O genoma de 90 gigabases do peixe pulmonado sul-americano Lepidosiren paradoxa

Entre todos os animais do planeta, o recorde de genoma mais longo não está nas mãos de um gigante nem de um bicho especialmente “inteligente”. Ele pertence a um animal sinuoso, de água doce, que parece ter ficado preso no tempo - bem no limiar evolutivo de virar um vertebrado capaz de viver em terra firme.

Peixes pulmonados e o maior genoma animal já descrito

Esse grupo é o dos peixes pulmonados, uma classe de vertebrados de água doce cujas características incomuns aparecem refletidas num código genético colossal. Eles conseguem respirar tanto na água quanto no ar, têm nadadeiras com aparência de membros e uma arquitectura esquelética bem desenvolvida. Por isso, esses animais antigos são considerados prováveis parentes próximos na árvore evolutiva: acredita-se que partilhem um ancestral comum com todos os vertebrados de quatro membros, os chamados tetrápodes.

Entender o que, de facto, está guardado num genoma tão grande pode ajudar a esclarecer como os nossos antepassados saíram dos ambientes aquáticos para caminhar em terra. Agora, cientistas alcançaram um marco: eles sequenciaram o maior genoma entre os peixes pulmonados, o do peixe pulmonado sul-americano, Lepidosiren paradoxa.

"Com mais de 90 gigabases (ou seja, 90 mil milhões de bases), o ADN da espécie sul-americana é o maior entre todos os genomas de animais e tem mais do que o dobro do genoma do anterior detentor do recorde, o peixe pulmonado australiano", diz o biólogo evolutivo Axel Meyer, da Universidade de Constança, na Alemanha.

"Dezoito dos 19 cromossomas do peixe pulmonado sul-americano são, cada um individualmente, maiores do que todo o genoma humano, com os seus quase 3 mil milhões de bases."

Para comparar, essa maratona de bases de ADN chega a cerca de 30 vezes o tamanho do genoma humano. Ainda assim, de forma curiosa, o grupo encontrou apenas por volta de 20.000 sequências que codificam proteínas.

Poucos genes codificadores e muito ADN “extra”

O peixe pulmonado africano (Protopterus annectens), também sequenciado pelos investigadores, mostrou um total semelhante de genes individuais. Isso coloca as duas contagens de regiões codificadoras mais ou menos no mesmo patamar do nosso próprio “acervo” genético - o que, inevitavelmente, deixa uma enorme quantidade de ADN sobrando para os cientistas tentarem atribuir alguma função.

O sequenciamento dessas duas espécies vem na esteira de um trabalho semelhante com o peixe pulmonado australiano (Neoceratodus forsteri), publicado três anos atrás. Juntas, as sequências ajudam a revelar com mais clareza como esses peixes se diversificaram e evoluíram ao longo dos últimos 100 milhões de anos.

Eles recebem o nome de peixes pulmonados porque, ao contrário de outras espécies de peixes, possuem de facto um ou dois pulmões para respiração - uma característica que teria sido decisiva para tornar possível a transição rumo à vida de tetrápode.

Hoje, restam apenas três linhagens: africana, sul-americana e australiana. Por serem vistos como “fósseis vivos”, comparar como cada uma delas mudou desde o aparecimento dos primeiros tetrápodes, há cerca de 390 milhões de anos (mais ou menos; há debate), pode iluminar um ponto de virada crucial na evolução da vida na Terra - inclusive na linhagem que levou à nossa espécie.

Genes saltadores, elementos transponíveis e o papel do piRNA

Meyer, o co-líder bioquímico Manfred Schartl, da Universidade de Würzburg (Alemanha), e colaboradores de vários países concluíram que o tamanho descomunal do genoma de Lepidosiren se explica, em grande parte, pela presença em massa de “genes saltadores”, também chamados de elementos transponíveis.

Essas sequências “rebeldes” conseguem copiar a si mesmas e deslocar-se dentro do genoma. Isso pode prejudicar o organismo em que aparecem, mas também pode desencadear mudanças genéticas rápidas.

Estudos com outro “fóssil vivo” relativamente próximo dos peixes pulmonados - o celacanto - já tinham indicado que transposões podem ter tido um papel bastante relevante na evolução dos tetrápodes. Lepidosiren pode ajudar a entender o motivo: ao longo dos últimos 100 milhões de anos, a cada 10 milhões de anos, o genoma aumentou o equivalente ao tamanho de um genoma humano inteiro.

Segundo os autores, isso provavelmente ocorre porque o piRNA - um tipo de ARN que, em geral, suprime a actividade dos transposões - é muito baixo nos peixes pulmonados. Com essa contenção reduzida, o genoma simplesmente “inchou”.

"E continua a crescer", afirma Meyer. "Encontrámos evidências de que os transposões responsáveis ainda estão activos."

Estabilidade genética e pistas sobre os ancestrais dos tetrápodes

Como esses genes saltadores continuam activos em Lepidosiren, a equipa imaginou que o genoma seria difícil demais de interpretar. Para surpresa dos cientistas, porém, ele se mostrou notavelmente estável, com a disposição dos genes bastante conservadora - mantendo o peixe pulmonado, por assim dizer, eficiente apesar do tamanho do seu ADN.

Essa estabilidade também permitiu aos investigadores reconstruir, por engenharia reversa, a arquitectura cromossómica de peixes ancestrais de nadadeiras lobadas - não só das três espécies analisadas, mas de linhagens ancestrais que acabariam por dar origem a todos os tetrápodes. O estudo confirmou esse parentesco, oferecendo um conjunto mais completo de ferramentas para investigar o nosso próprio percurso evolutivo.

Os autores ainda quantificaram diferenças marcantes entre as três espécies actuais. O peixe pulmonado australiano tem apenas um pulmão e ainda consegue usar as guelras; além disso, preservou as nadadeiras com aspecto de membros, semelhantes às que teriam ajudado seus antepassados a locomover-se em terra. Já os peixes pulmonados africano e sul-americano apresentam guelras atrofiadas e dois pulmões, e os seus “membros” voltaram a tornar-se nadadeiras filamentosas.

Em estudos com ratos geneticamente editados para carregar genes de peixes pulmonados, a equipa demonstrou que essa reversão dos membros está ligada a alterações numa via de sinalização chamada Shh, que orienta o desenvolvimento embrionário. E há mais por vir.

"Os genomas das três linhagens de peixes pulmonados, devido à sua posição filogenética crucial, guardam a chave para uma melhor compreensão de como processos moleculares e de desenvolvimento, bem como mudanças evolutivas no genoma, contribuíram para a conquista do ambiente terrestre e para a evolução dos tetrápodes, uma das principais transições durante a evolução dos vertebrados", escrevem os investigadores no artigo.

"O recurso de genomas ao nível cromossómico para todas as linhagens vivas de peixes pulmonados permitirá agora novas investigações sobre ancestrais de nadadeiras lobadas dos tetrápodes que conquistaram a terra firme no Devoniano."

A pesquisa foi publicada na Nature.