanzés e corpos que são mais adequados para andar sobre os dois pés. Essas diferenças físicas são sustentadas por mudanças sutis no nível do nosso DNA. No entanto, pode ser difícil dizer quais das muitas pequenas diferenças genéticas entre nós e os chimpanzés foram significativas para nossa evolução.
Nova pesquisa do membro do Whitehead Institute, Jonathan Weissman; Universidade da Califórnia, San Francisco Professor Assistente Alex Pollen; Weissman lab postdoc Richard She; Aluno de pós-graduação do laboratório de pólen, Tyler Fair; e colegas usa ferramentas de ponta desenvolvidas no laboratório Weissman para estreitar as principais diferenças em como humanos e chimpanzés dependem de certos genes. Suas descobertas, publicadas na revista Célula em 20 de junho, pode fornecer pistas únicas sobre como os humanos e os chimpanzés evoluíram, incluindo como os humanos se tornaram capazes de desenvolver cérebros comparativamente grandes.
Estudar a função em vez do código genético
Apenas um punhado de genes é fundamentalmente diferente entre humanos e chimpanzés; o resto dos genes das duas espécies são tipicamente quase idênticos. As diferenças entre as espécies geralmente se resumem a quando e como as células usam esses genes quase idênticos. No entanto, apenas algumas das muitas diferenças no uso de genes entre as duas espécies fundamentam grandes mudanças nas características físicas. Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem para estreitar essas diferenças impactantes.
Sua abordagem, usando células-tronco derivadas de amostras de pele humana e de chimpanzé, conta com uma ferramenta chamada interferência CRISPR (CRISPRi) desenvolvida pelo laboratório de Weissman. O CRISPRi usa uma versão modificada do sistema de edição de genes CRISPR/Cas9 para efetivamente desativar genes individuais. Os pesquisadores usaram o CRISPRi para desativar cada gene, um de cada vez, em um grupo de células-tronco humanas e em um grupo de células-tronco de chimpanzés. Então eles olharam para ver se as células se multiplicavam ou não em sua taxa normal. Se as células parassem de se multiplicar tão rapidamente ou parassem completamente, então o gene que havia sido desativado era considerado essencial: um gene que as células precisam estar ativas – produzindo um produto proteico – para prosperar. Os pesquisadores procuraram casos em que um gene era essencial em uma espécie, mas não em outra, como forma de explorar se e como havia diferenças fundamentais nas formas básicas de funcionamento das células humanas e dos chimpanzés.
Ao procurar diferenças em como as células funcionam com genes específicos desativados, em vez de observar diferenças na sequência de DNA ou na expressão de genes, a abordagem ignora diferenças que não parecem afetar as células. Se uma diferença no uso de genes entre espécies tem um efeito grande e mensurável no nível da célula, isso provavelmente reflete uma diferença significativa entre as espécies em uma escala física maior e, portanto, os genes identificados dessa maneira provavelmente serão relevantes para as características distintivas que surgiram ao longo da evolução humana e do chimpanzé.
“O problema de olhar para mudanças de expressão ou mudanças nas sequências de DNA é que existem muitos deles e sua importância funcional não é clara”, diz Weissman, que também é professor de biologia no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e pesquisador do Howard Instituto Médico Hughes. “Essa abordagem analisa as mudanças em como os genes interagem para realizar processos biológicos importantes, e o que vemos ao fazer isso é que, mesmo na curta escala de tempo da evolução humana, houve uma religação fundamental das células”.
Depois que os experimentos do CRISPRi foram concluídos, ela compilou uma lista dos genes que pareciam ser essenciais em uma espécie, mas não na outra. Então ele procurou padrões. Muitos dos 75 genes identificados pelos experimentos se agruparam nas mesmas vias, o que significa que os grupos estavam envolvidos nos mesmos processos biológicos. Isso é o que os pesquisadores esperavam ver. Pequenas mudanças individuais no uso de genes podem não ter muito efeito, mas quando essas mudanças se acumulam na mesma via ou processo biológico, coletivamente elas podem causar uma mudança substantiva na espécie. Quando a abordagem dos pesquisadores identificou genes que se agrupam nos mesmos processos, isso sugeriu a eles que sua abordagem havia funcionado e que os genes provavelmente estavam envolvidos na evolução humana e do chimpanzé.
“Isolar as mudanças genéticas que nos tornaram humanos foi comparado a procurar agulhas no palheiro porque existem milhões de diferenças genéticas, e a maioria provavelmente terá efeitos insignificantes nas características”, diz Pollen. “No entanto, sabemos que existem muitas mutações de pequeno efeito que, em conjunto, podem ser responsáveis por muitas diferenças de espécies. Esta nova abordagem nos permite estudar esses efeitos agregados, permitindo-nos pesar o impacto do palheiro nas funções celulares.”
Pesquisadores acreditam que cérebros maiores podem depender de genes que regulam a rapidez com que as células se dividem
Um cluster da lista se destacou para os pesquisadores: um grupo de genes essenciais aos chimpanzés, mas não aos humanos, que ajudam a controlar o ciclo celular, que regula quando e como as células decidem se dividir. Há muito que se acredita que a regulação do ciclo celular desempenha um papel na evolução dos grandes cérebros humanos. A hipótese é a seguinte: progenitores neurais são as células que se tornarão neurônios e outras células cerebrais. Antes de se tornarem células cerebrais maduras, os progenitores neurais se dividem várias vezes para produzir mais de si mesmos. Quanto mais divisões os progenitores neurais sofrerem, mais células o cérebro acabará por conter – e, portanto, maior será. Os pesquisadores acreditam que algo mudou durante a evolução humana para permitir que os progenitores neurais passem menos tempo em uma fase de não divisão do ciclo celular e façam uma transição mais rápida para a divisão. Essa simples diferença levaria a divisões adicionais, cada uma das quais poderia basicamente dobrar o número final de células cerebrais.
Consistente com a hipótese popular de que os progenitores neurais humanos podem sofrer mais divisões, resultando em um cérebro maior, os pesquisadores descobriram que vários genes que ajudam as células a transitar mais rapidamente através do ciclo celular são essenciais nas células progenitoras neurais do chimpanzé, mas não nas células humanas. Quando as células progenitoras neurais do chimpanzé perdem esses genes, elas permanecem em uma fase de não divisão, mas quando as células humanas os perdem, elas continuam circulando e se dividindo. Essas descobertas sugerem que os progenitores neurais humanos podem ser mais capazes de suportar estresses – como a perda de genes do ciclo celular – que limitariam o número de divisões pelas quais as células passam, permitindo que os humanos produzam células suficientes para construir um cérebro maior.
“Essa hipótese existe há muito tempo e acho que nosso estudo está entre os primeiros a mostrar que há de fato uma diferença entre as espécies em como o ciclo celular é regulado em progenitores neurais”, diz ela. “Não tínhamos ideia de quais genes nossa abordagem destacaria, e foi realmente emocionante quando vimos que uma de nossas descobertas mais fortes correspondia e expandia essa hipótese existente”.
Mais assuntos levam a resultados mais robustos
Pesquisas comparando chimpanzés com humanos geralmente usam amostras de apenas um ou dois indivíduos de cada espécie, mas este estudo usou amostras de seis humanos e seis chimpanzés. Ao garantir que os padrões observados fossem consistentes em vários indivíduos de cada espécie, os pesquisadores poderiam evitar confundir a variação genética natural entre os indivíduos como representativa de toda a espécie. Isso lhes permitiu ter certeza de que as diferenças que identificaram eram realmente diferenças entre as espécies.
Os pesquisadores também compararam suas descobertas para chimpanzés e humanos com orangotangos, que se separaram das outras espécies no início de nossa história evolutiva compartilhada. Isso permitiu que eles descobrissem onde na árvore evolutiva provavelmente ocorreu uma mudança no uso do gene. Se um gene é essencial tanto em chimpanzés quanto em orangotangos, então provavelmente era essencial no ancestral compartilhado pelas três espécies; é mais provável que uma diferença particular tenha evoluído uma vez, em um ancestral comum, do que tenha evoluído independentemente várias vezes. Se o mesmo gene não é mais essencial nos humanos, então seu papel provavelmente mudou depois que os humanos se separaram dos chimpanzés. Usando esse sistema, os pesquisadores mostraram que as mudanças na regulação do ciclo celular ocorreram durante a evolução humana, consistente com a proposta de que elas contribuíram para a expansão do cérebro em humanos.
Os pesquisadores esperam que seu trabalho não apenas melhore nossa compreensão da evolução humana e do chimpanzé, mas também demonstre a força da abordagem CRISPRi para estudar a evolução humana e outras áreas da biologia humana. Pesquisadores nos laboratórios Weissman e Pollen estão agora usando a abordagem para entender melhor as doenças humanas – procurando as diferenças sutis no uso de genes que podem estar subjacentes a características importantes, como se alguém corre o risco de desenvolver uma doença ou como responderá a um medicamento. Os pesquisadores antecipam que sua abordagem permitirá que eles classifiquem muitas pequenas diferenças genéticas entre as pessoas para restringir os impactos subjacentes às características de saúde e doença, assim como a abordagem permitiu que eles reduzissem as mudanças evolutivas que ajudaram a nos tornar humanos.
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