• Rogério Parentoni

Plasticidade fenotípica, epigenética e evolução: a importância do esclarecimento conceitual

Por: Rogério Parentoni Martins

Pesquisador-visitante pelo CNPq no programa de Pós-Graduação em Ecologia e Recursos Naturais, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza


Moraes (2020), neste blog, mostrou a relevância da epigenética para o melhor conhecimento e tratamento adequado de várias doenças. Embora seu texto seja muito elucidativo, questões de foco e limitação de espaço o impediram de apresentar conceitos importantes para o entendimento detalhado sobre certos mecanismos ecológicos, genéticos e evolutivos relacionados à epigenética e suas consequências para o fenótipo. Ressalto que Moraes, embora reconheça a importância desses mecanismos para compreensão da evolução, muito criteriosamente admitiu que elucidá-los deve ser tarefa destinada aos biólogos evolutivos.


Graduado em História Natural e pós-graduado em Ecologia, obviamente, não tenho experiência formal em biologia evolutiva. Contudo, tenho muito interesse nos temas que aqui serão brevemente tratados. Atualmente dedico boa parte de meu tempo ao entendimento dos conceitos que os biólogos evolutivos utilizam em suas pesquisas sobre os referidos temas, principalmente aqueles referentes à ecologia evolutiva.


Ressalva exposta, a tarefa a que me dispus aqui, pensando nos possíveis leitores biólogos, que a meu exemplo, não tenham conhecimento formal sobre evolução, foi a de tentar mostrar a necessidade de esclarecimento conceitual para melhor entender as relações entre plasticidade fenotípica, epigenética e evolução.


Minha preocupação a esse respeito deve-se ao fato de que relativamente poucos cientistas se preocupam em definir claramente os conceitos que utilizam em seus trabalhos, como se esses conceitos fossem monossêmicos. Como exemplo, cito o conceito adaptação. Adaptação pode parecer autoexplicativo, mas em biologia, a depender da subárea de estudo, carrega diferentes significados. Por exemplo, adaptação morfológica, fisiológica ou comportamental sem a ocorrência de modificações genômicas (Porém, há adaptações fisiólogas que implicam em modificações genômicas, mas que, pelo fato de serem somáticas, não são transmitidas hereditariamente) e adaptação evolutiva com a ocorrência de alterações genômicas.


Talvez exatamente devido ao caráter polissêmico de certos conceitos complexos, como adaptação, alguns biólogos os definem de formas incompletas. Esse comportamento pode tornar os trabalhos desses pesquisadores parcialmente incompreensíveis para os que não trabalham com os mesmos objetos, mas são de áreas afins ou complementares como geneticistas, ecólogos e evolucionistas.


Especialmente para os pós-graduandos, essa despreocupação de certos autores pode se tornar empecilho que interfira negativamente em sua formação. Se um leitor com boa formação básica em biologia necessitar ler várias vezes uma publicação para entender a mensagem que veicula, algo não me parece bem. Isso pode inclusive resultar em desinteresse e abandono da leitura, mesmo que a publicação contenha informações de alta qualidade científica.


Em ecologia, genética e evolução há exemplos de publicações contendo essa característica indesejável. Porém, não é meu objetivo fazer exegese de alguns deles. Opto por explorar exceções: publicações de pesquisadores que reconhecem e se preocupam com a disseminação clara de seus resultados e interpretações.


Exemplos dessas bem-vindas exceções são as revisões de Schilichting & Wund (2014) e Duncan et al (2014) os quais serão objetos desse texto, além de outras poucas publicações de qualidade semelhante. No caso dos autores citados, a escolha dos anos de publicação foi mera coincidência. A motivação surgiu devido à importância atual dos temas aqui tratados em suas respectivas revisões. Particularmente porque em ambas revisões é nítido o cuidado dos autores em definir a maioria dos conceitos de forma clara. Mesmo assim, alguns conceitos escaparam de definição talvez porque esses autores os consideraram sobejamente conhecidos, o que também pode não ser verdadeiro dependendo do leitor.


Schilichting & Wund (2014) e Duncan et al (2014) abordam as relações entre plasticidade fenotípica, epigenética e evolução. Não são relações simples, em especial no que se refere aos detalhes dos mecanismos envolvidos, mas poderão ser compreendidas com certa facilidade desde que os conceitos sejam definidos claramente.


Como é bem conhecido, genótipo é o que é herdado e fenótipo é o alvo da seleção natural. As mediações que ocorrem entre genótipo e fenótipo são estabelecidas por meio das influências dos estímulos ambientais sobre a expressão de genes, pelo desenvolvimento de características do fenótipo e pela integração fenotípica. Isso significa que a expressão de certos genes poderá ser alterada por interferência de estímulos ambientais externos e internos durante o desenvolvimento do fenótipo.

Integração fenotípica significa que há correlação entre várias características fenotípicas que vão se ajustando durante o desenvolvimento. Integração fenotípica diz respeito à funcionalidade de caracteres correlatos que só assim se manifesta devido ao fato desses caracteres estarem corretamente integrados.


Pigliucci (2004) propõe uma definição que considera razoável e talvez seja suficiente para esclarecer o leitor sobre o que significa a expressão: “padrão de funcionalidade, de desenvolvimento e/ou correlação genética (essa mensurada) entre diferentes caracteres exibido em certo organismo” (tradução livre). Subtende-se, todavia, que por ser um padrão esse não ocorra em apenas um organismo; esse padrão deve se repetir em outros organismos de uma mesma população e, se for geneticamente determinado, em indivíduos de gerações subsequentes oriundos da mesma população. Indo um pouco além, sob perspectiva macroevolutiva, padrão que se repete em espécies, clados (ramo de uma árvore filogenética, ou seja, grupo de espécies com um determinado ancestral comum) e outras categorias taxonômicas hierarquicamente superiores (veja Pigliucci 2003). O que equivale dizer que uma classificação natural de organismos deve se valer da integração fenotípica que esses apresentam e que os definem como pertencentes a certa categoria, como por exemplo, espécies da Classe Mammalia. Enfim, a integração fenotípica em si, enquanto característica, também evolui positivamente quando apresenta valor adaptativo de sobrevivência e reprodução do organismo, em termos microevolutivos, ou de categorias taxonômicas superiores em termos macroevolutivos.


Todavia, para o entendimento correto sobre os mecanismos envolvidos é importante e necessário abordar o que acontece ao genótipo e fenótipo do indivíduo e de que forma esses acontecimentos repercutem em sua população e nas gerações subsequentes.


Como disse acima, desde sua concepção o indivíduo está sujeito à influência de estímulos ambientais que atuam sobre sua constituição genética e por ela é influenciada durante seu desenvolvimento. Obviamente, o desenvolvimento inclui um período de sobrevivência e reprodução durante os quais ocorrem modificações em sua morfologia, fisiologia e comportamento.


Boa parte dessas alterações estão sob a influência da expressão de genes sem a mediação de estímulos ambientais. Entretanto, a expressão de certos genes pode ser alterada por meio de certos estímulos ambientais que influenciam o genoma. Se esses estímulos são capazes de modificar a estrutura dos genes, mantendo-se a sequência original dos nucleotídeos que os constituem, o resultado é o que se chama epigenoma. Porém, o que de fato significa epigenoma e como ele é constituído?


O epigenoma é constituído de compostos químicos que marcam ou modificam o genoma de forma tal que influenciam a expressão de certos genes, onde e quando devem fazê-lo. Essas chamadas marcas ou sinais epigenéticos, que não alteram a sequência do DNA original, podem ser transmitidas somáticamente de uma célula para outra, durante a divisão celular, e também de modo hereditário, respectivamente por meio da mitose e meiose. No entanto, a transmissão intergeracional por meio da meiose é mais rara do que a que ocorre por meio da mitose (Saze 2008).


A epigenética trata do entendimento e consequências desses fenômenos para o desenvolvimento do indivíduo e para a evolução transgeracional. Ou seja, além do mecanismo clássico de transmissão genética de características, a transmissão epigenética também tem um importante papel na plasticidade fenotípica e provavelmente na evolução de características fenotípicas.


No caso clássico, e relembrando, os alelos (formas alternativas de certo gene que ocupam um mesmo locus em cromossomos homólogos) é que são transmitidos. Mas quando a transmissão ocorrer epigeneticamente, quem serão transmitidos são os epialelos. Todavia, de que são constituídos os epialelos? Os epialelos são constituídos de alelos, porém modificados principalmente por meio de metilação.


A metilação origina uma marca ou sinal epigenético por meio da introdução de uma ligação covalente de um grupo metil (H3C) na posição C5 do nucleotídeo citosina. Assim, os alelos nos quais o grupo metil foi adicionado tornam-se epialelos. Diversos estudos sobre gêmeos monozigóticos têm mostrado que embora esses compartilhem a grande maioria dos seus genes, diferenças em algumas de suas características ou mesmo susceptibilidade a certas doenças (por exemplo, esquizofrenia e autismo) são atribuídas à presença de epialelos (Petronius et al. 2003).


Enfim, como os epialelos podem ser transmitidos durante a mitose e a meiose, certos genes de indivíduos de gerações subsequentes podem manifestar características ou doenças que não foram exclusivamente herdadas por meio do genótipo (como no caso de gêmeos monozigóticos). Desse modo, pode ocorrer variação fenotípica sem a intermediação de mutações que mudam a sequência do DNA, mas sim por meio do processo de metilação e de outros processos (por exemplo, modificações na cromatina e acetilação de histonas; para detalhes veja Handy et al., 2011).


A plasticidade fenotípica se manifesta diretamente sob a influência de estímulos ambientais que agem sobre o fenótipo durante o desenvolvimento. Um mesmo genótipo pode em diferentes condições ambientais expressar um fenótipo com características diferentes do fenótipo no ambiente típico. A plasticidade pode ter consequências adaptativas, mal adaptativas e neutras para o fenótipo.


Por outro lado, quais seriam as principais relações entre a epigenética, a plasticidade fenotípica, e a evolução? Quando as respostas epigenéticas são herdadas, seja de forma espontânea ou ambientalmente induzidas, o resultado pode ser a seleção de variação fenotípica e evolução adaptativa. Porém, quando as mudanças epigenéticas não forem herdadas genotipicamente, o resultado pode ser a ocorrência de plasticidade. No entanto, quando a plasticidade fenotípica for adaptativa ela poderá ser incorporada ao genótipo por meio de um processo chamado assimilação genética.

Quando ocorre assimilação genética há perda de plasticidade, ou seja, mesmo que o fenótipo esteja novamente submetido ao estímulo que originou a resposta plástica, essa não se manifestará. Todavia, quando variantes fenotípicas que originalmente foram estritamente induzidas pelo ambiente forem selecionadas para serem geneticamente determinadas, isto é, herdáveis, ocorrerá acomodação genética.


Tem sido demonstrado que a capacidade de os organismos responderem adaptativamente à influência de estímulos ambientais pode levar ao aparecimento de fenótipos originais por meio de plasticidade fenotípica. Estes podem ser submetidos à seleção natural. Caso esses fenótipos originais aumentarem o valor adaptativo do indivíduo em determinado contexto ambiental, a acomodação genética poderá levar a mudanças na frequência de alelos influenciando a expressão desses fenótipos. A acomodação genética poderá levar tanto ao aumento de plasticidade quanto à fixação genética de uma característica; nesse último caso o processo se chama assimilação genética. Portanto, assimilação genética é um caso particular de acomodação genética que leva à perda de plasticidade fenotípica por meio de um processo chamado canalização genética; mesmo que o fenótipo seja resubmetido ao mesmo estímulo que gerou a resposta plástica, essa não acontecerá (Braendle & Flatt 2006). Enfim, o que foi descrito acima é uma forma muito simplificada de entender a relação entre plasticidade fenotípica, epigenética e evolução.


Para os leitores interessados em aprofundar seus conhecimentos sobre os temas tratados, as referências sugeridas a seguir trazem informações detalhadas. Além disso, por meio de um glossário incluído em algumas delas os conceitos mais relevantes estão adequadamente definidos.


Agradeço ao prof. Fabrício R. Santos pelos comentários e sugestões que contribuíram para melhorar a clareza dos conceitos aqui expostos.


Referências:


Braendle, C & Flatt, T. (2006). A role for genetic accommodation in evolution? BioEssays 28:868–873.


Duncan, E. J., Gluckman, P. D. & Dearden, P. K. (2014). Epigenetics, Plasticity, and Evolution: How do We Link Epigenetic Change to Phenotype? Journal of Experimental Zoology, Part B, Molecular and Developmental Evolution, 322B:208–220.


Handy, D. E., Castro, R. & Loscalzo, J. (2011). Epigenetic Modifications: Basic Mechanisms and Role in Cardiovascular Disease. Circulation 123(19): 2145–2156.


Jones, B. M. & Robinson, G. E. (2018). Genetic accommodation and the role of ancestral plasticity in the evolution of insect eusociality. Journal of Experimental Biology 221: 1-11.


Petronius, A., Gottsman, I. I., Kan, P., Kennedy, J. l., Basile, V. S., Paterson, A. D. & Popendikyte, V. (2003). Schizophrenia Bulletin, 29(1):169-178.


Pigliucci, M. (2003). Phenotypic integration: studying the ecology and evolution of complex phenotypes. Ecology Letters 6: 265–272.


Saze, H. (2008). Epigenetic memory transmission through mitosis and meiosis in plants. Seminars in Cell and Developmental Biology 19(6): 527-536.

Schilichting, C. D. & Wund, M. A. (2014). Phenotypic plasticity and epigenetic marking: an assessment of evidence for genetic accommodation. Evolution 68-3: 656–672.


Weigel, D. & Colot, V. (2012). Epialleles in plant evolution. Genome Biology 13:249.

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