Natureza Versus Nurture Versus Noise

Os cientistas tipicamente consideram o fenótipo de uma célula ou organismo – os traços que ele expressa em sua forma, fisiologia e comportamento – como a soma complexa de fatores genéticos e ambientais, ou “natureza” e “nutrição”. Uma grande parte da pesquisa é dedicada a identificar as contribuições dos primeiros: para fixar, por exemplo, como determinadas mutações podem determinar a forma de um membro ou o aparecimento de uma doença. “Esse é certamente um paradigma muito poderoso”, disse Arjun Raj, biólogo de sistemas da Universidade da Pensilvânia. “Aprendemos muito com isso, é muito fácil contar uma história sobre isso”

Qualquer coisa que não esteja ligada ao controle genético tende a ser atribuída a diversos fatores ambientais, desde a nutrição ao estresse até as interações sociais idiossincráticas. É uma linha de pensamento que “sugere que deve ser algo fora do organismo”, disse Kevin Mitchell, geneticista e neurocientista do Trinity College Dublin.

Mas há provas de que isso não é inteiramente verdade. Gêmeos humanos idênticos que compartilham tanto um genoma quanto uma casa não parecem ou agem exatamente da mesma forma. Uma mutação que causa uma desordem em um pode não acontecer no outro. Os gêmeos até têm impressões digitais diferentes.

O mesmo vale para populações de bactérias, peixes clonados e moscas e camundongos consanguíneos. Alguns agentes patogénicos ou células cancerígenas desenvolvem resistência aos medicamentos, enquanto as suas células irmãs geneticamente idênticas perecem. Os irmãos de lagostim marmoreados criados num laboratório onde o seu ambiente é mantido constante não acabam apenas por ter cores ou formas ou comportamentos diferentes – as suas diferenças são também suficientemente significativas para estabelecer toda uma hierarquia social.

Even dentro de um organismo individual, surgem assimetrias entre o lado esquerdo e direito do rosto, do corpo e do cérebro. A pesquisa está tornando cada vez mais claro que estas diferenças não podem ser eliminadas como efeitos ambientais inexplicáveis.

O que deixa ruído – os tremores aleatórios e flutuações que caracterizam qualquer processo biológico. “O ruído é inevitável”, disse Andreas Wagner, um biólogo evolucionário da Universidade de Zurique, “um subproduto inevitável da vida”.

O que torna o ruído inevitável, explicou Mitchell, é que qualquer organismo é demasiado complexo para que os genes o possam delinear, exaustiva e isoladamente, exactamente como construí-lo. A fiação do cérebro sozinho tem que surgir com relativamente pouca instrução.

“O genoma não é uma planta”, disse Mitchell. “Ele não codifica algum resultado específico. Ele apenas codifica algumas regras bioquímicas, alguns algoritmos celulares pelos quais o embrião em desenvolvimento irá se auto-organizar”. As moléculas ricocheteiam e interagem em uma célula, ligando-se e afastando-se e difundindo-se ao acaso. Os processos que fazem proteínas e ligam e desligam genes estão sujeitos a esse “tremor molecular no sistema”, como Mitchell o chama – o que leva a algum grau de aleatoriedade em quantas moléculas protéicas são feitas, como elas se reúnem e dobram, e como cumprem sua função e ajudam as células a tomar decisões.

Como resultado, é perfeitamente natural que o desenvolvimento, o complexo processo que transforma uma única célula em um organismo inteiro, seria “um pouco confuso”, disse Mitchell.

Mas o ruído do desenvolvimento era frequentemente descartado como não mais do que isso: algo que turva como os sistemas biológicos deveriam funcionar idealmente. Não era tratado como uma fonte de criatividade biológica por direito próprio, e certamente não parecia ser algo que pudesse estar subjacente a grandes diferenças em características tão importantes como comportamento ou personalidade.

Quando os cientistas quiseram se concentrar nos efeitos daquele ruído, eles se viram atingindo uma parede: Por definição, o ruído não é sistemático ou previsível, e como resultado, é quase proibitivamente difícil de isolar e medir. “É o mais difícil de controlar, de brincar”, disse Bassem Hassan, um neurobiólogo do Instituto do Cérebro de Paris. “Você pode brincar com o genoma, você pode brincar com o ambiente, você pode brincar com a fisiologia, você pode ativar certas células e não outras”. … É muito mais difícil manipular a variação” e provar que ela é a causa de diferenças em um traço de interesse.

Mitchell concordou. “Pela sua própria natureza”, disse ele, “coisas aleatórias são apenas super difíceis de trabalhar”.

Mas isso está começando a mudar. Ferramentas para estudar os comportamentos de células únicas, incluindo sua expressão gênica, produção de proteínas e decisões de destino de desenvolvimento, se tornaram sofisticadas o suficiente para permitir que os cientistas façam perguntas sobre causas mais sutis de variação. E o que eles descobriram é que o ruído de desenvolvimento tem um papel que não pode mais ser negligenciado. Não é apenas um efeito inescapável que os sistemas vivos têm de suportar, mas algo que esses sistemas evoluíram para tirar proveito, transformando-o num motor necessário do desenvolvimento adequado de um indivíduo e talvez até da evolução mais ampla.

Um arco-íris de aleatoriedade

Um ponto de viragem chegou em 2002. Começou com bactérias e um arco-íris.

Michael Elowitz, professor de biologia e engenharia biológica no Instituto de Tecnologia da Califórnia, e seus colegas queriam testar a variação das células de E. coli crescendo no mesmo ambiente. Eles inseriram duas cópias de um gene na bactéria: uma que codificou uma proteína fluorescente de ciano, e outra que codificou uma amarela. Uma vez que eles tinham desenvolvido os genes a serem regulados de forma idêntica, eles esperavam ver as células produzir ambas as proteínas em quantidades iguais. Em vez disso, dentro de cada célula individual, os genes ciano e amarelo eram expressos de forma desigual – e essas proporções diferiam muito de célula para célula. Algumas células brilharam mais amarelo do que o ciano, outras mais ciano do que amarelo. Ainda outras eram mais uma mistura, e tudo isso ocorreu aparentemente de forma aleatória. Este arco-íris, Elowitz e sua equipe perceberam, foi um resultado claro do ruído inerente ao processo de expressão gênica. Eles estavam finalmente vendo os efeitos do “jitter molecular”

Desde então, os cientistas estudaram o papel que o ruído intrínseco desempenha em outros processos celulares. Ele pode ser visto em como uma população de células idênticas dá origem a diferentes descendentes especializados; em como alguns, mas não todos, de um grupo de células podem responder a um dado sinal; em como um tecido em desenvolvimento se torna padrão. As células fazem uso do ruído para criar a variabilidade necessária em seu comportamento e estado biológico.

Mas isso está no nível da célula. Pode ser que essas diferenças tendam a se equilibrar em muitas dessas células. A diferença entre o ruído e os organismos de nível mais elevado – que se desenvolve através do desenvolvimento para influenciar a forma como um animal adulto se tornaria – era portanto uma história diferente.

Para um, seria necessário sistemas experimentais muito específicos consistindo de muitos indivíduos com os mesmos genomas, cuidadosamente criados nas mesmas condições ambientais. Até certo ponto, isso já foi feito. Os pesquisadores descobriram que as moscas inbred, geneticamente idênticas no laboratório apresentam preferências únicas quando respondem a uma tarefa de navegação. Os peixes clonados apresentam comportamentos tão diversos como os observados em peixes geneticamente variáveis, enquanto que alterar o ambiente dos peixes tem um efeito negligenciável.

Mas estes resultados ainda não provam que o ruído durante os eventos de desenvolvimento causou essas diferenças específicas. “A preocupação, quando você diz que há alguma variabilidade anatômica ou fisiológica”, disse Mitchell, “é que as pessoas podem sempre voltar e dizer, ‘Bem, isso é apenas um fator ambiental que você não conhecia'”.

Mas um novo estudo, publicado no site de pré-impressão biorxiv.org em Dezembro, levou este tipo de trabalho ao nível da expressão genética – e num mamífero, não menos.

Contemplai o tatu de nove bandas.

Os Quadrigêmeos que não são

Tabillos de nove bandas têm uma estratégia reprodutiva invulgar. Eles sempre têm ninhadas de tatu quadrigêmeos, quatro bebês tatu geneticamente idênticos. Jesse Gillis, um biólogo computacional do Cold Spring Harbor Laboratory, em Nova York, e seus colegas decidiram aproveitar esse padrão de nascimento para determinar quando o ruído de desenvolvimento aleatório começa a levar a diferenças na fisiologia e comportamento dos animais adultos.

“É um sistema fantástico para se trabalhar experimentalmente”, disse Mitchell, que não estava envolvido no trabalho. “Quem não gosta de tatus?”

A equipe de Gillis logo descobriu que a variação na expressão gênica aparece muito, muito cedo.

Eles obtiveram amostras de sangue de cinco ninhadas de tatus, sequenciando seu RNA três vezes diferentes durante o ano após o nascimento dos animais e analisando esses dados para padrões únicos de expressão gênica. Eles começaram olhando para um clássico processo aleatório em genética: a inativação de um cromossomo X.

Em tatus, humanos e a maioria dos outros mamíferos, as fêmeas têm dois cromossomos X em cada uma de suas células. Para manter os níveis de expressão dos genes ligados ao X consistentes entre machos e fêmeas, em algum momento durante o desenvolvimento, um cromossoma X é completamente desativado. Se uma célula escolhe desligar o cromossoma X herdado da mãe do organismo ou o do pai ocorre inteiramente por acaso – como atirar uma moeda ao ar, de acordo com Gillis. No entanto, essa moeda ao arremessar a pedra que os genes ligados ao X do pai serão expressos em todos os descendentes dessa célula.

A análise de Gillis descobriu que essa moeda arbitrária ao arremessar ocorreu quando os embriões do tatu consistiam de apenas 25 células. E como a combinação precisa de 25 seleções aleatórias do X materno ou paterno era diferente em cada embrião, tornou-se uma “assinatura de identificação” permanente para cada um dos membros geneticamente idênticos da criação do tatu.

O grupo então voltou sua atenção para os outros 31 pares de cromossomos nos tatus. Nenhum dos cromossomos desses pares fica tão silenciado quanto o X inativado, mas surgem diferenças em quão ativo cada um deles é e quanto cada um contribui para a expressão gênica geral. Os pesquisadores usaram um método de aprendizagem de máquina para analisar quando essas proporções únicas se fixaram nas linhagens celulares. Eles estimaram que isso aconteceu quando os embriões tinham apenas algumas centenas de células.

Em um tatu que eventualmente terá cerca de um trilhão de células, “esses eventos estão acontecendo tão cedo”, disse Kate Laskowski, uma ecologista comportamental da Universidade da Califórnia, Davis, que faz trabalhos relacionados em peixes clonados, mas não participou do estudo. “Eles têm a oportunidade de ter efeitos realmente fortes a jusante”. Uma célula no início do seu desenvolvimento será o progenitor de centenas, milhares, milhões de células mais tarde na vida”

É como ondulações que se expandem na água: Jogue uma rocha num lago, e o seu peso e forma, juntamente com a força com que é lançada, fará com que ela gere uma ondulação diferente da que outra rocha geraria. A física previsível de como uma ondulação se propaga permite que os efeitos dessas condições iniciais únicas se propaguem. Similarmente, o ruído aleatório que estabelece um padrão ligeiramente diferente de expressão gênica em cada embrião de tatu é amplificado através de sua influência em outros processos de desenvolvimento e eventualmente produz diferenças nos traços.

Para determinar quais poderiam ser esses efeitos a jusante, os cientistas examinaram diferenças na expressão gênica geral. Descobriram que os irmãos do tatu variavam na expressão de cerca de 500 a 700 dos seus 20.000 genes (embora os cientistas também esperem que a sua análise tenha perdido algumas flutuações, pelo que isto pode ser uma subestimação). Além disso, nem sempre foram os mesmos 700 genes ou assim que foram afetados em cada ninhada, oferecendo mais evidências de que a aleatoriedade ditou a variação.

Essas diferenças de expressão gênica, por sua vez, pareciam estar correlacionadas com diferenças em uma variedade de traços, especialmente aqueles associados a processos imunológicos e hormonais. Mais obviamente, em uma ninhada, alguns dos genes estavam associados ao crescimento muscular – e esses irmãos de fato variavam significativamente em tamanho. Embora seja necessário mais trabalho para cimentar essas associações, Gillis e seus colegas estimaram que aproximadamente 10% da variação total observada entre os tatus poderia ser atribuída ao ruído de desenvolvimento.

“A idéia de que seu fenótipo e como você se comporta pode ser o resultado de eventos aparentemente aleatórios quando você é uma bola de duas dúzias a algumas centenas de células”, disse Laskowski, “para mim, isso é fascinante”

Variações que afetam o comportamento

Que esses eventos aleatórios parecem desempenhar o maior papel quando se trata de comportamento. Em humanos, por exemplo, gêmeos idênticos diferem muito mais em traços psicológicos do que fisicamente. E como as diferenças psicológicas são pensadas para refletir como o cérebro é colocado junto, o cérebro é onde os cientistas estão começando a olhar.

Durante o desenvolvimento, os cérebros são particularmente ruidosos: as conexões entre os neurônios estão constantemente crescendo e sendo podados, muitas vezes de forma aleatória. Os canais de íons se abrem espontaneamente, e as sinapses liberam neurotransmissores espontaneamente, sem razão óbvia.

Foram encontrados genes que governam a variação do desenvolvimento nos traços anatômicos e comportamentais. Ao alterar esses genes, os pesquisadores têm sido capazes de testar suas hipóteses sobre o papel do ruído em ditar a formação e o comportamento do cérebro. O exemplo mais tentador disso veio no início deste mês, em um artigo publicado por Hassan e seus colegas na Science.