Evolução dos fenótipos e estrutura do pelo em roedores : uma abordagem dos genes MC1r e Edar

Abstract

A variação morfológica está presente, em alguma maneira, em populações naturais de todos os organismos, sendo particularmente evidenciada na coloração da pelagem e a estrutura de pelos modificados em mamíferos, os quais apresentam grande diversidade e convergências entre as linhagens corresponentes. Neste estudo, é investigado o papel dos genes candidatos Mc1r e Edar na determinação dos fenótipos coloração da pelagem e estrutura espinhenta do pelo, respectivamente, tendo como hipótese o envolvimento de variações estruturais e/ou regulatórias na geração da diversidade morfológica observada. O estudo com o gene Mc1r incluiu a caracterização de variantes genéticas em fenótipos claro, escuro e melânico de espécies de roedores subterrâneos da família Ctenomyidae (tuco-tucos). Também, foram analisados os níveis de expressão do Mc1r nestes mesmos fenótipos em diferentes regiões corporais: dorso, flanco e ventre. Observou-se uma alta variabilidade nas seqüências do Mc1r em ctenomídeos, porém, nenhuma mudança foi associada a um determinado fenótipo, indicando que alterações na estrutura da proteína não estão envolvidas na determinação da coloração da pelagem neste grupo. Também não foram observadas diferenças significativas nos níveis de expressão do Mc1r em diferentes fenótipos. Mas, entre as regiões corporais foram evidenciadas diferenças significativas em indivíduos claros e escuros, exceto na forma melânica. Foram investigados padrões e taxas evolutivas do Mc1r ao longo de diferentes grupos de mamíferos, incluindo seqüências representativas de diversos táxons dentro de nove ordens, em particular roedores. A suposta aceleração nas taxas de substituição na vii linhagem de roedores foi testada utilizando dados do Mc1r. Ainda, o grau de conservação da proteína ao longo dos 15 domínios, e pressões de seleção sobre este gene, foi analisado. Verificou-se um padrão de aceleração linhagem-específico nos mamíferos, sendo que os roedores não apresentaram aceleração conspícua quando comparados a múltiplos grupos. Os resultados indicaram que o Mc1r possui evolução rápida, onde as taxas de substituição não-sinônimas obtidas foram semelhantes aquelas reportadas para genes do sistema imune. Ainda, verificou-se um padrão de relaxamento funcional na maior parte da proteína, sendo que quatro sítios demonstraram estar sob seleção positiva. Investigou-se a similaridade de colorações da pelagem e substrato, bem como características do habitat em dois pares de espécies de tuco-tucos com fenótipos convergentes claros (C. australis-C. flamarioni) e escuros (Ctenomys talarum-C. minutus), que ocorrem em simpatria no ambiente costeiro. Especificamente, foram caracterizadas variações nas regiões do dorso, flanco e ventre quanto ao padrão de distribuição e densidade de eumelanina e feumenalina depositadas no pelo, assim como a coloração do substrato e a cobertura vegetal entre os quatro habitats. Os resultados evidenciaram diferenças significativas entre os fenótipos claro e escuro. Foram observados mecanismos similares na geração dos fenótipos, como o aumento proporcional no comprimento da banda terminal do dorso nas espécies claras, e redução nos fenótipos escuros. Também, verificou-se diferentes densidade da coloração do pelo, pelagem e substrato entre os fenótipos. Observou-se uma forte associação entre a coloração do substrato e da pelagem entre as quatro espécies analisadas para o dorso, flanco e ventre e diferenças entre os habitats em relação à cobertura vegetal. Juntos estes resultados evidenciaram mecanismos convergentes evolutivamente independentes nas quatro espécies para a viii geração de fenótipos crípticos ao substrato, e a potencial ação da seleção atuando neste sistema. Por fim, através de uma abordagem ampla utilizando as principais famílias que possuem táxons representativos do fenótipo espinhento, foram caracterizadas sequências do éxon 11 do gene Edar e a correspondente associação com aspectos ultraestruturais dos pelos-guarda ou espinhos, de forma a investigar o envolvimento dos padrões morfológicos obtidos com a presença/ausência do alelo 1540C no Edar e/ou de outras mutações. Quatro mudanças de aminoácidos foram identificas em quatro famílias, sendo todas exclusivas em táxons com fenótipo espinhento, sugerindo um potencial envolvimento do Edar. Entretanto, nem todas as espécies espinhentas apresentaram mudanças de aminoácido. A análise morfométrica demonstrou que as variações existentes nos pelos-guarda e espinhos, entre e dentro das linhagens de roedores estudadas, são complexas. Assim, similarmente as mudanças encontradas no gene Mc1r neste estudo, não foi possível estabelecer uma relação causal direta entre o Edar e determinadas variáveis morfológicas. Os efeitos destes genes não são completamente descartados, entretanto, são necessários ensaios funcionais que demonstrem a relação das mudanças de aminoácido observadas nas alterações da atividade dos receptores.

Morphological variation is present, in some way, in natural populations of all organisms, and is particularly evident in mammals, which has showed a high diversity on pelage coloration and hair structures among lineages. In this study, I investigated the role of the candidate genes Mc1r and Edar underlying morphological variation, such as on pigmentation and shape of modified guard-hairs (spines), respectively. Particularly, I characterized molecular variants of Mc1r for pale, brown and melanic phenotypes in the subteranean rodent lineage Ctenomyidae (tuco-tucos). Also, levels of Mc1r expression were analysed in those phenotypes for different body regions: dorsal, flank and ventral, as these regions had shown a gradient from dark to light coloration. High variability was observed in Mc1r sequences. However, changes could not be associated with any given phenotype in a causative way, indicating that variation in corresponding protein structure does not seems to be involved in determining coat color in tuco-tucos. Also, significant differences in levels of expression were not observed among phenotypes; however, distinct body regions showed significant differences across pale and brown specimens, except in the melanic form. I also investigated the rate and patterns of Mc1r evolution across nine mammal orders, including sequences from different lineages within each order, particularly rodents. The expected acceleration in the rate of substitution for the rodent lineage reported in previous studies (based on other nuclear genes) was tested using Mc1r data. Aditionally, the conservative degree throughout protein domains, as well as selective x pressures on such gene was analyzed. I observed a pattern of lineage-specific acceleration in mammals. Rodents did not show a conspicuous pattern of acceleration when compared to multiple groups, particularly when compared to several lineages within each of these groups. However, the results indicated that Mc1r is a fast evolved gene, as rates of non-synonymous substitution observed were similar to those reported for genes from the immune system. Also, a pattern of functional relaxation was evident for most of the protein domains, and four sites were under positive selection. Aditionally, I investigated the similarity of pelage and substrate coloration, and habitat characteristics in two pair of tuco-tuco species with convergent light (C. australis-C. flamarioni) and dark (C.talarum-C. minutus) phenotypes that occur in sympatry in coastal environments. Specifically, I characterized variation patterns of distribution and density of eumelanin and feumenalina deposited in individual hairs in dorsal, flank and ventral regions, as well as background characteristics (color of substrate and plant coverage). The results showed significant differences between light and dark phenotypes. Interestingly, similar mechanisms were observed to reach these phenotypes by a proportional increase in the length of the terminal and subterminal hair bands to generate light pelage and reduction, to produce dark ones. Also, different densities in hair and pelage, as well as substrate coloration between phenotypes were described. Not surprisingly, a strong association between substrate and pelage coloration among species was found, for either dorsal, flank or ventral comparisons. In addition, differences in vegetation coverage were observed across habitat, where a pattern of lesser coverage was evident in habitat of dunes, and greater in sandy fields. Together these results show similar independent mechanisms that generate xi similar phenotypes in the species surveyed. The criptic pattern evident in tuco-tucos clearly demonstrates the putative role of natural selection in shaping those forms. Finally, I investigated mutations in a highly pleiotropic gene and its associtation with morphological traits in hairs. Specifically, I worked with the Edar gene and its potential role in converting morphological guard hair features into spines and aristiformes hairs in different families of wild rodents. A broad scale approach in term of taxonomy, including major families with representative taxa of such phenotype was surveyed (Cricetidae, Echimyidae, Erethizontidae, Heteromyidae, Hystricidae and Muridae). A different pattern of spine/aristiform hairs was observed for each family, and two convergent traits were also identified, demonstrating a complex morphological evolution of modified guard-hairs. Four families (Cricetidae, Muridae, Echimyidae and Erethizontidae) showed unique amino acid changes in the corresponding taxa with spiny phenotype. Although some spiny taxa did not show amino acid changes, a role for Edar in shaping some morphological traits in guard-hairs was not completely ruled out. Nevertheless, similar to Mc1r, functional assays are needed to test differences in the receptors´activity for the amino acid replacements observed in these genes.