Sumário

• A maioria das mutações não é prejudicial?
• Existem mutações favoráveis?
• Tipos de mutação e seus efeitos
• Estudos sobre mutação por Joe Boxhorn
• Notas
• Apêndice I - taxas de mutação
• Apêndice II - resistência à aterosclerose
• Apêndice III - resistência à aterosclerose
• Apêndice IV - resistência ao HIV
• Referências
• Agradecimentos

As pessoas frequentemente fazem perguntas como "A evolução não depende de mutações, e a maioria das mutações não é prejudicial?" e "Existem mutações favoráveis?". Neste FAQ, tentamos responder a essas perguntas. Breve resumo:

• Mutações ocorrem.
• Ocorrem com grande regularidade.
• Quase todas as mutações são neutras.
• Do restante, o benefício/prejuízo depende das circunstâncias

A biologia é complicada; o jargão das ciências biológicas é formidável. Neste FAQ, tentei responder perguntas comuns em linguagem simples para o leitor leigo. Ao mesmo tempo, tentei também fornecer material com maior profundidade para o leitor que deseja substância científica.

P: A evolução não depende de mutações e a maioria das mutações não é prejudicial?

R: Não. A maioria das mutações não é nem prejudicial nem benéfica.

Essa é a resposta curta. A resposta longa é que as mutações podem ser neutras (nem úteis nem prejudiciais), estritamente prejudiciais, estritamente úteis, ou (e isso é importante) se são prejudiciais ou úteis depende do ambiente. A maioria das mutações é ou neutra ou seu efeito depende do ambiente. Vamos analisar um exemplo de uma mutação que pode ser prejudicial ou útil, dependendo das circunstâncias.

As mariposas-do-pimenteiro inglesas existem em duas variedades, claras e escuras. Antes da revolução industrial, as mariposas escuras eram muito raras. Durante os piores anos da revolução industrial, quando o ar estava muito carregado de fuligem, as mariposas escuras tornaram-se bastante comuns. Nos últimos anos, desde os grandes esforços para melhorar a qualidade do ar, as mariposas claras estão substituindo as mariposas escuras. Um famoso artigo de H.B.D. Kettlewell propôs a seguinte explicação para este fenômeno:

Os pássaros comem as mariposas que conseguem ver melhor.

Na Inglaterra antes da Revolução Industrial, as árvores eram frequentemente cobertas por líquens de cor clara. Como resultado, as mariposas claras eram favorecidas porque eram difíceis de serem vistas na casca das árvores, enquanto as mariposas escuras eram fáceis de serem vistas; os pássaros comiam as mariposas escuras. Durante os piores anos da Revolução Industrial, o ar estava muito fuligento, de modo que a casca das árvores ficava escura devido à fuligem. As mariposas escuras eram difíceis de serem vistas, enquanto as mariposas claras eram fáceis de serem vistas; os pássaros comiam as mariposas claras. Como resultado, as mariposas escuras tornaram-se comuns e as mariposas claras tornaram-se raras.

Apesar das críticas criacionistas, esta explicação resistiu ao teste do tempo. Antes da Revolução Industrial, uma mutação que transformou mariposas claras em mariposas escuras era uma mutação desfavorável (prejudicial), enquanto durante os anos escuros era uma mutação favorável (útil).

Para entender por que a maioria das mutações não é nem prejudicial nem benéfica, é útil saber um pouco mais sobre o que são as mutações na verdade. Uma mutação é uma alteração no material genético que controla a hereditariedade. O material genético está contido nos cromossomos. Plantas e animais possuem duas cópias de cada cromossomo, enquanto as bactérias possuem apenas uma cópia. Os organismos que possuem duas cópias de cada cromossomo são chamados de diplóides. Aqueles que possuem apenas uma cópia de cada cromossomo são chamados de haplóides.

Cromossomos são divididos em genes, cada gene sendo um trecho de DNA, ou seja, uma sequência de nucleotídeos (A, G, C, T, por abreviação). A localização de um gene é chamada de locus. (A posição de um nucleotídeo dentro de um gene é chamada de sítio. Não confunda locus e sítio.) Em um dado locus, você pode encontrar que a sequência de DNA é diferente de um organismo para outro de alguma pequena maneira. Estes são geralmente conhecidos como diferentes alelos, embora às vezes sejam confusamente chamados de diferentes genes. Vamos chamá-los de diferentes alelos para que não nos confundamos; além disso, esse é o termo padrão.

Se observarmos populações de animais e plantas, verificamos que existem múltiplos alelos em 10-20% dos genes. Em outras palavras, se observarmos um determinado locus em todos os membros de uma população, cerca de 10-20% das vezes encontraremos mais de uma sequência naquele locus. É possível haver mais de dois alelos dentro de uma população para um dado locus gênico.

Nossas mariposas-do-pimentão possuem um gene que controla se a mariposa é clara ou escura.[1] Como as mariposas são diplóides, cada mariposa possui duas cópias do gene. Se ambas as cópias de um determinado gene forem o mesmo alelo, diz-se que a mariposa é homozigota para aquele gene. Se as duas cópias forem alelos diferentes, diz-se que a mariposa é heterozigota para aquele gene. Se ambos os alelos forem iguais, a mariposa será clara ou escura, dependendo de qual alelo ela possui. As pessoas às vezes dizem "qual gene ela tem", mas isso é confuso porque mistura genes e alelos. Se uma mariposa possui dois alelos diferentes (ou seja, se ela é heterozigota), a tonalidade depende de qual alelo é dominante. No caso das mariposas-do-pimentão, o escuro é dominante, ou seja, um heterozigoto será escuro em vez de claro.

Agora vamos falar sobre como um gene pode mudar, ou seja, como um alelo pode mudar para outro. Existem várias maneiras pelas quais isso pode acontecer. Podemos ter uma mutação pontual, com um nucleotídeo sendo substituído por outro. Uma seção pode ser trocada de ponta a ponta. Uma seção pode ser cortada. Uma seção pode ser inserida. Ou todo o gene pode ser duplicado. Veja a próxima seção para uma descrição mais completa dos diferentes tipos de mutações e seus efeitos.

Qual é a consequência quando uma dessas coisas acontece? Na maioria das vezes, a mudança não tem nenhum efeito perceptível ou é fatal. Os genes codificantes mapeiam proteínas usando o código genético. O código genético é redundante (o termo técnico é degenerado), ou seja, diferentes tripletos de nucleotídeos produzem o mesmo aminoácido. Devido à redundância, uma mutação pontual pode não ter nenhum efeito sobre a proteína que está sendo codificada; essas são conhecidas como mutações silenciosas. Se a sequência for alterada por corte ou troca, o resultado provavelmente será fatal porque a sequência codificante [a leitura em termos de tripletos] ficará desordenada. No entanto, isso nem sempre é verdade, pois existem processos que cortam e inserem seções de DNA em genes de uma maneira que não desordena a sequência codificante.

Suponha que tenhamos uma dessas mutações que não é fatal, mas também não é silenciosa. O que acontece como resultado é que obtemos uma proteína ligeiramente diferente. Na maioria das vezes, a nova proteína funciona muito da mesma forma que a antiga — ela catalisa as mesmas reações. Às vezes, sua capacidade funcional muda; ela agora catalisa uma reação diferente. Quando isso acontece, pode haver outra proteína que também lidava com a tarefa original; neste caso, adicionamos uma capacidade. Se não havia, perdemos a capacidade original e a substituímos por uma nova. Mudanças em enzimas (proteínas que catalisam reações) raramente são uma questão de tudo ou nada.[3]

A duplicação gênica é importante porque é uma maneira de obter novos genes. Uma vez que um gene foi duplicado, uma cópia pode mudar enquanto a outra permanece a mesma.

Os genes variam muito em relação ao quanto podem ser alterados sem que as mudanças prejudiquem o organismo. Alguns genes, como aqueles que codificam o metabolismo básico e os componentes da maquinaria de replicação, transcrição e tradução, são difíceis de alterar sem causar danos. Observamos pouca variação neles de um organismo para outro. Tais genes são considerados conservados.

"Qual é o resultado líquido", você pode perguntar. Algumas mutações são fatais ou muito prejudiciais. Essas mutações são eliminadas imediatamente. Algumas são silenciosas e não contam. Às vezes, uma mutação é definitivamente vantajosa; isso é raro, mas acontece. Quase todas as mutações que não são silenciosas e que não são eliminadas imediatamente são nem completamente vantajosas nem deletérias. A mutação produz uma proteína ligeiramente diferente, e a célula e o organismo vivo funcionam de maneira ligeiramente diferente. Se a mutação é útil ou prejudicial depende do ambiente; pode ser uma ou outra.

Se você pensar bem, a vida tem que funcionar assim - as mutações (alterações no material genético) estão acontecendo o tempo todo. O ser humano médio tem cerca de 50 a 100 mutações, das quais cerca de 3 são importantes, ou seja, elas realmente alteram uma proteína. Se a mutação típica fosse deletéria, a vida se extinguiria em breve. [4]

Embora a maioria das mutações não seja uniformemente benéfica nem prejudicial, elas podem ser benéficas ou prejudiciais em um determinado ambiente. Os ambientes estão sempre mudando, e cada membro de uma população vive em um ambiente ligeiramente diferente dos outros membros. Alguns organismos sobrevivem; outros não. Alguns se reproduzem; outros não. Os alelos daqueles que sobrevivem e se reproduzem são transmitidos. Qualquer diferença no organismo que seja favorável em relação ao ambiente prosperará.

É importante perceber que as mutações não ocorrem em resposta ao ambiente. Elas simplesmente acontecem. Frequentemente, uma mutação ocorre dentro de uma população e depois desaparece porque o organismo não teve descendentes ou não passou a mutação para seus descendentes; isso pode acontecer mesmo que a mutação seja benéfica. Às vezes, uma mutação se estabelece dentro de uma população por acaso, mesmo que não ofereça vantagem; isso é conhecido como deriva genética. [8]

Também é importante perceber que as mutações não ocorrem apenas uma vez. Elas acontecem raramente, mas continuam a ocorrer repetidamente dentro de uma espécie. Em suma, uma mutação tem mais de uma chance de "pegar na maçã"; se não der certo na primeira vez que aparece, ela tem outra oportunidade.[9]

P: Existem mutações favoráveis?

R: Existem, mas pode ser difícil de discernir.

Por uma série de razões, não é simples fornecer exemplos de mutações favoráveis. Primeiro, como já vimos, as características [6] podem ser favoráveis ou desfavoráveis, dependendo do ambiente. Em segundo lugar, geralmente não se sabe em que medida uma característica está geneticamente fixada e em que medida reflete uma reação ao ambiente. Em terceiro lugar, normalmente não sabemos quais genes afetam quais características. Além disso, uma mutação pode ser favorável no sentido de permitir a sobrevivência em um ambiente desfavorável e, ao mesmo tempo, ser desfavorável em um ambiente melhor.

No entanto, existem vários bons exemplos:

1. Resistência a antibióticos em bactérias

   Na era moderna, os antibióticos, drogas que visam características específicas das bactérias, tornaram-se muito populares. As bactérias evoluem muito rapidamente, por isso não é surpreendente que tenham desenvolvido resistência aos antibióticos. De modo geral, isso envolve a alteração das características que os antibióticos visam.

   Comumente, mas nem sempre, essas mutações diminuem a aptidão das bactérias, ou seja, em ambientes onde não há antibióticos presentes, elas não se reproduzem tão rapidamente quanto bactérias sem a mutação. Isso nem sempre é verdade; algumas dessas mutações não envolvem qualquer perda de aptidão. Além disso, frequentemente ocorrem mutações secundárias que restauram a aptidão.

   As bactérias são fáceis de estudar. Isso é uma vantagem nos estudos evolutivos porque podemos observar a evolução acontecendo em laboratório. Existe um experimento padrão no qual o experimente começa com uma única bactéria e permite que ela se reproduza em um ambiente controlado. Como as bactérias se reproduzem assexuadamente, todos os seus descendentes são clones. Como a reprodução não é perfeita, ocorrem mutações. O experimenter pode configurar o ambiente de modo que mutações para uma característica específica sejam selecionadas. O experimenter sabe tanto que a mutação não estava originalmente presente e, portanto, quando ocorreu.

   No ambiente natural, geralmente é impossível determinar quando uma mutação ocorreu. Geralmente, tudo o que sabemos (e muitas vezes nem mesmo sabemos isso) é a distribuição atual de características específicas.

   A situação com insetos e pesticidas é semelhante à das bactérias e antibióticos. Os pesticidas são amplamente utilizados para matar insetos. Por sua vez, os insetos evoluem rapidamente de maneiras para se tornarem imunes aos pesticidas.

2. Bactérias que comem náilon

   Bem, não, elas não comem náilon de fato; elas comem moléculas curtas (oligômeros de náilon) encontradas nas águas residuais de plantas que produzem náilon. Elas metabolizam oligômeros de náilon curtos, quebrando os enlaces do náilon com um par de enzimas relacionadas. Como as ligações envolvidas não são encontradas em produtos naturais, as enzimas devem ter surgido desde a época em que o náilon foi inventado (por volta dos anos 1940). Parece que isso aconteceu por novas mutações nesse período.

   Essas enzimas que degradam os oligômeros de náilon parecem ter surgido por mutação de deslocamento de quadro a partir de outro gene que codifica uma enzima funcionalmente não relacionada. Essa adaptação foi experimentalmente duplicada. Nos experimentos, cepas de Pseudomonas não metabolizadoras de náilon foram cultivadas em meios com oligômeros de náilon disponíveis como fonte alimentar primária. Dentro de um número relativamente pequeno de gerações, elas desenvolveram essas atividades enzimáticas. Isso parece ser um exemplo de ocorrência documentada de mutações benéficas no laboratório.

3. Resistência à malária por anemia falciforme

   O alelo da anemia falciforme faz com que o glóbulo vermelho, normalmente redondo, adquira uma forma falciforme. O efeito deste alelo depende se uma pessoa possui uma ou duas cópias do alelo. Geralmente é fatal se a pessoa tiver duas cópias. Se tiver uma, ela terá glóbulos vermelhos em forma de foice.

   Em geral, esta é uma mutação indesejável porque as células falciformes são menos eficientes do que as células normais. Em áreas onde a malária é prevalente, ela se torna favorável porque pessoas com glóbulos vermelhos em forma de foice têm menor probabilidade de contrair malária dos mosquitos.

   Este é um exemplo onde uma mutação diminui a eficiência normal do corpo (sua aptidão em um sentido), mas, não obstante, proporciona uma vantagem relativa.

4. Tolerância à lactose

   A intolerância à lactose em mamíferos adultos tem uma explicação evolutiva clara; o surgimento da intolerância à lactose facilita o desmame dos filhotes. Os seres humanos, no entanto, adotaram o hábito de consumir produtos lácteos. Isso não é universal; trata-se de algo que surgiu em culturas que mantinham gado e cabras. Nessas culturas, a tolerância à lactose tinha um forte valor seletivo. No mundo moderno, há uma forte correlação entre a tolerância à lactose e ter ancestrais que viveram em culturas que exploravam o leite como alimento.

   Deve-se entender que foi uma questão de acaso que a mutação de tolerância à lactose apareceu em um grupo onde era vantajosa. Poderia ter sido estabelecida primeiro pela deriva genética dentro de um grupo que, em seguida, descobriu que podia usar o leite. [9]

5. Resistência à aterosclerose

   A aterosclerose é principalmente uma doença da era moderna, produzida por dietas modernas e estilos de vida modernos. Existe uma comunidade na Itália perto de Milão (veja Apêndices II e III para detalhes biológicos) cujos residentes não sofrem de aterosclerose devido a uma mutação feliz em um de seus antepassados. Esta mutação é particularmente interessante porque a pessoa que teve a mutação original foi identificada.

   Observe que esta é uma mutação favorável nos tempos modernos porque (a) as pessoas vivem mais tempo e (b) as pessoas têm dietas e estilos de vida que não são como os de nossos ancestrais. Nos tempos pré-históricos, esta não teria sido uma mutação favorável. Mesmo hoje, não podemos ter certeza de que esta mutação é favorável reprodutivamente, ou seja, que pessoas com esta mutação terão mais descendentes do que a média. É claro, no entanto, que a mutação é pessoalmente vantajosa para os indivíduos que a possuem.

6. Imunidade ao HIV

   O HIV infecta vários tipos celulares, incluindo linfócitos T, macrófagos, células dendríticas e neurônios. A AIDS ocorre quando os linfócitos, particularmente as células T CD4+, são eliminados, deixando o paciente incapaz de combater infecções oportunistas. O vírus HIV precisa se ligar a moléculas que são expressas na superfície das células T. Uma dessas moléculas é chamada de CD4 (ou receptor CD4); outra é o receptor de quimiocina C-C 5, conhecido de várias formas como CCR5, CCCKR5 e CKR5. Algumas pessoas carregam um alelo mutante do gene CCR5 que resulta na falta de expressão dessa proteína na superfície das células T. Indivíduos homozigotos são resistentes à infecção pelo HIV e à AIDS. A frequência do alelo mutante é bastante alta em algumas populações que nunca foram expostas à AIDS, então parece provável que houve seleção prévia para esse alelo. (Veja Apêndice IV)

   Para uma descrição da literatura recente, consulte o site OMIM para CCR5.

Tipos de mutações e seus efeitos

Mutações são alterações no genoma (constituição genética). Existem muitas maneiras pelas quais as mutações podem ocorrer. Elas também diferem na forma como impactam a evolução.

Mutações que ocorrem quando o genoma é copiado durante a reprodução são conhecidas como mutações de transferência vertical. Elas são chamadas de mutações de transferência vertical porque são transferidas de ancestral para descendente ao longo de linhas verticais de descendência. No trabalho original sobre genética de populações, assumiu-se que todas as mutações eram mutações de transferência vertical.

Mutações de transferência horizontal ocorrem quando o DNA é transferido de um organismo para outro. A transferência horizontal pode ser uma fonte importante de novidades evolutivas. É importante porque novos genes podem ser propagados muito mais rapidamente por transferência horizontal do que por transferência vertical. Se a evolução for representada por uma árvore, o movimento genético vertical é a transmissão de genes ao longo das ramificações; o movimento genético horizontal é a transmissão de genes entre as ramificações.

Mutações de transferência intra-organismo ocorrem quando genes ou partes de genes se movem dentro de um organismo.

Strictly speaking, hybrids (mating across species) are not mutants. In many groups of species, particularly among plants, genes are transferred from to one species to another via hybrids.

Tipos de mutações:

1. Mutações pontuais

   O tipo de erro de cópia mais comum é a mutação pontual. Nesta forma de mutação, o nucleotídeo em um determinado sítio é substituído por um nucleotídeo diferente. Quando as pessoas falam sobre taxas de mutação, geralmente estão falando sobre taxas de mutações pontuais.

   Efeitos das mutações pontuais: Mutações pontuais em DNA lixo são comuns, mas não têm efeito. Às vezes, mutações pontuais em regiões regulatórias não têm efeito e, outras vezes, alteram a expressão de alguns genes.

2. Adições e deleções

   Durante a cópia, um segmento de DNA pode ser deletado ou um novo segmento pode ser inserido. Tipicamente, isso ocorre como resultado de quebra cromossômica ou realinhamento. (Veja abaixo.) Adições e deleções também podem ser produzidas por certos tipos de transferência horizontal.

   Efeitos de adições e deleções: Se o comprimento do novo ou do segmento deletado não for um múltiplo de três, a tradução ficará corrompida após o ponto em que ocorreu a inserção/deleção, pois o quadro de leitura agora está desalinhado. Isso é conhecido como mutação de deslocamento de quadro (frameshift). Em alguns genes, existem segmentos que podem ser duplicados como um bloco. Isso é conhecido como duplicação em tandem.

3. Duplicação cromossômica

   Às vezes, um ou mais cromossomos são duplicados durante a reprodução; os descendentes recebem cópias extras desses cromossomos.

   Efeitos da duplicação cromossômica: Duplicar apenas um cromossomo é geralmente desvantajoso; um exemplo em seres humanos é a síndrome de Down. Ter múltiplas cópias de todos os cromossomos é conhecido como poliploidia. A poliploidia é rara em fungos e animais (embora ocorra) e é comum em plantas. Estima-se que 20-50% de todas as espécies de plantas surjam como resultado da poliploidia.

   A duplicação gênica é muito comum; é importante porque fornece uma maneira de evoluir novas capacidades enquanto mantém as capacidades antigas. Todas as etapas intermediárias podem ser encontradas na natureza, desde um único gene com alelos alternativos até genes duplicados quase idênticos com alelos funcionais ligeiramente diferentes, até famílias gênicas de genes evolutivamente relacionados com funcionalidades diferentes.

4. Quebra cromossômica e realinhamento

   Durante a reprodução, um cromossomo pode quebrar-se em duas partes ou dois cromossomos podem ser unidos. Uma seção pode ser movida de uma parte do cromossomo para outra ou pode ser invertida em orientação. Este é o mecanismo pelo qual deleções, duplicações e transposições podem ocorrer.

   Efeitos da quebra cromossômica e realinhamento: Frequentemente, esses tipos de mudanças não afetam a viabilidade do organismo (os genes ainda estão lá; eles estão apenas em lugares diferentes), mas, em espécies que se reproduzem sexualmente, podem tornar menos provável que o organismo produza descendentes viáveis e férteis.

5. Retrovírus

   Certos vírus têm a capacidade de inserir uma cópia de si mesmos no genoma de um hospedeiro. A substância química que torna isso possível (a transcriptase reversa) é amplamente utilizada na engenharia genética.

   Efeitos dos retrovírus: Geralmente, esta é uma maneira para o vírus fazer com que o hospedeiro realize o trabalho de reproduzir o vírus. Às vezes, no entanto, o gene inserido sofre mutação e torna-se parte permanente do genoma do organismo hospedeiro. Dependendo da posição do DNA viral no genoma do hospedeiro, genes podem ser interrompidos ou sua expressão alterada. Quando inserções ocorrem na linhagem germinativa de organismos multicelulares, elas podem ser transmitidas verticalmente.

6. Plasmídeos

   Plasmídeos são pequenos pedaços de DNA circular que são transmitidos de bactéria para bactéria. Plasmídeos podem ser transferidos entre espécies.

   Efeitos da transferência de plasmídeos: A transferência de plasmídeos é uma maneira importante de espalhar genes úteis, como aqueles que conferem resistência a antibióticos. A transferência de plasmídeos é um exemplo de transferência horizontal.

7. Troca de DNA bacteriano

   Bactérias podem trocar DNA diretamente. Elas frequentemente fazem isso em resposta ao estresse ambiental.

   Efeitos da troca de DNA bacteriano: A troca é frequentemente fatal para um ou ambos os bactérias envolvidos. Às vezes, no entanto, um ou ambos os parceiros adquirem genes que são essenciais para o ambiente atual.

8. Transferência em nível superior

   Alguns parasitas podem pegar material genético de um organismo e levá-lo ao próximo. Isso foi observado em moscas-das-frutas na natureza.

   Efeitos da transferência em nível superior: Quando isso acontece, alelos novos podem se espalhar muito mais rapidamente através de uma espécie do que ocorreria com o fluxo gênico ordinário.

9. Transferência simbiótica

   Quando dois organismos existem em uma relação simbiótica próxima, um pode "roubar" genes do outro. O exemplo mais notável disso são as mitocôndrias. Na maioria dos organismos com mitocôndrias, a maioria dos genes mitocondriais originais mudou das mitocôndrias para o genoma nuclear.

   Efeitos da transferência simbiótica: Um efeito principal é que a relação simbiótica muda de opcional para obrigatória.

10. Transposons

    Transposons são genes que podem se mover de um lugar no genoma para outro.

    Efeitos dos transposons: Dependendo da posição de inserção, os transposons podem interromper ou alterar a expressão de genes do hospedeiro. Em algumas espécies, a maioria das mutações é devido à inserção de transposons. Por exemplo, em Drosophila, 50-85% das mutações são devidas a inserções de transposons.

Estudos de mutação

O trabalho experimental com bactérias, microrganismos eucarióticos e animais muito pequenos pode nos informar muito sobre a ocorrência e as propriedades das mutações, incluindo as mutações benéficas. Ao longo dos últimos cinquenta anos, mutações benéficas foram observadas ocorrer em diversos estudos.

A maioria desses experimentos foi realizada em um sistema de cultura contínua chamado quimiostato. Os quimiostatos têm sido utilizados nos últimos cinquenta anos no estudo da fisiologia, biologia populacional e ecologia de bactérias e de uma variedade de outros organismos pequenos. Eles também são amplamente utilizados na produção comercial de substâncias produzidas por microrganismos. Um quimiostato consiste em um frasco no qual os organismos crescem. O meio de crescimento (ou seja, o alimento) é continuamente bombeado para o frasco e os produtos de resíduos, o meio residual e os organismos fluem para fora. O conteúdo do frasco é bem misturado, de modo que cada organismo no quimiostato tem uma chance igual de acessar cada porção de alimento. Fatores que afetam o crescimento dos organismos, como a temperatura, são controlados, às vezes de forma bastante rigorosa. Várias variações de quimiostatos foram desenvolvidas. Elas serão descritas conforme se tornarem relevantes.

Os quimiostatos possuem várias propriedades que os tornam úteis para a pesquisa biológica. Com o tempo, os organismos no sistema atingem um estado estacionário em que o crescimento dos organismos é igual à quantidade de organismos que saem do frasco. Neste estado estacionário, a concentração de organismos, medida como biomassa, permanece bastante estável, assim como a concentração do nutriente residual (não utilizado). Os números podem variar um pouco devido a mudanças no tamanho dos indivíduos. É importante notar que, quando o sistema está em estado estacionário, os organismos estão crescendo exponencialmente, com sua taxa de crescimento sendo a taxa de diluição (fluxo de meio/volume do frasco) do sistema. O tempo médio que um organismo permanece no quimiostato é o inverso da taxa de diluição. Estes organismos também estão em um estado estacionário fisiológico. As densidades populacionais de organismos cultivados nesses sistemas de cultura contínua podem ser bastante altas. Para uma bactéria de crescimento rápido como E. coli, densidades de 3 × 10⁸ por ml são facilmente alcançáveis. Da mesma forma, algas eucarióticas pequenas como Chlorella vulgaris podem ser facilmente cultivadas em densidades de 3 × 10⁷ por ml. Densidades da ordem de 10⁵ - 10⁶ por ml são alcançáveis para muitos eucariotos unicelulares e coloniais maiores. As implicações disso para o estudo de mutações são importantes. Assumindo taxas de mutação razoáveis e tamanhos de genoma, é virtualmente certo que uma cultura desse tipo, que tenha sido mantida em estado estacionário por qualquer período de tempo, conterá alguns indivíduos mutantes. Isso vale mesmo quando a cultura é inoculada com uma linhagem derivada de um único indivíduo em uma espécie estritamente assexuada. Se, por exemplo, assumirmos as seguintes características para um quimiostato de E. coli contendo células idênticas:

Deveríamos observar 7,5 × 10⁶ genes mutantes produzidos em um dia. Devo notar que os E. coli quimostatos são geralmente operados com taxas de diluição muito mais rápidas do que isso. Outra propriedade deste tipo de sistema é que quando os organismos em um quimostato variam em suas taxas de crescimento a proporção das formas de crescimento mais rápido na população tende a aumentar às custas das de crescimento mais lento. Finalmente, os modelos matemáticos descrevendo o crescimento de bactérias e algas unicelulares nesses sistemas são razoavelmente bem compreendidos e funcionam bastante bem quando comparados aos dados (veja, por exemplo, Herbert et al. 1956, Kubitschek 1970, Pirt 1975). Estes modelos não funcionam tão bem prevendo a dinâmica quando organismos maiores com ciclos de vida mais complicados são cultivados em quimostatos.

Uma reinterpretação por Kubitschek (1974) de trabalhos de Novick e Szilard (1956) sugere que o argumento acima era razoável. Neste estudo, a resistência a um vírus bacteriano foi utilizada como marcador para acompanhar o surgimento de algumas mutações em uma cultura em quimiostato. Novick e Szilard cultivaram E. coli em um quimiostato com uma densidade em estado estacionário de aproximadamente 3 × 10⁸ células por ml. Periodicamente, eles analisaram células amostradas do quimiostato quanto à resistência à infecção pelo bacteriófago T5 e calcularam a densidade de células resistentes ao T5 na cultura. Em nenhum momento o bacteriófago T5 estava presente no quimiostato, nem as células no quimiostato haviam sido expostas ao bacteriófago T5. Eles descobriram que sempre havia uma fração de células na cultura que era resistente ao T5. A densidade de células resistentes oscilava entre 10² e 10³ por ml. Seguiu um padrão semelhante ao desenhado abaixo:

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  2.000 por ml
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(Nota: este não é o gráfico real. Ele mostra o padrão de mudanças que o sistema passou. Para o gráfico real, veja Kubitschek 1974.) Os aumentos e diminuições refletem a ocorrência de mutações dentro de cepas no quimiostato. O aumento inicial na frequência de células resistentes ocorre porque uma mutação ocorre dentro de uma cepa resistente ao T5 que a torna (e seus descendentes) as células de crescimento mais rápido na cultura. Enquanto essa cepa permanecer a de crescimento mais rápido, sua representação na população aumentará. Eventualmente, uma diferente mutação favorável ocorre em uma célula que é sensível ao T5, o que a torna (e seus descendentes) as células de crescimento mais rápido na cultura. Isso causa a diminuição da frequência de resistência ao T5. Mais tarde, uma diferente mutação ocorre em uma cepa resistente ao T5 que a torna a cepa de crescimento mais rápido. Sua frequência aumenta, e assim por diante.

É importante notar aqui que, neste ambiente, a sensibilidade e a resistência à infecção por T5 são características neutras. Como não há T5 no ambiente, a resistência não oferece uma vantagem. Mas também não parece oferecer muita desvantagem. Se oferecesse uma desvantagem, as células resistentes seriam eliminadas do quimostato. Neste ambiente, é neutro em termos de seleção. Mutações em outros genes fazem com que algumas células tenham uma taxa de crescimento mais elevada. Trata-se apenas de saber se essas mutações ocorrem primeiro em células resistentes ou sensíveis que determina se a frequência de células resistentes ao T5 aumenta ou diminui. É um efeito de carona - o gene de resistência ao T5 simplesmente vai junto com os genes que causam as flutuações.

Agora, em um ambiente diferente, o valor da mutação que produz resistência à infecção por um vírus pode ter um valor totalmente diferente. Chao et al. (1977) cultivaram E. coli B de tipo selvagem em um quimostato. Uma vez que o recipiente atingiu o estado estacionário, inocularam-no com o bacteriófago T7. As bactérias são sensíveis à infecção pelo T7. Não é preciso dizer que o T7 se multiplicou freneticamente nas bactérias. Após um curto período, no entanto, uma mutação atribuída a um único gene apareceu em um sítio receptor da superfície celular que conferiu às bactérias resistência completa ao T7. Esta estirpe bacteriana foi designada B1. Pouco tempo depois, ocorreu uma mutação no vírus que lhe permitiu infectar a estirpe B1 (estirpe T7.1). Uma segunda mutação ocorreu em B1, tornando-a resistente a esta segunda estirpe viral, bem como à estirpe viral original (estirpe B2). Todas essas cinco criaturas coexistiram felizmente no mesmo quimostato.

Agora, se essas mutações foram favoráveis ou prejudiciais depende do ambiente em que os organismos foram colocados. Em um ambiente contendo T7, E. coli B1 ou E. coli B2 poderiam sobreviver enquanto E. coli B sofria mortalidade tremenda. Mas as linhagens mutantes pagaram um custo. Elas não eram tão rápidas em absorver nutrientes quanto o tipo selvagem e, consequentemente, não podiam crescer tão rapidamente. Em experimentos de competição em ambientes livres de fagos, E. coli B superava todas as vezes. Portanto, se uma mutação que confere resistência ao T7 é benéfica depende de:

1. se existe T7 no ambiente, e
2. se não existe, se há conspecíficos sensíveis presentes.

Existiu uma quantidade considerável de trabalho sobre a resistência de bactérias ao bacteriófago que apoia isso. Parte dele é revisada em Lenski (1987).

A presença de um predador em um sistema de cultura contínua pode exercer uma forte seleção sobre os organismos sendo cultivados. Quando surgem mutações nas presas que conferem resistência à predação, elas podem se espalhar pelo quimostato bastante rapidamente – em tempo real! Isso tem sido observado em muitos dos estudos cujos resultados são relatados na literatura de cultura contínua.

Shikano et al. (1990) observaram uma mudança morfológica significativa em uma bactéria gram-negativa não identificada quando ela foi cultivada em cultura semicontínua com um predador. Cultura semicontínua é uma técnica de cultivo onde os organismos são crescidos em um frasco misto. Periodicamente, um volume definido de meio e organismo são removidos e substituídos por meio fresco. Este tipo de sistema atinge um estado pseudo-estacionário semelhante ao estado estacionário encontrado em um quimostato. Neste estudo, uma bactéria em forma de bastão amotil e curta (1,5 micrômetro) foi cultivada com o predador ciliado Cyclidium. As transferências de meio ocorreram a cada sétimo dia. Após 8 a 10 transferências, células bacterianas longas (até 20 micrômetros) apareceram em culturas que continham o ciliado. Essas células careciam de septos transversais. Elas coexistiram com uma morfologia mais curta. Após o aparecimento da forma longa, a densidade de ciliados nos frascos experimentais diminuiu. Experimentos de alimentação mostraram que os ciliados alimentaram-se preferencialmente das células mais curtas.

Para testar se a mudança na bactéria era uma mudança genética, Shikano et al. (1990) examinaram as distribuições de tamanho das células em 30 colônias derivadas de um frasco experimental. A distribuição de frequência dos tamanhos das células curtas nos frascos era indistinguível daquela dos controles e da cepa parental. A distribuição de frequência dos tamanhos para as células longas era consideravelmente mais ampla. O fato de que as colônias filhas derivadas de colônias de células longas apresentam a mesma distribuição de comprimentos celulares que as colônias de células longas provenientes dos frascos experimentais sugere que essa mudança na morfologia reflete uma mudança genética.

A seleção por formas filamentosas em um predador fagotrófico parece ser comum entre as bactérias. Pernthaler et al. (1997) relataram o aparecimento de uma forma filamentosa de um membro não identificado das beta-proteobactérias quando o flagelado predador Bodo saltans foi adicionado a um quimostato cultivando uma assemblagem mista de bactérias. Filamentos semelhantes têm sido observados ao aparecer quando E. coli é cultivado em um quimostato com o flagelado predador Poterioochromonas malhamensis (Gillott et al. 1993). Dentro de cerca de 5 dias, filamentos não septados com até 100 micrômetros de comprimento apareceram. Muitos eram tão longos que o flagelado não podia ingeri-los completamente. (Nota: Eu realizei alguns estudos de alimentação com esta cepa. Eu tenho gravações de vídeo de flagelados tentando engolir um filamento longo, empurrando o filamento através de si mesmo até que todo o conjunto pareça um galo em um caule de erva-das-pampas e, finalmente, empurrando o filamento para fora de si mesmo como uma flecha disparando de um arco.) E. coli é conhecido por produzir filamentos como este como resultado da exposição à radiação ou agentes químicos por um tempo prolongado (Deering 1958, Curry e Greenberg 1962, Hoffman e Frank 1963, Adler e Hardigree 1964). O mecanismo parece ser uma mutação na formação da parede transversal (Begg e Donachie 1985).

Nakajima e Kurihara (1994) produziram uma mutação favorável diferente em E. coli. Eles cultivaram as bactérias em um quimiostato com o ciliado predatório Tetrahymena thermophila. Dentro de 15 dias de inoculação dos ciliados, aparecem cadeias de células de E. coli de tamanho normal. Essa mudança morfológica persistiu durante várias passagens em ágar. Novamente, a nova forma oferece proteção contra a predação.

Van den Ende (1973) introduz o predador ciliado Tetrahymena pyriformis em um quimiostato contendo a bactéria Klebsiella aerogenes crescendo em estado estacionário. Durante o período de 140 a 200 horas após a inoculação com o predador, a morfologia da colônia bacteriana mudou de uma aparência mucosa normal para uma aparência vítrea. Isso refletiu a perda da cápsula mucosa da bactéria. As bactérias começaram a aderir às paredes do recipiente de cultura nesse momento. Nenhum crescimento nas paredes foi observado nos controles. A mudança morfológica parece ser uma adaptação que permite que as bactérias utilizem a parede como refúgio da predação. Isso é suportado por uma mudança que van den Ende observou na distribuição de tamanho dos ciliados. Na inoculação, os ciliados mostraram uma distribuição de comprimentos variando de 40 a 200 micrômetros. Após 800 horas no quimiostato, poucos ciliados excederam 60 micrômetros de comprimento. Isso parece ser devido à fome.

Nos casos acima, surgiram mutações que conferiram resistência à predação. Mutações que conferem resistência a parasitas também foram observadas em estudos de bactérias crescendo em quimostatos. Varon (1979) introduziu a bactéria parasitária Bdellovibrio em um quimostato com a bactéria luminescente Photobacterium leiognathi crescendo em estado estacionário. Dentro de seis dias, apareceu uma nova linhagem do hospedeiro que era resistente ao ataque do parasita. Este mutante coexistiu na cultura com uma forma semelhante à linhagem original. Normalmente, P. leiognathi cresce como pares de células em forma de bastão e forma colônias translúcidas. A linhagem mutante cresce como cadeias de células ovais e forma colônias opacas. Ensaios de placa mostraram que a eficiência de plaqueamento da suspensão de Bdellovibrio sobre colônias do mutante era pelo menos 10⁷ vezes menor do que sobre a linhagem original ou sobre as células de tipo selvagem da cultura. O exame de suspensão mista de parasita e hospedeiro usando microscopia de contraste de fase mostrou que as células de tipo selvagem eram atacadas imediatamente após a mistura por Bdellovibrio, enquanto as células mutantes permaneceram intactas. Estudos em cultura em batelada mostraram que, sob condições de cultura semelhantes, a linhagem mutante tem uma taxa de crescimento muito menor do que a bactéria de tipo selvagem.

Isso conclui o que vou discutir sobre procariontes. Várias conclusões parecem emergir desses estudos. Primeiro, dado o crescimento exponencial e o grande tamanho populacional, muitas mutações parecem ocorrer em populações bacterianas. Quando bactérias nessas condições são submetidas a uma forte seleção, por meio de métodos como a introdução de um predador ou um parasita, adaptações que contrabalançam o efeito do agente seletivo aparecem rapidamente e se espalham pela população. Isso não poderia acontecer a menos que as mutações que conferem esses benefícios estivessem surgindo. Este deve ser o caso quando consideramos que a prática padrão em microbiologia é iniciar culturas a partir de colônias únicas em placas de ágar — colônias que representam os descendentes de uma única célula. Se a mutação é benéfica depende do ambiente em que o mutante se encontra. Na presença do agente seletivo (por exemplo, um predador), a mutação é benéfica. Em um ambiente diferente, a mutação pode ser prejudicial. Um efeito comum das mutações que conferem resistência a predadores e parasitas parece ser a redução da taxa máxima de crescimento das bactérias mutantes. Em pelo menos alguns casos (por exemplo, E. coli e fagos T), isso resulta da mesma mutação produzir resistência e reduzir a capacidade de absorver nutrientes. De qualquer forma, o surgimento de mutações benéficas parece ocorrer em cultura contínua em várias espécies bacterianas e é provavelmente um fenômeno geral.

É minha opinião que essas conclusões também se aplicam aos eucariotos. Vou discutir alguns exemplos do trabalho aqui no Laboratório da Contra-Cultura para apoiar essa afirmação.

Chlorella vulgaris é uma alga verde unicelular comum que é utilizada como um "rato de laboratório" em laboratórios em todo o mundo. Cultivamos a mesma cepa dela por milhares de gerações em ágar e em cultura líquida sem que ela perdesse sua morfologia unicelular. Duzenas a centenas de laboratórios fizeram isso. Culturas de C. vulgaris unicelulares em estado estacionário foram inoculadas com o predador Ochromonas velleiaca, um flagelado fagotrófico. Em menos de 100 gerações, uma forma multicelular do Chlorella tornou-se dominante na cultura. (Boraas 1983b, Boraas et al. 1998). A alga primeiro formou aglomerados globulares de dezenas a centenas de células. Após 10-20 gerações na presença do flagelado, colônias de oito células predominaram. Essas colônias mantiveram a morfologia de oito células indefinidamente em cultura contínua e quando placas foram feitas em ágar. A base da mudança parece ser uma alteração na parede celular. A divisão celular no Chlorella normal ocorre dentro da parede celular da célula materna. A célula sofre 1-4 divisões para formar 2-16 células filhas. Isso é seguido por uma fissura na parede celular materna e dispersão das células neonatais. Em uma cultura, paredes celulares maternas vazias estão intercaladas com células inteiras na proporção de aproximadamente 1:4. Paredes celulares maternas vazias não são encontradas em culturas da forma multicelular. As colônias estão encerradas em uma "membrana" que parece ser material de parede celular modificado.

Como visto nos casos bacterianos, essa mutação forneceu resistência à predação para Chlorella à custa da taxa de crescimento. As colônias neonatais são quase pequenas demais para serem engolidas por Ochromonas. Após crescerem um pouco, elas ficam grandes demais para serem comidas. Na presença do predador, a forma colonial de Chlorella substitui a forma unicelular e persiste. Quando o predador não está presente, a forma unicelular substitui a forma colonial. Isso faz sentido, pois a forma colonial tem menos área de superfície exposta ao ambiente disponível para absorção de nutrientes do que a forma unicelular.

Também há evidências de que as mutações ocorrem e são selecionadas em animais cultivados em quimostatos e sistemas relacionados. Boraas (1983a) observou várias alterações no rotífero Brachionus calyciflorus quando foi cultivado por 24 meses em um quimostato. O tamanho médio do corpo adulto do animal diminuiu continuamente ao longo do tempo. Os rotíferos cessaram a produção de machos e ovos de repouso após 1-2 meses de cultura contínua, sugerindo que o ambiente do quimostato selecionou contra a reprodução sexual. Após 2-3 meses, a sexualidade não pôde ser induzida em animais removidos da cultura. Eles parecem ter perdido a capacidade de sofrer reprodução sexual.

Bennett e Boraas (1988, 1989) observaram mudanças ainda mais marcantes na mesma espécie de rotífero quando ela foi cultivada em um turbidostato. Um turbidostato é uma variação do quimiostato. Enquanto um quimiostato é projetado para uma entrada constante de meio de cultura, um turbidostato é projetado para manter os organismos em uma concentração constante. Um sensor de turbidez mede a concentração de organismos na cultura. Quando a concentração excede um valor pré-estabelecido, mais meio de cultura é adicionado. No estudo de Bennett e Boraas, o sensor mediu a concentração de alimento residual (algas) na cultura (Boraas e Bennett 1988). Quando ela caía abaixo de um certo nível, mais alimento era adicionado. Este tipo de sistema de cultivo permite que os organismos cresçam na taxa máxima fisiologicamente possível em um determinado ambiente e seleciona uma taxa de crescimento rápida. Em um quimiostato, o investigador escolhe a taxa de crescimento na qual os organismos crescem e a densidade populacional é uma variável de resposta; em um turbidostato, o investigador escolhe a densidade populacional e os organismos crescem o mais rápido que podem.

Bennett e Boraas observaram que os rotíferos passaram por várias mudanças. O resultado dessas mudanças foi uma linhagem de rotíferos de rápido crescimento. Durante mais de 8 meses no quimiostato, a taxa máxima de crescimento dos rotíferos aumentou de 0,053 h^-1 para 0,080 h^-1. Essa mudança persistiu mesmo quando os animais foram cultivados por mais de 100 gerações em um quimiostato na taxa de crescimento lenta de 0,009 h^-1. Houve uma mudança na fecundidade para classes etárias mais jovens na linhagem de rápido crescimento. A longevidade da linhagem de rápido crescimento foi 28% menor do que a longevidade na linhagem parental. O tempo de desenvolvimento dos ovos foi menor e o volume dos ovos foi consideravelmente menor na linhagem de rápido crescimento. Como visto no estudo de Boraas (1983a), os adultos eram menores e a sexualidade foi perdida.

O exemplo dos rotíferos mostra mudanças em caracteres de história de vida que estão sob controle genético. Estes exemplos sugerem que o argumento feito para procariotos pode ser estendido aos eucariotos.

Notas

[1] Na verdade, existem duas variedades diferentes de mariposas escuras, com a escuridão sendo determinada por genes diferentes.

[2] Não há nota [2]. Veja [2] para detalhes.

[3] As proteínas são os compostos químicos principais na célula. Existem dois tipos principais de proteínas, proteínas estruturais e enzimas. Tipicamente, uma enzima é otimizada para realizar uma operação química simples em outro composto (o substrato). No entanto, ela também pode realizar operações com muito menos eficiência em outros substratos. Uma alteração em uma enzima frequentemente altera sua eficiência em substratos alternativos; ela também pode alterar as condições ótimas nas quais a reação ocorre, por exemplo, a temperatura ou o pH.

Organismos diplóides possuem duas cópias de cada gene. Quando uma mutação em uma das cópias ocorre, o organismo pode ter alelos alternativos com propriedades diferentes. Em alguns ambientes, organismos com cópias de ambos os alelos (eles são ditos heterozigotos para o gene) terão uma vantagem.

[4] O genoma humano possui 3 bilhões de pares de bases. A taxa média de mutações pontuais é de aproximadamente 20 a 30 por bilhão por indivíduo. Quase todas as mutações pontuais em organismos multicelulares são estritamente neutras. Nos seres humanos, 90-97% do DNA é "DNA lixo" que não faz nada (conforme melhor que se possa determinar). Um terço das alterações nos códons (seções de DNA que codificam proteínas) são silenciosas; isto é, o DNA muda, mas o aminoácido codificado permanece o mesmo. Assim, 93-98% de todas as mutações pontuais em humanos são estritamente neutras.

Do restante de 2-7%, quase todos são também neutros. Uma proteína típica é uma sequência de cerca de 1.000 aminoácidos que se dobra ao redor de um sítio de reação composto por cerca de 50 aminoácidos. Mudanças no sítio de reação têm um forte efeito nas propriedades da proteína; mudanças em outros lugares geralmente não têm efeito, a menos que afetem o padrão de dobra. Como resultado, menos de 1% das mutações pontuais estão sujeitas à seleção natural. [7]

[5] Não há nota 5 também.

[6] Um traço é uma característica física de um organismo. Os traços de um organismo são determinados por uma combinação de seus genes e por suas respostas ao seu ambiente. O efeito dos genes sobre os traços é frequentemente muito indireto.

[7] A maioria dos números relacionados ao tamanho do genoma efetivo, ao número de genes e ao tamanho médio dos genes são aproximados e ainda estão sendo refinados.

Vários genomas, tanto bacterianos quanto eucarióticos, já foram completamente sequenciados. O tamanho médio das proteínas é de cerca de 350 aminoácidos (1050 pares de bases).

Estimativas mais antigas do número de genes no genoma humano situam-se na faixa de 50 a 100 mil. Estimativas mais recentes, utilizando dados do projeto genoma, são de cerca de 60 a 70 mil.

As estimativas do tamanho do genoma efetivo variam. Drake fornece uma estimativa de 80.000.000 de pares de bases de DNA codificante. O número pode ser tão baixo quanto 3% (Drake) ou tão alto quanto 10% (estimativas mais antigas). A questão é complicada pelo fato de que uma porcentagem (desconhecida) do DNA não codificante não é lixo.

Estimar as taxas de mutação não é simples. Deve-se compreender que as estimativas atuais são extrapolações de seções amostradas nos genomas. Além disso, as taxas de mutação variam para diferentes sítios. No entanto, diferentes técnicas parecem consistentemente produzir estimativas de 1 a 6 mutações não silenciosas por ponto no DNA codificante por indivíduo em humanos. O número total de mutações por ponto por indivíduo é muito maior (Drake dá ~64; outras estimativas são da mesma ordem), mas, como discutido em nota 4, quase todas essas são ou silenciosas ou estão em DNA não codificante (lixo).

[8] As porcentagens de ocorrência de diferentes alelos em uma população estão sempre flutuando porque diferentes indivíduos têm diferentes números de descendentes. Em espécies diplóides, como nós, há uma fonte adicional de aleatoriedade; cada descendente recebe uma combinação diferente de genes de seus pais. Não apenas as porcentagens estão flutuando, mas elas podem, por acaso, sofrer deriva de uma proporção para outra.

Esta mudança aleatória é o que se entende por deriva genética. Quando um alelo específico é benéfico em comparação com outro, a flutuação será enviesada; esse movimento enviesado das mudanças nas proporções é chamado de seleção natural.

[9] Se usarmos os números no apêndice I, o tamanho efetivo do genoma (para humanos) é de aproximadamente 80.000.000 de pares de bases e o número médio de mutações pontuais no genoma efetivo é de cerca de 4. Isso resulta em cada par de bases no genoma efetivo sofrer mutação cerca de uma vez a cada 20.000.000 de indivíduos.

Isso significa que, em espécies com grandes populações, como os seres humanos (atualmente), toda mutação pontual relevante aparece na espécie. Por outro lado, dado um pequeno grupo, como uma tribo de caçadores-coletores, uma dada mutação provavelmente não aparecerá na tribo.

Apêndice I - Frequência de Mutações

Quando falamos da frequência de mutações, temos de distinguir entre a taxa de mutação para o genoma inteiro e a taxa de mutação para o genoma efetivo (os 10% que não são DNA lixo). Em Genetics 148:1667-1686, abril de 1998) John W. Drake et al estimam que o zigoto humano médio tem cerca de 64 mutações, a maioria das quais ocorre no DNA "lixo".

A partir das tabelas 4 e 5 em "Taxas de Mutações Espontâneas", por JW Drake et al, Genetics 148:1667-1686 (abril, 1998):

Observe que, para os humanos, o número de divisões celulares antes da formação do espermatozoide em um homem de 30 anos é de aproximadamente 400. Isso resulta em cerca de 1,6 mutações por célula espermática.

No número de 28 de janeiro de 1999 da revista Nature, no artigo "High genomic deleterious mutation rates in hominids", Walker e Kneightey estimam que a taxa de mutação no genoma efetivo é um pouco mais elevada, 4,2 mutações por indivíduo, das quais 1,6 são deletérias. Consulte nota 7 para uma discussão adicional.

Apêndice II - Uma mutação favorável, resumo de artigo

Arterioscler Thromb Vasc Biol 1998 Abr;18(4):562-567. "Níveis plasmáticos de PAI-1 em uma população geral sem evidências clínicas de aterosclerose: relação com determinantes ambientais e genéticos," por Margaglione M, Cappucci G, d'Addedda M, Colaizzo D, Giuliani N, Vecchione G, Mascolo G, Grandone E, Di Minno G; Unita' di Trombosi e Aterosclerosi, IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza, San Giovanni Rotondo (FG), Itália.

Resumo:

Os níveis plasmáticos do inibidor de ativador de plasminogênio-1 (PAI-1) têm sido consistentemente relacionados a um polimorfismo (4G/5G) do gene do PAI-1. A via renina-angiotensina desempenha um papel na regulação dos níveis plasmáticos do PAI-1. Um polimorfismo de inserção (I)/deleção (D) do gene da enzima conversora de angiotensina (ECA) tem sido relacionado aos níveis plasmáticos e celulares da ECA. Em 1032 funcionários (446 homens e 586 mulheres; de 22 a 66 anos) de um hospital no sul da Itália, investigamos a associação entre o polimorfismo 4G/5G do PAI-1 e as variantes do gene da ECA I/D e os níveis plasmáticos do antígeno do PAI-1. Nenhum dos indivíduos recrutados apresentava evidências clínicas de aterosclerose. Na análise univariada, os níveis do PAI-1 foram significativamente mais altos em homens (P<.001), bebedores de álcool (P<.001), fumantes (P=.009) e homozigotos para o alelo de deleção do gene do PAI-1 (4G/4G) (P=.012). A análise multivariada documentou o efeito independente sobre os níveis plasmáticos do PAI-1 do índice de massa corporal (P<.001), triglicerídeos (P<.001), sexo (P<.001), polimorfismo 4G/5G do PAI-1 (P=.019), hábito de fumar (P=.041) e genótipo I/D da ECA (P=.042). Assim, além dos marcadores de resistência à insulina e hábito de fumar, as variantes gênicas do PAI-1 e da ECA explicam uma parcela significativa da variabilidade entre indivíduos das concentrações circulantes do antígeno do PAI-1 em uma população geral sem evidências clínicas de aterosclerose. [Texto completo]

Apêndice III - Uma mutação favorável - Resumo do jornal

J Biol Chem 1985 Dec 25;260(30):16321-5. "Apolipoproteína AIMilano. Ligação e dissociação aceleradas de lipídios por uma variante de apolipoproteína humana," por Franceschini G, Vecchio G, Gianfranceschi G, Magani D, Sirtori CR.

Resumo:

As propriedades de ligação lipídica da apolipoproteína (apo) AIMilano, uma variante molecular da apolipoproteína humana AI, caracterizada pela substituição Arg173----Cys, foram investigadas pelo uso de lipossomas de dimiristoilfosfatidilcolina. Tanto a variante AIMilano quanto a AI normal são incorporadas na mesma extensão em complexos estáveis isolados por filtração em gel, mostrando dimensões e estequiometrias similares. Uma maior afinidade da apo-AIMilano para a dimiristoilfosfatidilcolina é sugerida pela taxa de associação mais rápida da variante apoproteína em comparação com a AI normal; similarmente, a apo-AIMilano é mais facilmente deslocada por cloreto de guanidina dos complexos isolados de dimiristoilfosfatidilcolina-apoproteína. Quando a estrutura secundária da apo-AIMilano foi investigada por espectrofluoroscopia e dicroísmo circular, um pico de fluorescência com comprimento de onda mais alto e um conteúdo de hélice alfa menor foram detectados na variante apoproteína em comparação com a AI normal. A substituição Arg173----Cis na AIMilano altera dramaticamente a natureza anfipática do fragmento de hélice alfa modificado da apoproteína AI. A taxa de associação com lipídios é acelerada por um aumento na exposição de resíduos hidrofóbicos. A estabilidade reduzida das partículas lipídio-apoproteína é possivelmente mediada por uma redução no número de segmentos helicoidais envolvidos na associação com lipídios. A alta flexibilidade da apolipoproteína AIMilano na interação com lipídios pode explicar seu catabolismo acelerado e as possivelmente melhoradas capacidades de captação de lipídios teciduais. [Texto completo]

Apêndice IV - Seleção para resistência ao HIV - Resumo de artigo

Am J Hum Genet 1998 Jun;62(6):1507-15. por JC Stephens et al.

Resumo:

A deleção CCR5-Delta32 aniquila o quimiocina CCR5 e o coreceptor do vírus da imunodeficiência humana (HIV)-1 em células linfoides, levando a uma forte resistência à infecção pelo HIV-1 e à AIDS. Um levantamento genotípico de 4.166 indivíduos revelou um gradiente de frequências alélicas do CCR5-Delta32 de 0%-14% ao longo da Eurásia, enquanto a variante está ausente entre grupos étnicos africanos nativos, indígenas americanos e asiáticos orientais. A análise de haplótipos de 192 cromossomos caucasianos revelou forte desequilíbrio de ligação entre CCR5 e dois loci de microsatélites. Por meio do uso da teoria da coalescência para interpretar a genealogia de haplótipos modernos, estimamos que a origem do haplótipo ancestral contendo CCR5-Delta32 seja aproximadamente há 700 anos, com uma faixa estimada de 275-1.875 anos. O gradiente geográfico das frequências de CCR5-Delta32 e sua emergência recente são consistentes com um evento seletivo histórico forte (por exemplo, uma epidemia de um patógeno que, como o HIV-1, utiliza o CCR5), impulsionando sua frequência para cima em populações ancestrais caucasianas. [Texto completo]

Referências

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Agradecimentos

Desejo agradecer a Larry Moran, Rich Daniel, Tedd Hadley, Allen Gathman, Mike Coon, Robin Goodfellow, Mike Syvanen, Joe Boxhorn, Mark Isaak, Pete Dunkelberg e Adam Noel Harris por sugestões e comentários úteis.