Evolução molecular do receptor serotoninérgico 5-HT3 em primatas do novo mundo e outros cordados

Abstract

A serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT) é uma molécula evolutivamente antiga, ubíqua e multifacetada, profundamente envolvida na regulação de muitos processos fisiológicos e comportamentais em animais, plantas, fungos e outros organismos. Esses processos incluem desenvolvimento, funções cardiovasculares e endócrinas, percepção sensorial, apetite, comportamento sexual, sono, cognição e memória. As funções da 5-HT são mediadas por seus receptores; em humanos, eles compõem um conjunto de 13 receptores ligados a proteína G (GPCR) e um receptor pentamérico de canal iónico (pLGIC): 5-HT3 (codificado por até cinco genes: HTR3A, HTR3B, HTR3C, HTR3D, e HTR3E). O receptor 5-HT3 forma um poro seletivo de íons que abre após ativação do receptor por 5-HT, permitindo a entrada de cátions na célula, e a despolarização neuronal, produzindo uma resposta excitatória rápida. Estabelecer relações entre variações genéticas e fenotípicas entre organismos durante a evolução é um dos maiores objetivos da biologia atual. Nesta Tese o receptor 5-HT3 é o objeto de estudo, para a melhor compreensão de sua evolução molecular, em pequena (Primatas do novo mundo ou NWM, primatas e mamíferos próximos, Capítulo 3) e grande escala (Cordados, Capítulo 4). No Capítulo 3 são apresentadas evidências de seleção positiva com possível importância funcional no gene HTR3A nos primatas do novo mundo, dentro do contexto dos primatas e mamíferos. Específicamente, quatro (4) sítios foram identificados (398, 403, 432 e 416) na região desordenada do domínio intracelular M3-M4, usando análises moleculares. Além disso, foram encontradas associações estatísticas desses sítios com traços reprodutivos e de comportamento social (tais como dispersão feminina do grupo natal e monogamia social), usando abordagens estatísticas clássicas e bayesianas, e foram identificados motivos lineares com potencial importância na interação com enzimas regulatórias (por ex. GSK3). Esses resultados sugerem que as variáveis achadas podem ter um papel importante na aquisição e manutenção de comportamentos adaptativos nos primatas do novo mundo. O Capítulo 4 foca na emergência e evolução dos diferentes membros da família gênica do receptor 5-HT3 nos cordados. Nele propomos que todos os membros da família 5-HT3 surgiram a partir dum único gene, que foi duplicado durante os dois grandes eventos de duplicação genômica que aconteceram cedo na evolução dos vertebrados, e que posteriormente experimentou sucessivas duplicações em tandem e perdas nas diferentes linhagens dos cordados, sugerindo um cenário complexo. Assim, HTR3A aparece em todas as linhagens investigadas, sob forte seleção purificadora, enquanto outras subunidades (HTR3C, HTR3D e HTR3E) foram perdidas e/ou duplicadas durante a evolução dos vertebrados, e experimentaram relaxamentos nas pressões seletivas. Esses achados sugerem um cenário no qual subunidades essenciais (como HTR3A) foram conservadas nas espécies devido à sua condição essencial para a formação e função do receptor, e somente variantes pontuais (como as descritas no Capítulo 3) foram permitidas e selecionadas em taxa e contextos evolutivos específicos. No entanto, subunidades “não essenciais” puderam acumular mais mutações, chegando inclusive a pseudogenizar, permitindo também a emergência de novas propriedades estruturais, assim como um maior repertório de receptores. Nossos resultados fornecem uma primeira visão da complexa história evolutiva do receptor 5-HT3, e nos permitem especular que a diversidade observada constitui um exemplo de evolvabilidade do sistema, que permitiu a regulação fina de uma ampla quantidade de processos fisiológicos e comportamentais nos vertebrados.

Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) is an evolutionary old, widespread, and multifaceted molecule, with profound involvements in the regulation of many behavioral and physiological processes in animals, plants, fungi, and other organisms. These processes include development, cardiovascular and endocrine function, sensory perception, appetite, sexual behaviour, sleep, cognition, and memory. Most serotonergic functions are mediated through its receptors, which in humans comprise a set of 13 G protein-coupled receptors, and a single ligand-gated ion channel: the 5-HT3 receptor. 5HT3 receptor (encoded by up to five genes HTR3A, HTR3B, HTR3C, HTR3D, and HTR3E) forms a pentameric ion-selective pore that opens upon activation by 5-HT, allowing cation influx into the cell and membrane depolarization, and leading to a rapid, excitatory response. Establishing relationships between genetic and phenotypic variation across organisms along the course of evolution is one of the major goals in biology. In this Thesis, the 5-HT3 receptor is the study subject, in order to better understand its evolution at a molecular level on a small (New World monkeys, primates and related mammals, Chapter 3) and a bigger scale (all major Chordata lineages, Chapter 4). In Chapter 3, I present evidences for positive selection with putative functional importance in HTR3A variability in New World Monkeys, within a primate and mammalian context. Specifically, I identified four sites (398, 403, 432 and 416) located at disordered regions of the intracellular (M3-M4) domain, by using molecular analyses. In addition, I found statistical associations with reproductive and social behaviours (such as female-biased dispersal and social monogamy), using two different approaches (classical and Bayesian), and I searched for linear motifs that arose from the variants under positive selection, which that might potentially mediate protein-protein interaction with regulatory enzymes (e.g. GSK3). Our results suggest that the variants we found may play a role in mediating the acquisition and maintenance of adaptive behaviours in NWMs. In Chapter 4, I focused on the emergence and evolution of the members of the 5-HT3 receptor family in Chordata. I postulate that all 5-HT3 members arose from a single gene that underwent subsequent expansions during the two events of whole genome duplications (WGD) that occurred early in vertebrate evolution, followed by multiple events of tandem duplication and loss across lineages. This work shows a striking variability in number of subunits among chordate groups, revealing a more complex scenario than previously expected. Thus, HTR3A is found in all species surveyed, and it under strong purifying selection, while other subunits (e.g. HTR3C, HTR3D and HTR3E) are lost and/or duplicated in many diverse lineages, and experimented a relaxation in selective pressure. These findings are compatible with a scenario in which essential subunits (such as HTR3A) are conserved across species due to their essentiality for receptor formation and function, and only punctual variants (such as those we described in Chapter 3) are allowed and selected in specific taxa and contexts. On the other hand, non-essential subunits (e.g. CDE subunits) can accumulate more mutations (and even pseudogenize), thus allowing the emergence of novel structural properties, and thus a larger array of possible receptors. Altogether, the results presented in this Thesis provide a first glimpse at the complex evolutionary history of the 5-HT3 receptor family, and allow us to speculate that the observed diversity at the genic level constitute an example of system evolvability. Such flexibility, likely allowed fine-tuned regulation of a broad array of physiological and behavioral functions across vertebrates living under different ecological niches and selective pressures.