Perguntas abertas: quais são os genes subjacentes à coevolução antagônica?

Já em 1863, Charles Darwin havia levantado a idéia de um modelo coevolucionário, sugerindo que a forma incomum da flor da Orquídea Estrela de Madagascar era o resultado de suas interações de longo prazo com uma traça falcão altamente especializada. Desde então, muitos fenômenos biológicos foram atribuídos à coevolução: traços exagerados de ofensa e defesa, seleção sexual, biodiversidade e evolução do sistema imunológico, refletidos na extraordinária diversidade genética dos genes R nas plantas e do MHC nos vertebrados de mandíbula. A razão para atribuir estes traços à coevolução deriva da idéia de adaptação recíproca: que as mudanças em uma espécie intensificam a seleção sobre as espécies antagonistas, e vice-versa. Esta ideia implica que a mudança de uma espécie é específica das características biológicas da outra espécie. Estas interações levam assim ao alto grau de especificidade comumente observado nas interações antagônicas entre hospedeiros e parasitas.

A melhor evidência para a coevolução vem de estudos sobre mudanças fenotípicas, onde um antagonista é testado, em diferentes momentos, em sua interação com os isolados do outro antagonista, uma abordagem utilizada com sucesso em bactérias, animais e plantas . Embora tais experiências de mudança de tempo sejam ferramentas poderosas para detectar a coevolução, elas geralmente não revelam o mecanismo genético subjacente ao processo. Quantos genes estão envolvidos nas interações hospedeiro-parasitas, e como eles estão organizados no genoma? Como eles interagem, e quão específicas são essas interações? Qual a forma de seleção que opera nos genes? Os genes e seu mecanismo de ação ainda não foram identificados para um único caso na natureza, embora, nos últimos 50 anos, vários modelos genéticos – tanto verbais quanto matemáticos – tenham sido apresentados para descrever os processos genéticos populacionais em ação. Estes modelos, que descrevem uma enorme diversidade de cenários coevolucionários, têm demonstrado que o processo coevolucionário é altamente dependente, entre outras coisas, da composição genética das populações, da fonte de variação genética (mutações, fluxo gênico, recombinação), do tamanho e estrutura das populações coevolutivas, e da arquitetura genética dos genes que interagem e seus efeitos para o fenótipo. Modelos anteriores focalizavam a genética simples com um ou dois loci enquanto modelos posteriores incorporavam mais loci ou mesmo assumiam herança poligênica. A partir desta diversidade de modelos, ficou claro que as avaliações fenotípicas só seriam capazes de identificar os mecanismos genéticos da coevolução em casos muito simplificados e que estas avaliações são muito improváveis de se sustentarem em condições naturais. É importante notar também que não são as espécies que coevolvem, mas os genes e seus fenótipos associados. Isto enfatiza a necessidade de identificar os genes relevantes para entender a mecânica do processo coevolucionário.

Dois dos modelos genéticos mais frequentemente discutidos são o modelo de varredura seletiva e o modelo da Rainha Vermelha . A coevolução seletiva de varredura é baseada na idéia de que novas mutações varrem para fixação nas populações de duas espécies coevolutivas. As mutações podem ocorrer em qualquer parte do genoma e aumentar a frequência, desde que proporcionem uma vantagem ao seu portador. As mutações não precisam de alternar nas duas populações. Uma população pode ter mutações múltiplas varrendo sucessivamente, e, em organismos sexuais, mutações múltiplas podem até varrer para fixação em diferentes regiões do genoma ao mesmo tempo.

Em contraste, o modelo Red Queen é baseado em uma arquitetura genética altamente específica. Ele sugere que alelos em alguns loci no hospedeiro e no parasita respondem diferentemente ao antagonista, dependendo dos genótipos que interagem. Um alelo A no hospedeiro pode fornecer resistência ao parasita tipo A, mas a susceptibilidade ao parasita tipo B, enquanto outro alelo (B) pode fazer o inverso. Esta arquitetura genética pode prevenir a fixação de alelos em escalas de tempo evolutivas. Como os parasitas rastreiam os alelos do hospedeiro que causam suscetibilidade, ocorre um processo de seleção dependente da freqüência negativa desfasada no tempo, levando a ciclos nas freqüências dos alelos. A longo prazo, esse processo equilibra a seleção e mantém a variação genética nos loci da doença. Como os alelos A e B podem ser mantidos através do equilíbrio da seleção por longos períodos de tempo, eles provavelmente evoluirão, e as varreduras seletivas podem substituir A por A’ e B por B′. Para tornar as coisas mais complicadas, a coevolução por varredura seletiva e por seleção dependente de freqüência negativa pode acontecer ao mesmo tempo em diferentes partes do genoma, desde que a recombinação genética dissocie sua dinâmica.

Embora estudos experimentais e observacionais de fenótipos tenham relatado evidências indiretas tanto para o modelo de varredura seletiva quanto para o modelo Red Queen, é difícil inferir os modelos genéticos subjacentes a partir de fenótipos coevolutivos. De facto, dada a complexidade dos sistemas de coevolução natural, dificilmente parece possível. Por outro lado, existe pouca evidência genética directa. Em alguns casos, mutações (supostamente envolvidas na coevolução) têm sido observadas para se espalhar em populações hospedeiras ou parasitas, mas não no contexto da coevolução. E ainda não foi observado nenhum caso de dinâmica cíclica da frequência dos alelos em associação com a doença em hospedeiros e parasitas. Assim, o suporte atual para os modelos genéticos de coevolução é bastante pobre e, na maioria das vezes, circunstancial. Por outro lado, os exames de genoma em diversos organismos revelaram que as regiões genómicas presumivelmente envolvidas nas interacções hospedeiro-parasitas se destacam como estando entre os genes de evolução mais rápida e mais polimórficos dos genomas. Isso levou a uma pesquisa intensiva sobre as causas e conseqüências dessa diversidade, mesmo antes que uma ligação potencial com doenças parasitárias fosse clara. Agora é fácil encontrar tais regiões mesmo em organismos não-modelos, mas na maioria dos casos, só podemos especular sobre os processos por trás dos padrões observados.

Responder à pergunta “Quais são os genes subjacentes à coevolução antagônica?” nos ajudaria a superar esta falha. Para verificar modelos genéticos de coevolução, precisamos encontrar os genes em ambos os antagonistas, entender sua interação (função), e seguir sua dinâmica temporal. Com esta informação, podemos colocar o estudo da coevolução em um quadro genético populacional. Afinal, os modelos genéticos de coevolução estão firmemente enraizados na genética populacional.

Como podemos encontrar os genes subjacentes à coevolução? As abordagens tradicionais para encontrar genes associados a fenótipos de doenças utilizam diversas formas de painéis de mapeamento, estruturas de associação de genomas inteiros e proteômica. Estas abordagens requerem um bom controle de hospedeiros e parasitas, já que abordagens separadas são normalmente necessárias para os dois antagonistas. Novos desenvolvimentos excitantes permitem abordagens alternativas baseadas na co-genómica – o estudo simultâneo dos genomas do hospedeiro e do parasita para localizar regiões genómicas que mostram alguma forma de associação entre os dois antagonistas. Estas abordagens recentemente desenvolvidas permitem-nos descobrir o genótipo do hospedeiro através de interacções e associações com fenótipos relacionados com doenças com maior precisão do que abordagens baseadas apenas no genoma do hospedeiro ou do parasita. Além disso, é possível obter instantâneos de associações hospedeiro-parasitas de populações durante as suas interacções naturais .