Estudo da evolução dos receptores químicos nos organismos Mus musculus, Homo sapiens e Rattus norvegicus através de ferramentas de Biologia de Sistemas

Abstract

A quimiorrecepção (QR) é uma modalidade sensorial muito importante em todos os ani-mais. Estudos recentes permitiram a identificação das famílias de genes QR, divididas em receptores olfatórios (OL), vomeronasais (VN), gustatórios (TS) e de traços de aminas (TAAR). Utilizando dados do Gene Ontology Project (GO), nós conseguimos determinar os genes envolvidos em cada modalidade sensorial química nos organismos Mus musculus, Homo sapiens e Rattus norvegicus. Os GO IDs utilizados foram 0004984 e 0007608, 0050909 e 0008527, 0016503 e 0019236, respectivamente, para os receptores OL, TS e VN (os TAAR foram retirados das análises por falta de dados disponíveis). Adquirimos os parâmetros das redes funcionais formadas pelas proteínas codificadas por esses genes atra-vés do banco de dados STRING-DB e Biomart. Os critérios utilizados para nossas análises foram conectividade [k(i)], clusterização [c(i)] e índice estimado de plasticidade (EPI) des-ses receptores. Dividimos o conjunto de dados em proteínas envolvidas diretamente na QR e proteínas envolvidas na transdução do sinal e posteriores cascatas químicas, denomina-dos de Grupo dos Receptores (GR) e dos Acessórios (GA). Comparando as médias de EPIs do GR e GA através de ANOVA simples e teste Tuckey, foi observado que as médias do GR eram significativamente maiores que as do GA (p<0,001). Esses testes foram repetidos em cada subgrupo receptor com seu respectivo subgrupo acessório e foram observados os mesmos resultados gerais, além de ser encontrado nos três organismos uma similaridade entre os OL e TS2, VN e TS1 (p<0,05). Foi analisada a entropia da distribuição dos valores de k(i) e c(i) e foi encontrado que estes eram significativamente maiores (p<0,001) no GA. Isso se reflete na distribuição de forma mais uniforme desses valores no GA e de forma mais concentrada no GR. Os resultados sugerem que a seleção natural é menos estringente nos receptores do que no maquinário de transdução de sinal, permitindo uma variação mais dinâmica desses. Essa capacidade é muito importante para a adaptação dos organismos aos diversos nichos ecológicos em que estão inseridos. Estes dados estão em acordo com os atuais modelos propostos para a evolução dos receptores químicos.

Chemoreception (CR) is a very important sensory modality in all animals. Recent studies allowed the characterization of.CR gene families, divided in olfactory receptors (OL), vo-meronasal (VN), gustatory (TS) and trace amine (TAAR). Using data gathered from The Gene Ontology Project (GO), we were able to amass the genes associated with each type of sensory perception. The GO ID’s used for this work were 0004984 and 0007608, 0050909 and 0008527, 0016503 and 0019236, for olfactory, gustatory and vomeronasal ontology groups, respectively. We sorted these genes in groups by receptor modality, with one fur-ther division of the Taste Group into the Taste-1 and Taste-2 receptors groups. We ac-quired the network parameters of the proteins translated from these genes groups using data from STRING Database. We used as criterions for our analysis the connectivity and clusterization indexes (i.e. k(i) and c(i), respectively). Also used in our analysis was the Evolutionary Plasticity Index (EPI). We subsequently divided the whole dataset into two more groups: those of proteins directly involved in the chemical binding of the stimuli, named Receptor Group (RG); and those involved into signal transduction and further chemical pathways, named Accessory Group (AG). We compared the mean EPIs of all the RGs and AGs using One-Way ANOVA and Tukey test and found that the AGs’ means were significantly lower than the RGs’ (p<0,001). We also found that the OL and TS2, VN and TS1 EPI means where similar in all three organisms (p<0,05). We compared the over-all distribution of the c(i) and k(i) on and observed that all of the RGs presented very low values, whereas the AGs presented a more uniform distribution. The sole exception in this analysis was the Olfactory RGs’ c(i), which all have a more extreme oriented distribution, with proteins with very high and very low values, but no intermediary ones. Also with ANOVA, we observed that the Entropy of AGs’ k(i) distribution was significantly higher than the RGs’ (p<0,05). Our findings suggest that the evolutionary plasticity in the RGs is higher than that on the AGs. This means that the selective pressures among the chemore-ceptors are weaker than that on the transduction machinery, resulting in a greater diversity for these receptors. Put together, these results support the Birth-and-Death Evolution model proposed for chemosensory receptors.