Transferência horizontal de genes

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Árvore filogenética mostrando altas taxas de transferência horizontal de genes entre organismos.

Transferência horizontal de genes ou Transferência lateral de genes, é um processo em que um organismo transfere material genético para outra célula que não é sua descendente. Transferência vertical, por contraste, ocorre quando um organismo recebe material genético do seu antecessor, por exemplo dos pais ou de uma espécie a partir da qual evoluiu. A maior parte da investigação em genética tem focado na mais prevalente transferência vertical, mas, recentemente há uma percepção maior que a transferência horizontal de genes é um fenômeno significativo.Hoje acredita-se que a transferecia horizontal ocorra tanto em animais como em plantas superiores, entranto com menor frequência quando comparado com o que ocorre em bactérias. A engenharia genetica é uma forma artificial de Transferência horizontal de genes.

História[editar | editar código-fonte]

Transferência horizontal de genes foi descrita pela primeira vez no Japão numa publicação de 1959 que demonstrou a transferência de resistência a antibióticos entre espécies diferentes de bactérias[1] [2] . No entanto, o significado da sua pesquisa não foi devidamente apreciado no ocidente nos dez anos que se seguiram. Michael Syvanen foi um dos primeiros biólogos ocidentais a explorar o significado potencial da tranferência horizontal de genes. Syvanen publicou uma série de artigos sobre transferência horizontal de genes começando em 1984[3] , prevendo que a transferência lateral de genes existe, tem significado biológico e que este processo moldou a história evolutiva desde o primórdios da vida na Terra.

Mecanismos[editar | editar código-fonte]

Mecanismos da Conjugação
Mecanismos da Transdução

Hoje, sabe-se de 4 mecanismos principais que podem atuar na transferência horizontal de genes. São eles: Conjugação, Transdução, Transformação é também por meio dos agentes de transferência.

  • Conjugação : É a troca de material genético entre células, geralmente afim de reprodução. É a forma básica de reprodução sexuada em bactérias.
  • Transdução : É o processo de transferência de um gene de uma bactéria para outra por meio de um vírus.
  • Transformação: É a capacidade de adquirir pedaços de DNA dispersos no meio e utiliza-los com se fossem seu DNA.
  • Agentes de transferência de genes: Algumas bactérias usam elementos parecidos com os usados pelos vírus, para produzir e transferir “pacotes” com DNA codificante. Esse processo foi recentemente descrito, em bactérias marinhas (Rhodobacter capsulatus). Acredita-se que esteja envolvido com as adaptações às mudanças que ocorrem bruscamente no ambiente.[4]

Transferência Horizontal Artificial ( Engenharia Genética)[editar | editar código-fonte]

Escherichia coli

Com os avanços, nas ultimas décadas, de técnicas moleculares, ocorreu um aumento na utilização de organismos geneticamente modificados (Transgênicos). A produção de um transgênico nada mais é do que um processo de transferência horizontal, só que, ao contrario do que ocorre naturalmente, o mecanismo de criação de um transgênico é controlado em laboratório. Algumas técnicas de engenharia genética usam transposão. Um exemplo é a utilização do Sleeping Beauty Transposon system (SB), ele é um transposão artificial, construído com o objetivo de introduzir sequencias de DNA bem conhecidas em cromossomos de vertebrados, afim de descobrir novos genes e funções.[5]

Uma outra técnica que é usada para a produção de transgênicos é a biobalística, ela consiste em bombardear as células com micropartículas de ouro ou tungstênio que carregam o DNA para dentro da célula, geralmente esse processo não a destrói , e assim o organismo recebe o DNA de outro e o transgênico é criado. Esse método revela ser o mais eficiente para a produção de milhos transgênicos.[6]

Outras técnicas utilizam os mesmos mecanismos que encontramos na transferência horizontal natural, só que nesse caso essas técnicas são monitoradas em laboratório. Dentre algumas podemos citar a utilização de plasmídeos bacterianos (principalmente de Escherichia coli) e a utilização de vírus (principalmente bacteriófago) para a inserção de alguns fragmentos dentro das células.

Importância e Controversas[editar | editar código-fonte]

Plantação de Trigo

A principal ideia da engenharia genética é a produção de organismos mais resistentes e produtivos. Essa técnica hoje é amplamente aplicada da agricultura e pecuária a fim de produzir organismos mais resistentes a pragas e doença, que antes eram responsáveis por dizimar plantações e criações inteiras. Como exemplos podemos citar a Soja resistente ao herbicida glifosato, ela é produzida com a inserção de um gene de Agrobacterium[7] e o algodão (bt). Esse tipo de algodão é produzido com a inserção de genes do Bacillus thuringiensis que produzem toxinas inseticidas, tornando-o assim resistente ao ataque de diversas pragas. Esse tipo de algodão já é liberado para consumo em países como África do Sul, Argentina, Austrália, China, Colômbia, Índia, Indonésia, México, e Estados Unidos mas ainda passa por testes no Brasil.[8]

Estima-se que no Brasil 25.4 milhões de hectares da produção agrícola atual use transgênicos (sendo o segundo pais a na utilização de transgênicos na agricultura) e no EUA 66.8 milhões de hectares sejam de organismos geneticamente modificados (o primeiro no mundo em uso na agricultura).[9] Entretanto, a ampla utilização dos transgênicos não é completamente aceita por algumas pessoas. Mesmo com a ausência de estudos (principalmente em humanos) que indicam algum problema como a utilização desses alimentos, acredita-se que essa utilização possa causar alguns danos. Alguns acreditam que a proliferação dos transgênicos possa diminuir o controle de algumas doenças.

O principal indicio do possível problema que esses alimentos possam causar a saúde de humanos está relacionado ao consumo de um milho modificado que causou reações alérgicas em várias pessoas que o consumiram, acredita-se que o gene Cry9C, adicionado a esse organismo produza uma proteína que causa a reação alérgica em humanos.[10]

Outra preocupação com a utilização dos transgênicos tange a questão da possível perda e modificação da estrutura genética de algumas plantas, e o aumento do uso de agrotóxicos. Há ainda a preocupação com o possível monopólio da tecnologia de produção dessas plantas, e conseguente dependência dos produtores com grande empresas.[11]

Transferência Horizontal na Evolução[editar | editar código-fonte]

Representação das transferências entre os três domínios

Muitas pessoas focam os processos evolutivos apenas em mutações, seleção natural e deriva genética [12] . Contudo a Transferência horizontal é um forte mecanismo que molda os processos evolutivos. A transferência horizontal não é um processo passível, como a seleção natural por exemplo, já que ela ocorre graças a processos que dependem apenas dos organismos, como a Conjugação, Transdução, Transformação e em alguns casos também por agentes de transferência.

Muitos cientistas fazem um esforço enorme para a construção da Arvore da vida. Entretanto a transferência horizontal é um dos maiores entrave para uma arvore da vida robusta, já que a troca de genes entre os três domínios da vida são mais comuns do que se pensava e assim as relações filogenéticas podem ficar conturbadas.

Três Domínios e a Arvore da Vida[editar | editar código-fonte]

Filogênia simplificada dos Três Domínios

Os organismos vivos são classificados em três grandes domínios[13] . O Domínios Archaea é composto por organismos procariotos, geralmente quimiotróficos, muitos dos quais a maioria é Extremófilo encontrados vivendo em ambiente como fontes termais, ambiente muito salinos, ambiente ricos em enxofre ou com altas temperaturas. O domínio Bacteria é composto por organismos unicelulares procariotos. Já o domínio Eukaryota contempla por todos os eucariotos (tem o núcleo celular delimitado por uma membrana) , tanto unicelulares (protozoários) como multicelulares (animais, fungos e plantas), sendo que todos os seres procariotos encontram-se exclusivamente nos domínios Archaea e bacteria e os eucariotos no domínio Eukariota.

Atualmente existe um grande esforço para a construção de uma arvore que represente as relações entre os três domínios e entre todas as especies da terra. A Ideia da arvore da vida surgiu com Charles Darwin. Atualmente os cientistas usam para a formação dessa árvore dados moleculares, principalmente baseados na sequência de nucleótidos do ribonucleotídeo SSU RNA que é encontrado em todas as células vivas da terra.[14] . A Ideia geral é de que todas as formas de vida da terra tenham um ancestral comum, assim partindo desse ancestral seria possível criar uma relação entre todos os seres do planeta.

Representação dos Três Domínios em forma de anel, as setas indicam os domínios Archaea, Bacteria e Eukaryota

Entretanto, com a descoberta do considerável número de transferências horizontais entre os procariotos e às vezes ate mesmos entre eucariotos surgiu uma duvida se as relações propostas estão corretas. Alguns cientistas atualmente sugerem que o melhor método de representar a evolução dos seres vivos não seja uma arvore, mas talvez um anel, ou seja, um método de representação com uma visão mais ampla do processo de evolução, contemplando a influencia da transferência horizontal entre todos os domínios, sem eliminar a existência dos mesmos. Outros preferem propor uma arvore da vida mas sem considerar apenas uma única célula como ancestral de toda a forma de vida na terra.[15]

Transferência Horizontal em Procariotos[editar | editar código-fonte]

Em Bactérias, a evolução é muito rápida (quando comparada com outros organismos), um dos fatores para esse fato é a relativa facilidade de permuta de genes, juntamente como outros fatores da biologia delas.[16]

Resistência a Antibióticos[editar | editar código-fonte]

Os antibióticos foram criados afim de combater várias infecções. Entretanto com o passar do tempo começaram a ser notadas perda de eficiência de alguns deles. Esse fato se tornou um serio problema de saúde.[16] . Hoje sabe-se que as bactérias podem obter resistência por vários motivos, como, por meio da transferência vertical de genes , mutações, ou por outro fatores inerentes a elas. Entretanto, um dos casos mais reportados de obtenção de resistência é por transferência horizontal.

Nesse caso o processo acontece quando uma bactéria sem resistência recebe de outra bactéria (da mesma espécie ou de espécie diferente) um gene que garante resistência. Esse processo pode ocorrer pela simples troca de plasmídeos (Conjugação), pela absorção de um pedaço de DNA do meio (Transformação) e com a ajuda de um vírus, que carrega o material genético de uma bactéria para outra (Transdução).

Transferência Horizontal em Eucariotos[editar | editar código-fonte]

Os estudos sobre transferência horizontal de genes em sua na maior parte do tempo focam os organismos procariotos, já que estes tem um genoma na maioria das vezes menor e consequentemente mais fácil de estudar. Contudo com os avanços na área da genômica os cientista começa a dar atenção ao estudo da transferência horizontal em eucariotos.

O primeiro assunto a chamar a atenção para a transferência horizontal em eucariotos e a possível transferência horizontal de algumas organelas para o DNA nuclear. As organelas em questão são as mitocôndrias e cloroplastos. Segundo a teoria da endossimbiose essas duas organelas eram na verdade bactérias que foram englobados pelas primeiras células, sendo que tanto mitocôndrias como cloroplastos tem o seu DNA próprio.

Hoje, com o estudo da genômica descobriu-se algumas sequencias de DNA mitocondrial em sequencias nucleares. Acredita-se que as copias nucleares dos genes mitocondriais acabem sendo transcritos no núcleo mas que em seguida voltem para a mitocôndria para executar sua função. Os mecanismos e motivos que levaram a essa transferência ainda não estão completamente elucidados, mas acredita-se que esse fenômeno tenha a ver com o processo de seleção natural.[17]

Em eucariotos mais simples com por exemplo o fungo Saccharomyces cerevisiae o processo de transferência horizontal já esta bem reportado. Acredita-se que haja 10 casos de transferência lateral nessa espécie.[18]

Um desses caso é o gene codificante da enzima DHOD, o estudo desse gene indica um transferência logo após a separa das linhagens de S. cerevisi e de Candida albicans, sendo esse gene possivelmente originário de Lactobacillales.[18]

Células Sanguíneas infectadas com Plasmodium vivax

Um caso muito interessante de possível transferência horizontal, diz respeito ao Homo sapiens e o Plasmodium vivax protozoário causador da malária, dois organismos eucariotos. Analises dos dois genomas encontraram regiões muito similares entre as duas especies indicando um possível caso de transferência horizontal. Alguns genes de muita importância para a vida do Plasmodium vivax foram encontrados no DNA humano, um deles, o responsável pela síntese da enzima Oxido nítrico sitetase 1, enzima essencial para a proteção do Plasmodium. Esse fato começa a lança luz sobre o funcionamento da transferência horizontal em eucariotos (Principalmente sobre a transferência que ocorre em humanos), bem como em processos de co-adaptação e evolução de parasitas.[19]

Importância na Evolução[editar | editar código-fonte]

O primeiro ponto a ser discutido e o problema que os genes transferidos causam na resoluções filogenéticas. Quando esses genes são usados para propor uma relação podemos encontrar falsos resultados, por exemplo, em bactérias podemos encontrar uma espécie mais próxima de outra se usarmos um gene que foi transferido lateralmente, mas na verdade, se usarmos genes transferidos verticalmente essa relação muda para uma conformação mais robusta e confiável. Assim para que possamos ter uma filogenia robusta devemos considerar vários genes a fim de evitar confusões com possíveis genes transferidos horizontalmente.

O segundo, é a real influencia na evolução. Como já citamos aqui, alguns casos de bem documentados de transferência horizontal, mostram que os genes recebidos são funcionais nos organismos que o recebem, como por exemplo o caso da S. cerevis e do plasmodim vivax. Casos como esses mostra que esse tipo de transferência pode alterar o valor adaptativo de uma espécie, e que provavelmente em conjunto com outro fatores importantes no processo evolutivo, como seleção natural e deriva genica, podem perpetuar uma espécie.

Uma outra discussão importante provada pelos estudos com transferência horizontal de gene, e sobre o primeiro ser vivo do planeta, aquele de deu origem a todas a outras formas de vida, chamado de Último Ancestral Comum Universal ( LUCA, sigla em inglês). A ideia inicial (ou a que era mais aceita) é de que todo o ser vivo tem o mesmo ancestral comum, a “célula” inicial, entretanto alguns estudos indicam que talvez não tenha existido um organismo em particular no início da vida na terra, mas sim um conglomerado de diversas células primitivas que evoluíram juntas. Essas células tinham poucos genes, mas eventualmente trocavam genes entre elas ate dar origem às formas de vida que conhecemos hoje.[15]

Incertezas[editar | editar código-fonte]

O principal motivo das incertezas do funcionamento da transferência horizontal se dá pela falta de filogenias com evidencias de várias especies. Como por exemplo o caso do genoma Humano, o qual acredita-se que tem cerca de 100 genes de bactérias. Contudo, a falta de genomas completos de outros animais (atualmente temos apenas genomas completos de vermes e moscas) impossibilita saber se esses genes realmente estão presentes apenas em bactérias e em humanos, ou se eles estão presentes na maioria dos outros animais, mas foram perdidos (perda genica) justamente em vermes e moscas. Então a medida em que acumularmos dados sobre outras especies, poderemos identificar casos de transferência horizontal (ou talvez perda genica) com maior precisão e correção.[20]

Referências

  1. Ochiai, K., Yamanaka, T Kimura K and Sawada, O (1959) Inheritance of drug resistance (and its tranfer) between Shigella strains and Between Shigella and E.coli strains. Hihon Iji Shimpor 1861: 34 (in Japanese)
  2. Akiba T, Koyama K, Ishiki Y, Kimura S, Fukushima T. On the mechanism of the development of multiple-drug-resistant clones of Shigella. Jpn J Microbiol. 1960 Apr;4:219-27. PMID 13681921.
  3. Syvanen, Michael. (1985). "Cross-species Gene Transfer; Implications for a New Theory of Evolution". J. Theor. Biol. 112.
  4. Lauren D. McDaniel,Elizabeth Young,Jennifer Delaney,Fabian Ruhnau,Kim B. Ritchie,John H. Paul. High Frequency of Horizontal Gene Transfer in the Oceans. Science. v.330. 2010
  5. Zoltán Ivics, Perry B Hackett, Ronald H Plasterk and Zsuzsanna Izsvák. Molecular Reconstruction of Sleeping Beauty, a Tc1-like Transposon from Fish, and Its Transposition in Human Cells. Cell, Volume 91, Issue 4, 501-510, 14 November 1997. http://www.cell.com/retrieve/pii/S0092867400804365
  6. http://www.biotecnologia.com.br/revista/bio15/milho.pdf
  7. http://www.cnpso.embrapa.br/box.php?op_page=114&cod_pai=27
  8. http://www.cnpma.embrapa.br/projetos/index.php3?sec=bioss:::23
  9. http://chartsbin.com/view/578
  10. http://blogs.funiber.org/nutricao/2011/03/18/riscos-dos-transgenicos-para-a-saude-humana/comment-page-1/
  11. http://www.greenpeace.org/brasil/pt/O-que-fazemos/Transgenicos/
  12. The Evolutionary Side to Horizontal Gene Transfer. http://inst.bact.wisc.edu/inst/index.php?module=News&func=display&sid=23
  13. CARL R. WOESE AND GEORGE E. Fox. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms.Vol. 74, No. 11, pp. 5088-5090, November 1977 Evolution. http://www.pnas.org/content/74/11/5088.full.pdf+html
  14. http://wps.prenhall.com/esm_freeman_biosci_1/7/1946/498193.cw/index.html
  15. a b W. Ford Doolittle. Uprooting Tree of Life.Scientific American February 2000. http://web.archive.org/web/20060907081933/http://shiva.msu.montana.edu/courses/mb437_537_2004_fall/docs/uprooting.pdf
  16. a b http://textbookofbacteriology.net/themicrobialworld/bactresanti.html
  17. Jeffrey L. Blanchard. Organellar genes: why do they end up in the nucleus? Trends in genetics. Volume 16, Issue 7, 1 July 2000, Pages 315–320. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168952500020539
  18. a b Charles Hall, Sophie Brachat and Fred S. Dietrich.Contribution of Horizontal Gene Transfer to the Evolution of Saccharomyces cerevisiae†. EUKARYOTIC CELL, June 2005, p. 1102–1115 http://ec.asm.org/content/4/6/1102.full.pdf+html
  19. Daniel Z. Bar. Evidence of Massive Horizontal Gene Transfer Between Humans and Plasmodium vivax. Department of Genetics, The Institute of Life Sciences, The Hebrew University of Jerusalem. Http://precedings.nature.com/documents/5690/version/1/files/npre20115690-1.pdf
  20. Ridley, Mark. Evolução. 3ª ed. Tradução Henrique Ferreira, Luciane Passaglia, Rico Fischer- Porto Alegre: Artmed, 2006. Capítulo: Especiação, 752 pg. p. 584-585.