Arquivo da categoria: Biologia Molecular

Sexta Selvagem: Musgo-da-terra-espalhado

por Piter Kehoma Boll

Se você ainda acha que musgos não são interessantes, talvez mude de ideia depois de conhecer o musgo-da-terra-espalhado, Physcomitrella patens.

Encontrado em regiões temperadas do mundo, exceto na América do Sul, mas mais comum na América do Norte e na Eurásia, o musgo-da-terra-espalhado cresce perto de corpos d’água, sendo uma das primeiras espécies a colonizar o solo exposto em torno de poças d’água. Apesar de amplamente distribuído, não é uma espécie comum.

Physcomitrella_patens

O musgo-da-terra-espalhado crescendo na lama. Foto de Hermann Schachner.

Desde o começo dos anos 1970, o musgo-da-terra-espalhado vem sendo usado como organismo modelo, especialmente em relação a manipulação de genes. Diferente do que ocorre em plantas vasculares, a fase dominante em musgos é o gametófito, um organismo haploide, o que significa que ele tem apenas uma cópia de cada cromossomo nas células. Essa é uma condição ideal para o estudo da expressão de genes, já que a ativação e desativação de um gene não é mascarada por um segundo em outra cópia do cromossomo na mesma célula.

Physcomitrella_patens_ecotypes

Physcomitrella patens crescendo no laboratório. Créditos ao laboratório de Ralf Reski.*

Ao controlar a expressão gênica no musgo-da-terra-espalhado, pesquisadores podem traçar o papel de cada um deles no desenvolvimento da planta. Comparar esses dados com o que é conhecido de plantas com flores pode levar a um melhor entendimento de como o reino das plantas evoluiu.

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Referências:

Cove, D. (2005). The Moss Physcomitrella patens Annual Review of Genetics, 39 (1), 339-358 DOI: 10.1146/annurev.genet.39.073003.110214

Schaefer, D. (2001). The Moss Physcomitrella patens, Now and Then PLANT PHYSIOLOGY, 127 (4), 1430-1438 DOI: 10.1104/pp.127.4.1430

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*Creative Commons License
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Arquivado em Biologia Molecular, Botânica, Sexta Selvagem

Por que timina no lugar da uracila?

por Piter Kehoma Boll

(Esta postagem foi inicialmente publicada no meu blog Poisor Tristesi, agora quase inativo. Uma versão em inglês também foi publicada no Earthling Nature)

Anos atrás, enquanto eu estava na aula de Técnicas de Diagnóstico Molecular, uma dúvida interessante brotou: por que o DNA usa timina ao invés de uracila, como faz o RNA?

Espero que todos lendo isso conheçam ácidos nucleicos e saibam a diferença entre DNA e RNA. Uma revisão rápida:

RNA (ácido ribonucleico) é um polímero feito de ribonucleotídeos, moléculas compostas feitas de três partes ou moléculas menores: uma base nitrogenada (adenina, uracila, citosina ou guanina), um açúcar ribose e um grupo fosfato.

DNA (ácido desoxirribonucleico) é similar, mas ao invés de uracila ele tem timina, e ao invés de ribose ele tem desoxirribose, de forma que ele é formado de desoxirribonucleotídeos. Outra diferença é que o DNA é uma cadeia dupla torcida helicoidalmente, onde duas bases nitrogenadas (uma de cada cadeia) são conectadas. Adenina é sempre conectada com timina e citosina sempre com guanina, de forma que uma cadeia sempre depende da outra.

Atualmente é aceito que o RNA foi o primeiro ácido nucleico a existir e que o DNA evoluiu dele, de forma que diferenças no açúcar e nas bases nitrogenadas devem ter alguma vantagem.

Para entender isso, vamos dar uma olhada na estrutura da uracila:

Uracila

Uracila

A única diferença entre ela e a timina é a presença de um grupo metil na timina:

Timina

Timina

De fato, a timina também é chamada de 5-metiluracila. Mas vamos à explicação:

Enquanto nucleotídeos são sintetizados, os nucleotídeo-monofosfatos (NMPs), isto é, o conjunto base nitrogenada + açúcar + fosfato é desidroxilado, criando 2′-desoxi-nucleotídeo-monofosfatos (dNMPs), isto é, GMP, AMP, CMP e UMP (para guanina, adenina, citosina e uracila) são modificados para dGMP, dAMP, dCMP e dUMP.

Esta modificação por desidroxilação demonstrou que ela torna as ligações fosfodiéster (as ligações entre fosfatos e o açúcar) menos suscetíveis a hidrólise e dano por radiação UV. Ela assegura que a molécula de DNA não será tão facilmente quebrada quanto uma molécula de RNA, o que é muito útil visto que o DNA carrega toda a informação para construir o organismo.

Depois da desidroxilação dos nucleotídeo-monofosfatos, o próximo passo, catalizado por ácido fólico, adiciona um grupo metil à uracila para formar uma timina, assim transformando dUMP em dTMP.

Há muitas explicações para isso:

1. Apesar da tendência da uracila de se parear com adenina, ela também pode se parear com outras bases, incluindo ela própria. Adicionando um grupo metil (que é hidrofóbico) e transformando-a em timina, sua posição é reorganizada na dupla-hélice, não permitindo que esses pareamentos errados occorram.

2. A citosina pode desaminar para se transformar em uracila. Você pode ver na imagem abaixo que a única diferença entre elas é a mudança de um O na uracila para um NH2 na citosina. O problema é que, se a uracila fosse um componente do DNA, os sistemas de reparos não seriam capazes de distinguir uma uracila original de uma uracila originada por desaminação de citosina. Assim usar timina no lugar torna a situação mais fácil e mais estável, já que qualquer uracila dentro do DNA precisa vir de uma citosina e assim ela pode ser substituída por uma nova citosina.

Citosina

Citosina

Isso não evoluiu para esse propósito, é claro. A evolução não pode predizer o que acontece. Provavelmente durante os primeiros estágios da vida, um erro eventual mudou a uracila para timina e se mostrou mais estável para levar a informação, visto que tal molécula não seria destruída tão facilmente e assim seria bem-sucedida para passar seu “layout” para a próxima geração.

Isso me fazer pensar… Será que uma forma de vida alienígena encontrou uma maneira alternativa de lidar com a instabilidade do RNA (ou algo equivalente)?

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Principal Referência:

Jonsson, J. (1996). The Evolutionary Transition from Uracil to Thymine Balances the Genetic Code Journal of Chemometrics, 10, 163-170 DOI: 10.1002/(SICI)1099-128X(199603)10:2

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Arquivado em Biologia Molecular, Evolução

42: a resposta para a vida, o universo e tudo mais (isto é, a consciência)

por Piter Kehoma Boll

Em sua obra “O Guia do Mochileiro das Galáxias”, Douglas Adams definiu que a resposta para a vida, o universo e tudo mais é 42.

Agora um grupo de cientistas mediu o metabolismo de glicose no encéfalo em estado de repouso de pacientes em coma de forma a determinar a atividade metabólica média e usou esse valor para predizer se um paciente em estado comatoso eventualmente recobraria a consciência.

FDG-PET

Uma imagem do encéfalo tomada com tomografia de emissão de pósitrons (PET) após injetar [18F]-fluorodeoxiglicose (FDG), uma forma radioativa de glicose. Este é o mesmo método usado no estudo para quantificar a atividade metabólica. Foto de Jens Maus.

Os resultados indicam que o encéfalo precisa de um mínimo de 42% de atividade metabólica em um dos hemisférios (o menos ferido) de maneira a garantir uma recuperação da consciência. E o que é a vida, o universo e tudo mais se não uma consequência de nossa consciência?

Deep_Thought

O Pensador Profundo. Imagem extraída de hitchhikers.wikia.com

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Referências:

Stender, J., Mortensen, K., Thibaut, A., Darkner, S., Laureys, S., Gjedde, A., & Kupers, R. (2016). The Minimal Energetic Requirement of Sustained Awareness after Brain Injury Current Biology DOI: 10.1016/j.cub.2016.04.024

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Arquivado em Biologia Molecular, Neurociências

Acoelomorpha: uma dor de cabeça filogenética

ResearchBlogging.orgpor Piter Kehoma Boll

Dê uma olhada nesses caras:

Vermes verdes Symsagittifera roscoffensis (Graff, 1891). Foto por Vincent Maran. Extraída de doris.ffessm.fr

Vermes verdes Symsagittifera roscoffensis (Graff, 1891). Foto por Vincent Maran. Extraída de doris.ffessm.fr

Eles são membros do grupo Acoelomorpha, animais que ainda são um quebra-cabeças em filogenia. Isso quer dizer que ninguém sabe com certeza onde na árvore evolutiva dos animais eles estão exatamente.

Mas primeiramente, vamos dar uma olhada no que caracteriza um acelomorfo.

Estes carinhas são pequenos vermes, geralmente medindo menos de 1 mm de comprimento e vivendo em águas marinhas ou salobras ou como simbiontes. Há dois grupos de acelomorfos: Acoela e Nemertodermatida. Acelos são os mais simples; eles possuem uma boca, mas não possuem intestino, de forma que a comida ingerida vai diretamente para os tecidos internos. Em Nemertodermatida há um intestino cego, isto é, com só uma abertura, como nos cnidários e platelmintos. De fato, eles eram inicialmente classificados como platelmintos, mas várias características posteriormente desafiaram sua posição dentro deste filo. As principais diferenças são:

  • Acelomorfos possuem uma epiderme (“pele”) com cílios cujas raízes são interconectadas em um padrão hexagonal, enquanto outros platelmintos possuem cílios independentes.
  • Acelomorfos não possuem protonefrídeos (órgãos primitivos semelhantes a rins) e todos os outros grupos de animais possuem ao menos um destes ou órgãos mais complexos com função similar.
  • Enquanto platelmintos e todos os outros protostômios (artrópodes, anelídeos, moluscos, nematódeos…) possuem um cordão nervoso ventral e os deuterostômios (cordados, equinodermos…) possuem um dorsal, nos acelomorfos há vários cordões nervosos distribuídos radialmente ao longo do comprimento do corpo.
Distribuição de cordões nervosos em Acoelomorpha, Protostomia e Deuterostomia. Imagem por mim mesmo, Piter K. Boll

Distribuição de cordões nervosos em Acoelomorpha, Protostomia e Deuterostomia. Imagem por mim mesmo, Piter K. Boll

Analisando tais aspectos, parece óbvio que Acelomorpha é um grupo basal de animais bilaterais e pode ser o remanescente de um grupo primitivo de animais que posteriormente foi quase totalmente extinto pelos seus descendentes mais complexos, os protostômios verdadeiros e deuterostômios. Os cordões nervosos originalmente distribuídos radialmente foram simplificados em um dorsal ou ventral em grupos mais avançados, mas permaneceram radiais em Acoelomorpha.

Diversos estudos filogenéticos indicam que Acoelomorpha é de fato um grupo basal de animais bilaterais. Eles também não possuem diversos genes Hox importantes (responsáveis por determinar o plano corporal e a distribuição dos órgãos em animais) e é pouco provável que eles tenham perdido a maioria deles por simplificação secundária.

Outro grupo de animais simples, os Xenoturbellida, foi às vezes proposto como grupo irmão de Acoelomorpha. Sua proximidade seria explicada por vários aspectos compartilhados, principalmente o sistema nervoso simples, a ausência de um sistema estomatogástrico (boca-intestino), a estrutura dos cílios da epiderme e o fato incomum de que, em ambos os grupos, células degeneradas da epiderme são reabsorvidas pela gastroderme.

Um verme Xenoturbella. Foto extraída de bioenv.gu.se/english/staff/ Hiroaki_Nakano_eng/

Um verme Xenoturbella. Foto extraída de bioenv.gu.se/english/staff/ Hiroaki_Nakano_eng/

O grupo Xenoturbellida, contudo, foi posicionado em Deuterostomia em alguns estudos moleculares e recentemente Philippe et al. (2011) propuseram que Acoelomorpha também pertenceria aos Deuterostomia! Mas como isso poderia ser possível quando eles possuem caracteres tão obviamente primitivos e peculiares, como os cordões nervosos radialmente dispostos? A explicação do grupo é que Acoelomorpha, bem como Xenoturbellida, possuem uma sequência de microRNA (miR-103/107/2013) que é exclusiva de Deuterostomia, então eles também seriam deuterostômios.

Mas espere um pouco! O que eles querem dizer com “exclusivo de Deuterostomia”? Isso significa que essa sequência de microRNA é encontrada em deuterostômios, mas não em protostômios. Agora pense comigo. Nós temos 4 grupos de bilaterais aqui: Acoelomorpha, Xenoturbellida, Deuterostomia e Protostomia. Se olharmos para eles dessa forma, podemos ver que a afirmação “miR-103/107/2013 é exclusiva de Deuterostomia” é falsa. A verdade é que essa sequência está ausente em Protostomia, mas presente em todos os outros grupos. Não seria mais lógico pensar que, em vez de deuterostômios adquirindo esta sequência, o que realmente aconteceu é que ela era um microRNA primitivo e os protostômios o perderam?

Se você considerar Xenoturbellida e Acoelomorpha dentro de Deuterostomia, você precisa assumir que eles passaram por uma gigantesca simplificação, e você mantém os cordões nervosos radiais inexplicados. Agora se você pensar neles como grupos primitivos, a única coisa necessária é analisar os protostômios como tendo perdido uma sequência de microRNA. Uma explicação bem mais simples que não deixa lacunas abertas.

Posição filogenética de Acoelomorpha e Xenoturbellida de acordo com Philippe et al. 2011. Isso significa que (1) o ancestral dos bilaterais tinha um sistema complexo de genes Hox, sendo um animal complex; (2)  miR-103/107/2013 apareceu em um ancestral de deusterostômios verdadeiros + Xenacoelomorpha (Xenoturbellida + Acoelomorpha); (3) Xenacoelomorpha passou por uma imensa perda de genes Hox, perdeu a maioria dos órgãos internos e um misterioso conjunto de cordões nervosos apareceu. Muito complicado.

Posição filogenética de Acoelomorpha e Xenoturbellida de acordo com Philippe et al. 2011. Isso significa que (1) o ancestral dos bilaterais tinha um sistema complexo de genes Hox, sendo um animal complexo; (2) miR-103/107/2013 apareceu em um ancestral de deuterostômios verdadeiros + Xenacoelomorpha (Xenoturbellida + Acoelomorpha); (3) Xenacoelomorpha passou por uma imensa perda de genes Hox, perdeu a maioria dos órgãos internos e um misterioso conjunto de cordões nervosos apareceu. Muito complicado.

Posição filogenética de Acoelomorpha e Xenoturbellida de acordo com Boll et al. 2013 (esse sou eu!), baseado numa revisão de estudos anteriores,  como um grupo basal. Isso significa que (1) o ancestral dos bilaterais era um animal simples, com um conjunto simples de genes Hox, tendo miR-103/107/2013 e cordões nervosos radiais; (2) o conjunto de genes Hox se tornou mais complexo e os cordões nervosos foram simplificados para uma forma dorsal ou ventral; (3) miR-103/107/2013 é perdido em Deuterostomia. Bem mais simples.

Posição filogenética de Acoelomorpha e Xenoturbellida de acordo com Boll et al. 2013 (esse sou eu!), baseado numa revisão de estudos anteriores, como um grupo basal. Isso significa que (1) o ancestral dos bilaterais era um animal simples, com um conjunto simples de genes Hox, tendo miR-103/107/2013 e cordões nervosos radiais; (2) o conjunto de genes Hox se tornou mais complexo e os cordões nervosos foram simplificados para uma forma dorsal ou ventral; (3) miR-103/107/2013 é perdido em Protostomia. Bem mais simples.

Você pode ler mais nas referências listadas abaixo.

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Referências:

Boll, P., Rossi, I., Amaral, S., Oliveira, S., Müller, E., Lemos, V., & Leal-Zanchet, A. (2013). Platyhelminthes ou apenas semelhantes a Platyhelminthes? Relações filogenéticas dos principais grupos de turbelários. Neotropical Biology and Conservation, 8 (1), 41-52 DOI: 10.4013/nbc.2013.81.06

Egger, B., Steinke, D., Tarui, H., De Mulder, K., Arendt, D., Borgonie, G., Funayama, N., Gschwentner, R., Hartenstein, V., Hobmayer, B., Hooge, M., Hrouda, M., Ishida, S., Kobayashi, C., Kuales, G., Nishimura, O., Pfister, D., Rieger, R., Salvenmoser, W., Smith, J., Technau, U., Tyler, S., Agata, K., Salzburger, W., & Ladurner, P. (2009). To Be or Not to Be a Flatworm: The Acoel Controversy. PLoS ONE, 4 (5) DOI: 10.1371/journal.pone.0005502

Hejnol, A., Obst, M., Stamatakis, A., Ott, M., Rouse, G., Edgecombe, G., Martinez, P., Baguna, J., Bailly, X., Jondelius, U., Wiens, M., Muller, W., Seaver, E., Wheeler, W., Martindale, M., Giribet, G., & Dunn, C. (2009). Assessing the root of bilaterian animals with scalable phylogenomic methods. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 276 (1677), 4261-4270 DOI: 10.1098/rspb.2009.0896

Moreno, E., Nadal, M., Baguñà, J., & Martínez, P. (2009). Tracking the origins of the bilaterian
patterning system: insights from the acoel flatworm. Evolution & Development, 11 (5), 574-581 DOI: 10.1111/j.1525-142X.2009.00363.x

Mwinyi, A., Bailly, X., Bourlat, S., Jondelius, U., Littlewood, D., & Podsiadlowski, L. (2010). The phylogenetic position of Acoela as revealed by the complete mitochondrial genome of Symsagittifera roscoffensis. BMC Evolutionary Biology, 10 (1) DOI: 10.1186/1471-2148-10-309

Philippe, H., Brinkmann, H., Copley, R., Moroz, L., Nakano, H., Poustka, A., Wallberg, A., Peterson, K., & Telford, M. (2011). Acoelomorph flatworms are deuterostomes related to Xenoturbella. Nature, 470 (7333), 255-258 DOI: 10.1038/nature09676

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