A busca por padrões evolutivos em genes do desenvolvimento

Abstract

Um dos maiores objetivos da biologia atualmente é poder relacionar alterações nos genes a mudanças fenotípicas em organismos complexos. O desafio é poder interpretar estas mudanças em vários níveis: (1) no organismo; (2) entre/dentro de populações; e (3) entre taxas. Os genes mestres do desenvolvimento seriam bons candidatos para o estudo do surgimento de novidades adaptativas. Então, foram escolhidos os genes da família PAX (genes Paired box) , porque estes codificam fatores de transcrição que têm um papel central na determinação celular, atuando assim na morfogênese de diversos tecidos (sistema nervoso central, epiderme, músculos, ossos, células do sistema imune).Os enfoques desenvolvidos no presente estudo podem ser assim resumidos: (1) Para investigar o papel de um membro desta família, o gene PAX9 que juntamente com o gene MSX1 é um dos genes chave da cascata dentária, bem como do fenótipo de agenesia de terceiros molares, foi realizado um estudo piloto com 35 pacientes, portadores de agenesias dentárias não sindrômicas. Neste estudo foi possível observar que a mutação 240Pro/PAX9, estaria causando a agenesia dos terceiros molares com um padrão de herança autossômico recessivo e expressividade variada. (2) Com o padrão de herança estabelecido pelo estudo piloto, verificou-se a distribuição do alelo conjuntamente com a distribuição da agenesia dos terceiros molares nos grandes grupos geográficos humanos. Para tanto, foi investigada a diversidade do éxon 3 e regiões adjacentes do gene PAX9 em 125 indivíduos nativos americanos e 77 africanos do sul do Saara; estes dados foram integrados com a informação disponível para a mesma região genética de 115 indivíduos de diferentes origens geográficas. Adicionalmente, dados coletados do Hapmap de 6001 SNPs (do PAX9 e de mais 101 genes envolvidos no desenvolvimento craniofacial) foram analisados quanto à sua distribuição em africanos, asiáticos e europeus. Confirmando esta sugestão uma proporção significativamente alta (1,3%) de valores de FST extremos (≥0,60) é encontrada quando comparamos os SNPs dos genes do desenvolvimento craniofacial entre europeus e asiáticos com os africanos. O cenário proposto é que uma forte seleção purificadora estaria agindo sobre o fenótipo craniofacial na África; mas com a saída deste continente, poderiam estar atuando um relaxamento funcional ou mesmo uma possível seleção positiva nas populações da Europa e da Ásia. Testes de neutralidade e coalescência indicam que nos ameríndios fatores randômicos parecem ser as principais forças atuando na história evolutiva destas populações. (3) Para entender como é a dinâmica evolutiva da família PAX entre os vertebrados, os nove membros desta família foram procurados nos genomas de 53 cordados. Há evidência que a principal força atuando nesta família é a seleção purificadora, mas em alguns membros parece existir um relaxamento da pressão funcional (PAX4, PAX7 e PAX8). O principal achado deste último estudo é que na linhagem Sauropsida (répteis e aves) houve a perda de dois genes PAX (PAX4 e PAX8). Tanto o relaxamento funcional quanto a perda de genes poderia ser explicada pela sobreposição da expressão e redundância funcional de genes parálogos dentro da família PAX. Desta forma, a conservação ou presença de um gene contrabalançaria variação ou ausência de outro. O gene PAX9 e a família PAX seriam um exemplo notável de como se processa a evolvabilidade.

One of the main goals in biology today is to establish the relationship between gene changes and phenotypic variations in multicellular organisms. The challenge is to understand these changes on several levels: (1) in the organism; (2) between/within populations; and (3) between taxa. Development master genes would be good candidates for studying the emergence of adaptive novelties. Therefore the PAX (Paired box) gene family was chosen, since it encodes transcription factors that act as genetic switches for cell lineage decisions, thus acting in the morphogenesis of various tissues (central nervous system, skin, muscle, bone, immune system cells). The approaches developed in the present study can be summarized as follows: (1) To investigate the role of a PAX family member (PAX9 and MSX1 are key factors in the development of animal dentition) and the third molars agenesis phenotype a pilot study was conducted with 35 patients suffering from non-syndromic teeth agenesis. Our results suggest that the 240Pro/PAX9 mutation was causing third molars agenesis with an autosomal recessive pattern of inheritance and variable expressivity. (2)After setting the inheritance pattern by this pilot study, we verified this allele distribution in conjunction with the distribution of third molars agenesis in the major human geographic groups. With this objective, a total of 125 Amerindians and 77 individuals from southern Sahara Africa were studied by sequencing the PAX9 gene exon 3 and adjacent regions and the data integrated with the information available for the same genetic region from 115 individuals of different geographical origins. In addition, we collected data from the 6001 Hapmap SNPs (in PAX9 plus 101 genes involved in craniofacial development) for their distribution in Africans, Asians and Europeans. The 240Pro/PAX9 allele distribution, and consequently the 240Pro/Pro homozygotes, could account for all the incidence of third molars agenesis in Africa (~ 2%). But, for other populations other genes of the tooth development network must be influencing the agenesis phenotype. Confirming this suggestion a significantly higher proportion of FST extremes values (1.3%; ≥0.6) were observed when craniofacial development SNPs in Africans were compared with Europeans or Asians. The scenario proposed is of strong purifying selection that would be acting on the craniofacial phenotype in Africa; but after the out-of-Africa migration a functional relaxation and even a possible positive selection might be acting in the populations of Europe and Asia. Neutrality and coalescence tests indicate that, for the Amerindians, random factors seem to be the main forces acting in the evolutionary history of these populations. (3) To understand the evolutionary dynamics of the PAX family among vertebrates, the nine members of this family were searched in 53 chordate genomes. There is evidence that purifying selection has been acting in the majority of vertebrate PAX, but a possible relaxation of the selective constraint can be assumed for some (PAX4, PAX7 and PAX8) members. The main finding of this study is that the Sauropsida lineage (reptiles and birds) have lost two PAX (PAX4 and PAX8) genes. Since generally PAX genes preserved most of their ancestral functions, the constrained or preserved genes could substitute those variables or loss by deletion. PAX9 and the PAX family would be a remarkable example of how evolvability works.