Evolução neutra construtiva

A evolução neutra construtiva (ENC) é uma teoria que busca explicar como sistemas complexos podem evoluir por meio de transições neutras e se espalhar por uma população através da fixação casual (deriva genética).^[1] A evolução neutra construtiva compete tanto com explicações adaptacionistas para o surgimento de características complexas quanto com hipóteses que postulam que um traço complexo surgiu como resposta a um desenvolvimento deletério em um organismo.^[2] A evolução neutra construtiva frequentemente leva a uma complexidade irreversível ou "irremediável"^[3] e produz sistemas que, em vez de serem finamente adaptados para realizar uma tarefa, representam um excesso de complexidade que tem sido descrito com termos como "burocracia desenfreada" ou até mesmo uma "máquina de Rube Goldberg".^[4]

As bases para o conceito de ENC foram lançadas após a publicação de dois artigos na década de 1990, embora tenha sido proposto explicitamente pela primeira vez pelo pesquisador Arlin Stoltzfus em 1999.^[1][2][5] As primeiras propostas para o papel da ENC foram nas origens evolutivas de máquinas macromoleculares complexas, tais como o spliceossoma, a maquinaria de edição de RNA, proteínas ribossomais supranumerárias, chaperonas e outras.^[4][6][7] Desde então e como uma tendência emergente de estudos em evolução molecular,^[8] a ENC tem sido aplicada a características mais amplas da biologia e da história evolutiva da vida, incluindo alguns modelos de eucariogênese [en], o surgimento de interdependência complexa em comunidades microbianas e a formação de novo de elementos funcionais a partir de transcritos não funcionais de DNA lixo [en].^[9][10] Diversas abordagens propõem uma combinação de contribuições neutras e adaptativas nas origens evolutivas de vários traços.^[11]

Diveros biólogos evolutivos postulam que a ENC deve ser a hipótese nula ao explicar o surgimento de sistemas complexos para evitar assumir que um traço surgiu por um benefício adaptativo. Um traço pode ter surgido de forma neutra, mesmo que mais tarde tenha sido cooptado para outra função. Esta abordagem reforça a necessidade de demonstrações rigorosas de explicações adaptativas ao descrever o surgimento de traços. Isso evita a "falácia adaptacionista", que assume que todos os traços emergem porque são favorecidos de forma adaptativa pela seleção natural.^[9][12]

Conceitualmente, existem dois componentes A e B (por exemplo, duas proteínas) que interagem entre si. A, que desempenha uma função para o sistema, não depende de sua interação com B para sua funcionalidade, e a interação em si pode ter surgido aleatoriamente em um indivíduo com a habilidade de desaparecer sem efeito na aptidão de A. Essa interação presente, porém desnecessária no momento, é, portanto, chamada de "capacidade excessiva" do sistema. Uma mutação pode então ocorrer, o que compromete a capacidade de A de realizar sua função de forma independente. No entanto, a interação A:B que já emergiu sustenta a capacidade de A de desempenhar sua função inicial. Portanto, o surgimento da interação A:B "pré-suprime" a natureza deletéria da mutação, tornando-a uma mudança neutra no genoma que é capaz de se espalhar pela população via deriva genética aleatória. Consequentemente, A ganhou uma dependência de sua interação com B.^[13] Neste caso, a perda de B ou da interação A:B teria um efeito negativo na aptidão e, assim, a seleção purificadora eliminaria indivíduos onde isso ocorre. Embora cada um desses passos seja individualmente reversível (por exemplo, A pode recuperar a capacidade de funcionar independentemente ou a interação A:B pode ser perdida), uma sequência aleatória de mutações tende a reduzir ainda mais a capacidade de A de funcionar de forma independente, e uma caminhada aleatória através do espaço de dependência pode muito bem resultar em uma configuração na qual um retorno à independência funcional de A é improvável demais para ocorrer, tornando a ENC um processo unidirecional ou em forma de "catraca".^[14]

Modelos de ENC de complexificação sistemática podem depender crucialmente de algum viés sistemático na geração de variação. Isso é explicado em relação ao conjunto original de modelos de ENC da seguinte forma:^[1]

Nos casos de embaralhamento gênico e pan-edição de RNA, e na fragmentação de íntrons, o estado inicial do sistema (não embaralhado, não editado, não fragmentado) é único ou raro em relação a algum conjunto extensivo de possibilidades combinatórias (embaralhado, editado, fragmentado) que podem ser alcançadas por mutação e fixação (possivelmente neutra). O viés sistêmico resultante impulsiona um afastamento do estado inicial improvável para um de muitos estados alternativos. No modelo de edição, um viés mutacional de deleção:inserção desempenha um papel subsidiário. No modelo de duplicação gênica, bem como na explicação para a perda de auto-splicing e para a origem de dependências proteicas no splicing, assume-se que mutações que reduzem a atividade, afinidade ou estabilidade são muito mais comuns do que aquelas com o efeito oposto. A direcionalidade resultante consiste em genes duplicados sofrendo reduções na atividade, e íntrons perdendo a capacidade de auto-splicing, tornando-se dependentes de proteínas disponíveis, bem como de fragmentos de íntrons.

Isto é, alguns dos modelos possuem um componente de direcionalidade a longo prazo que reflete vieses na variação. Um efeito genético-populacional de viés no processo de introdução, que apareceu como uma teoria verbal na proposta original de ENC,^[1] foi posteriormente articulado e demonstrado formalmente.^[15] Esse tipo de efeito não requer evolução neutra, dando crédito à sugestão^[1] de que os componentes dos modelos de ENC podem ser considerados em uma teoria geral de complexificação não especificamente ligada à neutralidade.

Um caso de ENC é a subfuncionalização [en]. O conceito de subfuncionalização é que um gene original (ancestral) dá origem a duas cópias parálogas desse gene, onde cada cópia pode realizar apenas parte da função (ou subfunção) do gene original. Primeiro, um gene passa por um evento de duplicação cromossômica. Este evento produz uma nova cópia do mesmo gene conhecida como parálogo. Após a duplicação, mutações deletérias são acumuladas em ambas as cópias do gene. Essas mutações podem comprometer a capacidade do gene de produzir um produto que possa completar a função desejada, ou podem resultar no produto perdendo totalmente uma de suas funções. No primeiro cenário, a função desejada ainda pode ser realizada porque as duas cópias do gene juntas (em oposição a ter apenas uma) ainda podem produzir produto suficiente para o trabalho. O organismo agora é dependente de ter duas cópias deste gene, que são ambas versões ligeiramente degeneradas de seu ancestral. No segundo cenário, os genes podem sofrer mutações onde perdem funções complementares. Isto quer dizer que uma proteína pode perder apenas uma de suas duas funções, enquanto a outra proteína perde apenas a outra de suas duas funções. Neste caso, os dois genes agora realizam apenas as subfunções individuais do gene original, e o organismo é dependente de ter cada gene para realizar cada subfunção individual.^[1][16]

Parálogos que interagem funcionalmente para manter a função ancestral podem ser denominados "heterômeros parálogos".^[17] Um estudo de alto rendimento confirmou que o surgimento de tais interações entre proteínas parálogas como um possível destino de longo prazo para parálogos era frequente em levedura, e o mesmo estudo descobriu ainda que heterômeros parálogos explicavam as redes de interação proteína-proteína (sigla em inglês: PPI) eucarióticas. Um mecanismo específico para a evolução de heterômeros parálogos é pela duplicação de uma proteína ancestral que interage com outras cópias de si mesma (homômeros). Para inspecionar o papel deste processo nas origens dos heterômeros parálogos, descobriu-se que ohnólogos (parálogos que surgem de duplicações do genoma total) que formam heterômeros parálogos em Saccharomyces cerevisiae (levedura de cerveja) têm maior probabilidade de possuir ortólogos homoméricos do que ohnólogos em Schizosaccharomyces pombe. Padrões semelhantes foram encontrados nas redes de PPI de humanos e da planta modelo Arabidopsis thaliana.^[17]

Para identificar positivamente características como tendo evoluído através de ENC, várias abordagens são possíveis. A noção básica da ENC é que características que evoluíram através de ENC são complexas, mas não fornecem uma vantagem na aptidão sobre seus ancestrais mais simples. Isto quer dizer que ocorreu uma complexificação desnecessária. Em alguns casos, a filogenia pode ser usada para inspecionar versões ancestrais de sistemas e ver se essas versões ancestrais eram mais simples e, se eram, se o aumento na complexidade veio com uma vantagem na aptidão (ou seja, agiu como uma adaptação). Embora não seja direto identificar o quão adaptativo foi o surgimento de uma característica complexa, alguns métodos estão disponíveis. Se o sistema mais complexo tem os mesmos efeitos a jusante em sua via bioquímica que o sistema ancestral e mais simples, isso sugere que a complexificação não trouxe consigo qualquer aumento na aptidão. Esta abordagem é mais simples ao analisar traços complexos que evoluíram mais recentemente e são taxonomicamente restritos a poucas linhagens porque "características derivadas podem ser mais facilmente comparadas com suas irmãs e ancestrais inferidos".^[18] A abordagem de "padrão ouro" para identificar casos de ENC envolve experimentação direta, onde versões ancestrais de genes e sistemas são reconstruídas e suas propriedades diretamente identificadas.^[2] O primeiro exemplo disso envolveu a análise de componentes de uma bomba de prótons V-ATPase em linhagens fúngicas.^[18]

Sistemas de edição de RNA possuem distribuições filogenéticas irregulares, indicando que são traços derivados. A edição de RNA é necessária quando um genoma (mais frequentemente o das mitocôndrias) precisa ter seu mRNA editado através de várias substituições, deleções e inserções antes da tradução. Moléculas de RNA guia derivadas de fitas semicirculares separadas de DNA fornecem a sequência correta para que o complexo de edição de RNA faça as edições correspondentes. O complexo de edição de RNA em Kinetoplastea pode compreender mais de 70 proteínas em algumas linhagens taxonomicamente restritas, e mediar milhares de edições. Outro caso taxonomicamente restrito de uma forma diferente de sistema de edição de RNA é encontrado em plantas terrestres. Em membros de Kinetoplastea, a edição de RNA envolve a adição de milhares de nucleotídeos e a deleção de várias centenas. No entanto, a necessidade deste sistema altamente complexo é questionável. A grande maioria dos organismos não depende de sistemas de edição de RNA, e naqueles que o possuem, a necessidade dele é incerta, pois a solução ideal seria que a sequência de DNA não contivesse os nucleotídeos errados (ou ausentes) em vários milhares de locais para começar. Além disso, é difícil argumentar que o sistema de edição de RNA surgiu apenas em resposta e para corrigir um genoma defeituoso a este grau, já que tal genoma teria sido altamente deletério para o hospedeiro e eliminado através de seleção purificadora (negativa) para começar. No entanto, um cenário onde um sistema de edição de RNA primitivo surgiu gratuitamente antes da introdução de erros no genoma é mais parcimonioso. Uma vez que o sistema de edição de RNA surgiu, o genoma mitocondrial original seria capaz de tolerar substituições, deleções e adições anteriormente deletérias sem um efeito na aptidão. Uma vez que um número suficiente dessas mutações deletérias ocorresse, o organismo teria, a esta altura, desenvolvido uma dependência do sistema de edição de RNA para corrigir fielmente quaisquer sequências imprecisas.^[4][5]

Poucos, se algum, biólogos evolutivos acreditam que a propagação inicial de íntrons através de um genoma e no meio de uma variedade de genes poderia ter funcionado como um benefício evolutivo para o organismo em questão. Em vez disso, a propagação de um íntron em um gene em um organismo sem um spliceossoma seria deletéria, e a seleção purificadora eliminaria indivíduos onde isso ocorre. No entanto, se um spliceossoma primitivo emergiu antes da propagação de íntrons no genoma de um hospedeiro, a propagação subsequente de íntrons não seria deletéria, pois o spliceossoma seria capaz de realizar o splicing dos íntrons e, assim, permitir que a célula traduzisse com precisão o transcrito de RNA mensageiro em uma proteína funcional.^[19] Pensa-se que os cinco pequenos RNAs nucleares (snRNAs) que agem para realizar o splicing de íntrons de genes originam-se de íntrons de grupo II [en], e assim pode ser que estes íntrons de grupo II primeiro tenham se espalhado e se fragmentado em "cinco peças fáceis" em um hospedeiro onde formaram pequenos precursores agindo para os cinco snRNAs modernos e principais usados no splicing. Esses precursores tinham a capacidade de realizar o splicing de outros íntrons dentro de uma sequência gênica, o que permitiu então que os íntrons se propagassem em genes sem um efeito deletério.^[11][20]

Ao longo do curso da evolução, muitas comunidades microbianas surgiram onde espécies individuais não são autossuficientes e requerem a presença mutualista de outros micróbios para gerar nutrientes cruciais para elas. Esses micróbios dependentes experimentaram "perda gênica adaptativa" diante da capacidade de derivar nutrientes complexos específicos de seu ambiente em vez de terem que sintetizá-los diretamente. Por esta razão, muitos micróbios desenvolveram requisitos nutricionais complexos que impediram seu cultivo em condições laboratoriais. Este estado altamente dependente de muitos micróbios em relação a outros organismos é semelhante a como parasitas passam por uma simplificação significativa quando uma grande variedade de suas necessidades nutricionais está disponível a partir de seus hospedeiros. J. Jeffrey Morris e coautores explicaram isso através da "Hipótese da Rainha Negra".^[21] Como contrapartida, W. Ford Doolittle e T. D. P. Brunet propuseram a "Hipótese da Rainha Cinzenta" para explicar o surgimento dessas comunidades com ENC. Inicialmente, a perda de genes necessários para sintetizar nutrientes importantes seria prejudicial ao organismo e, portanto, eliminada. No entanto, na presença de outras espécies onde esses nutrientes estão livremente disponíveis, mutações que degeneram os genes responsáveis por sintetizar nutrientes importantes não são mais deletérias porque esses nutrientes podem ser simplesmente importados do ambiente. Portanto, há uma "supressão prévia" da natureza deletéria dessas mutações. Como essas mutações não são mais deletérias, mutações deletérias nestes genes acumulam-se livremente e tornam estes organismos agora dependentes da presença de micróbios complementares para suprir suas necessidades nutricionais. Esta simplificação de espécies microbianas individuais em uma comunidade dá origem a uma complexidade e interdependência de nível de comunidade mais elevadas.^[9]

A ENC também tem sido apresentada como a hipótese nula para explicar estruturas complexas e, portanto, explicações adaptacionistas para o surgimento da complexidade devem ser rigorosamente testadas caso a caso contra esta hipótese nula antes da aceitação. Os fundamentos para invocar a ENC como uma nula incluem que ela não presume que as mudanças ofereceram um benefício adaptativo ao hospedeiro ou que foram selecionadas direcionalmente, enquanto mantém a importância de demonstrações mais rigorosas de adaptação quando invocada, de modo a evitar as falhas excessivas do adaptacionismo criticadas por Gould e Lewontin.^[12][9][22]

O pesquisador russo que reside nos Estados Unidos, Eugene Koonin [en] argumentou que para a biologia evolutiva ser uma ciência estritamente "rígida" com um núcleo teórico sólido, as hipóteses nulas precisam ser incorporadas e as alternativas precisam falsear o modelo nulo antes de serem aceitas. Caso contrário, histórias adaptativas "sob medida" podem ser propostas para a explicação de qualquer traço ou característica. Para Koonin e outros, a evolução neutra construtiva desempenha o papel desta nula.^[12]

• Adaptacionismo
• Teoria neutralista da evolução

Referências