Genética de populações e teoria microevolutivas

ALAN R. TEMPLETON

Genética DE Populações E Teoria

Microevolutiva

Essa edição brasileira possibilita ao estudante de língua portuguesa conhecer em detalhes uma das obras atuais mais relevantes no campo da genética de populações.

O autor da obra é colaborador da genética brasileira.

Vários de nossos estudantes e colegas já tiveram a rica oportunidade de compartilhar do seu conhecimento, em seu laboratório na Washington University ou em suas visitas e palestras em nossas instituições. A versão do texto original para o português tem, assim, grande significado para todos nós. Auxilia na superação da barreira da língua e aumenta as possibilidades de socializar e difundir o trabalho e as idéias de um grande pesquisador e autor no campo de estudo da genética de populações e da teoria microevolutiva.

Com essa obra, a Sociedade Brasileira de Genética traz ao geneticista brasileiro um grande privilégio e reitera sua missão de difundir o conhecimento universal da genética.

Temos certeza que a edição brasileira do livro Genética de Populações e Teoria Microevolutiva representará um marco nas ações da SBG, auxiliando na disseminação e na apropriação do conhecimento desse campo de estudo e o avanço da genética brasileira.

Sobre o autor: ALAN R. TEMPLETON, PhD, é Professor de Genética e Engenharia Biomédica na Washington University em Saint Louis (USA), com formação em Biologia Evolutiva e Genética Quantitativa e Molecular.

Fotografia capa: Haroldo Palo Jr.

Pedro Galetti

Universidade Federal de São Carlos

GENÉTICA DE POPULAÇÕES E TEORIA MICROEVOLUTIVA

O livro Genética de Populações e Teoria Microevolutiva, escrito no contexto das novas técnicas moleculares utilizadas nas análises genéticas, traz uma abordagem moderna para a genética de populações, incorporando a biologia molecular atual, biologia evolutiva das espécies, e um extenso reconhecimento da genética quantitativa como base teórica para a genética de populações.

Esse texto, organizado em três seções principais – história e estrutura de populações, genótipo/fenótipo, e seleção/ adaptação – expressa um modelo de evolução multidimensional, examinando como múltiplos fatores operam conjuntamente, levando ao fenômeno biológico. Premissas simples do comportamento do DNA são utilizadas para derivar a teoria da genética de populações, e a genética quantitativa é discutida como um fundamento para o entendimento da seleção natural. Os conceitos são ilustrados por exemplos reais, muitos desses obtidos na genética e evolução humana.

O livro também destaca uma introdução ao conhecimento existente, uma conclusão resultando numa visão geral da área e sua moderna aplicação, questões e respostas de revisão ao final de cada capítulo, apêndices sobre técnicas genéticas, análise e teoria estatística, referências gerais úteis e links da internet.

Genética de Populações e Teoria Microevolutiva está redigido de maneira clara e acessível, sem equações matemáticas complexas, trazendo aos estudantes de graduação e pós-graduação uma elegante introdução para esta área chave da biologia moderna.

GENÉTICA DE POPULAÇÕES E TEORIA MICROEVOLUTIVA

GENÉTICA DE POPULAÇÕES E TEORIA MICROEVOLUTIVA Alan R. Templeton Department of Biology Washington University St. Louis, Missouri

Traduzido por Reinaldo Alves de Brito Universidade Federal de São Carlos

Ribeirão Preto, SP, 2011

Obra originalmente publicada sob o título Population Genetics and Microevolutionary Theory,

by Alan R. Templeton Copyright© 2006 by John Wiley & Sons, Inc. Authorized translation from English language edition published by John Wiley & Sons, Inc.

Templeton, Alan Robert Genética de populações e teoria microevolutivas / Alan Robert Templeton ; traduzido por Reinaldo Alves de Brito. – Ribeirão Preto, SP : Sociedade Brasileira de Genética – SBG, 2011.

705 p.

Tradução de: Population genetics and microevolutionary theory ISBN 978-85-89265-14-0 1. Genética de populações. 2. Evolução (Biologia). I. Título.

Diagramação e capa: Editora Cubo Editora SBG Sociedade Brasileira de Genética Ribeirão Preto, SP

À Bonnie e à memória de Hampton Carson

SUMÁRIO

PREFÁCIO

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1. ESCOPO E PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

1

PARTE I. HISTÓRIA E ESTRUTURA POPULACIONAL

19

2. MODELANDO EVOLUÇÃO E O TEOREMA DE HARDY-WEINBERG

21

3. SISTEMAS DE ACASALAMENTO

48

4. DERIVA GENÉTICA

82

5. DERIVA GENÉTICA EM GRANDES POPULAÇÕES E COALESCÊNCIA

118

6. FLUXO GÊNICO E SUBDIVISÃO POPULACIONAL

168

7. FLUXO GÊNICO E HISTÓRIA POPULACIONAL

204

PARTE II. GENÓTIPO E FENÓTIPO

247

8. DEFINIÇÕES E TEORIA BÁSICAS DA GENÉTICA QUANTITATIVA

249

9. GENÉTICA QUANTITATIVA: GENÓTIPOS NÃO-MENSURADOS

274

10. GENÉTICA QUANTITATIVA: GENÓTIPOS MENSURADOS

297

VII

VIII

SUMÁRIO

PARTE III. SELEÇÃO NATURAL E ADAPTAÇÃO

341

11. SELEÇÃO NATURAL

343

12. INTERAÇÕES DA SELEÇÃO NATURAL COM OUTRAS FORÇAS EVOLUTIVAS

372

13. UNIDADES E ALVOS DE SELEÇÃO

407

14. SELEÇÃO EM AMBIENTES HETEROGÊNEOS

453

15. SELEÇÃO EM POPULAÇÕES COM ESTRUTURA ETÁRIA

497

APÊNDICE 1. TÉCNICAS DE INVESTIGAÇÃO GENÉTICA

540

APÊNDICE 2. PROBABILIDADE E ESTATÍSTICA

555

REFERÊNCIAS

583

PROBLEMAS E RESPOSTAS

613

ÍNDICE

681

PREFÁCIO Eu tenho ensinado Genética de Populações por trinta anos e, durante este tempo, a importância e a centralidade deste campo para a Biologia Moderna têm aumentado dramaticamente. A Genética de Populações sempre teve um papel central na Biologia Evolutiva, uma vez que lida com os mecanismos pelos quais a evolução ocorre em populações e espécies, a base final de toda mudança evolutiva. Contudo, quando a Genética Molecular amadureceu em genômica, a Genética de Populações se transformou de uma disciplina que recebia novas técnicas da Genética Molecular em uma disciplina que passou a fornecer métodos analíticos básicos para diversos aspectos da genômica. Além disso, um número cada vez maior de estudantes está interessado nos problemas da extinção de espécies e de degradação e mudança ambiental.

Como resultado, a audiência para Genética de Populações aumentou substancialmente e tenho observado que aumentou em seis vezes a procura pelo curso de Genética de Populações ao longo dos últimos anos. Este livro foi escrito com esta audiência expandida em mente. São dados diversos exemplos da Biologia de Conservação, da Genética Humana e da Epidemiologia Genética, ainda que o foco deste livro permaneça nos mecanismos microevolutivos básicos e em como estes interagem para criar a mudança evolutiva. Este livro pretende criar uma base sólida em Genética de Populações tanto para aqueles alunos primariamente interessados na Biologia e na Genética Evolutiva quanto para aqueles estudantes principalmente interessados em aplicar as ferramentas da Genética de Populações, particularmente nas áreas da Biologia de Conservação, da Genética Humana e da genômica. Sem uma base sólida em Genética de Populações, as suas ferramentas analíticas frequentemente serão aplicadas erroneamente, o que pode levar a interpretações incorretas. Este livro busca promover tal base tanto para futuros geneticistas de população e evolucionistas quanto para aqueles que procurarão aplicar conceitos e técnicas da Genética de Populações a outras áreas.

Um tema comum ao longo deste livro é que diversos fenômenos biológicos importantes surgem das interações de dois ou mais fatores. Como consequência, a evolução deve ser vista com uma perspectiva multidimensional, não sendo suficiente se examinar cada força por si só. Dois mentores altamente influentes fortaleceram este ponto em meu trabalho: Charlie Sing e Hampton Carson. Charlie foi meu mentor no Ph.D. e continua ser um mentor, além de colaborador e amigo. Hamp morreu com a idade de 91 anos, quando este livro estava próximo de ser finalizado. Ele viveu uma vida completa e altamente produtiva, e eu dedico este livro à sua memória para honrar sua vida e suas conquistas.

Vários de meus alunos de Graduação, presentes e passados, contribuíram significantemente para este livro. De fato, o ímpeto para escrevê-lo veio principalmente de dois ex-alunos de Doutorado, Delbert Hutchinson e Keri Shingleton. Quando Delbert e Keri estavam na Washington University como alunos de Doutorado, também serviram como monitores em meu curso de Genética de Populações. Na medida em que minhas aulas não seguiam nenhum dos livros existentes, inicialmente Delbert e, posteriormente, Keri escreveram notas de aula

IX

X

PREFÀCIO

detalhadas para ajudar os estudantes. Tais notas também formaram o esqueleto deste livro e Delbert e Keri sugeriram vigorosamente que eu pegasse tais notas e as transformasse em um livro. Este é o livro que resultou dessa transformação.

Vários de meus alunos de Graduação leram versões dos capítulos e ofereceram diversas sugestões que foram incorporadas ao livro. Eu agradeço aos seguintes alunos de Graduação por sua valiosa contribuição: Corey Anderson, Jennifer Brisson, Nicholas Griffin, Jon Hess, Keoni Kauwe, Rosemarie Koch, Melissa Kramer, Taylor Maxwell, Jennifer Neuwald, Jamer Robertson e James Strasburg. Além disso, vários de meus ex-alunos de Doutorado e colegas leram versões deste livro e frequentemente usaram tais versões ao ministrar seus próprios cursos em Genética de Populações. Eles também forneceram-me um retorno excelente, tanto deles mesmos quanto de seus alunos; então, gostaria de agradecer a Reinaldo Alves de Brito, Keith Crandall, Delbert Hutchinson, J. Spencer Johnston e Eric Routman. Eu também gostaria de agradecer a três revisores anônimos por seus comentários e sugestões aos primeiros seis capítulos deste livro. Finalmente, usei versões deste livro como texto em meu curso de Genética de Populações na Washington University. Vários dos estudantes dessa disciplina, alunos de Graduação e Pós-Graduação, forneceram-me um valioso retorno e lhes agradeço por sua ajuda.

1 ESCOPO E PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

A genética de populações diz respeito à origem, quantidade e distribuição da variação genética presente em populações de organismos e o destino desta variação no tempo e no espaço.

Os tipos de populações que serão o foco primário deste livro são populações de organismos diploides de reprodução sexuada, e o destino da variação genética em tais populações será examinado no nível ou abaixo do nível de espécie. Variação em genes no tempo e no espaço constitui a base fundamental da mudança evolutiva; na verdade, no seu sentido mais básico, evolução é a transformação genética de populações que se reproduzem no tempo e no espaço.

Genética de populações está portanto no cerne da biologia evolutiva e pode ser pensado como a ciência dos mecanismos responsáveis pela microevolução, evolução nas espécies. Vários destes mecanismos têm um grande impacto na origem de novas espécies na evolução acima do nível das espécies (macroevolução), mas estes tópicos não serão discutidos neste livro.

PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES Mecanismos microevolutivos agem na variabilidade genética, dessa forma não é surpreendente que as premissas básicas, que permeiam a teoria e prática da genética de populações, todas lidam com várias propriedades do DNA (ácido desoxirribonucleico), a molécula que codifica a informação genética na maioria dos organismos. [Alguns organismos possuem ácido ribonucleico (RNA) como seu material genético, e as mesmas propriedades se aplicam ao RNA nestes casos.] Na verdade, a teoria microevolutiva deriva de apenas três premissas: 1. O DNA pode replicar.

2. O DNA pode mutar e recombinar.

3. Fenótipos emergem da interação do DNA com o ambiente.

As implicações de cada uma dessas premissas serão agora examinadas.

Genética de Populações e Teoria Microevolutiva, Alan R. Templeton Sociedade Brasileira de Genérica – SBG

1

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ESCOPO E PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

O DNA pode Replicar Porque o DNA pode replicar, um tipo particular de gene (conjunto específico de nucleotídeos) pode ser passado de uma geração à próxima e pode também existir como múltiplas cópias em indivíduos diferentes. Genes têm, portanto, uma existência no tempo e no espaço que transcende os indivíduos que temporariamente os possuem. A existência biológica de genes no espaço e no tempo é a base física da evolução.

A manifestação física da continuidade do gene no tempo e no espaço é uma população de indivíduos que se reproduzem. Indivíduos não têm continuidade no tempo ou no espaço; indivíduos são eventos únicos que vivem e morrem e não podem evoluir. Contudo os genes que um indivíduo possui são potencialmente imortais através da replicação do DNA. Para este potencial ser realizado, os indivíduos devem se reproduzir. Portanto, para se observar a evolução, é essencial estudar uma população de indivíduos que se reproduzem. Uma população que se reproduz possui continuidade no tempo, uma vez que uma geração de indivíduos é substituída pela próxima. Uma população que se reproduz geralmente consiste de vários indivíduos, e estes, coletivamente, têm uma distribuição no espaço. Portanto, uma população que se reproduz possui continuidade no tempo e no espaço e constitui a realidade física da continuidade do gene no tempo e no espaço. Evolução é, portanto, possível apenas no nível de uma população reprodutora e não nos indivíduos contidos nesta população.

O foco da genética de populações deve ser em populações reprodutoras para se estudar microevolução. Entretanto, o sentido exato do que significa uma população não é estanque, mas pode variar dependendo das questões perguntadas. A população poderia ser o grupo local de indivíduos que se reproduzem encontrados em proximidade geográfica, ou poderia ser um conjunto de grupos locais que se reproduzem distribuídos no ambiente de tal forma que a maioria dos indivíduos apenas tem contato com outros membros do seu grupo local, mas que ocasionalmente têm algum contato reprodutivo com outros grupos locais. Alternativamente, uma população poderia ser um grupo de indivíduos continuamente distribuídos por uma área geográfica ampla, de tal forma que seria improvável que indivíduos nos extremos dessa distribuição entrassem em contato alguma vez na vida, ou qualquer outro agrupamento de indivíduos, até mesmo incluindo a espécie inteira. Dentro desta hierarquia de populações encontradas dentro da espécie, há uma grande ênfase da genética de populações na população local, ou deme, um conjunto de indivíduos intercruzantes da mesma espécie que vive em proximidade de forma a manter o sistema de acasalamento em comum. Sistemas de acasalamento serão discutidos em mais detalhes em capítulos subsequentes, mas, por agora, o sistema de acasalamento refere-se às regras pelas quais indivíduos se encontram na reprodução sexuada.

Os indivíduos em um deme têm um sistema de acasalamento comum. Porque um deme é uma população reprodutiva, indivíduos estão constantemente sendo substituídos na medida em que mortes e nascimentos ocorram, mas a população local é uma entidade dinâmica que pode persistir ao longo do tempo por muito mais tempo do que os indivíduos que temporariamente a compõem. A população local, portanto, tem os atributos que permitem a manifestação física da continuidade genética no espaço e no tempo que derivam da premissa de que o DNA pode replicar.

Como nosso interesse principal é na continuidade genética, faremos uma abstração útil a partir do deme. Associada com cada população local de indivíduos está uma população correspondente de genes locais chamada de pool gênico, o conjunto de genes coletivamente compartilhados pelos indivíduos de um deme. Uma forma alternativa e frequentemente mais útil de se definir o pool gênico é que o pool gênico seria a população de gametas potenciais produzidos por todos os indivíduos daquele deme. Gametas são a ponte entre gerações e, portanto, definir o pool gênico como uma população de gametas potenciais enfatiza a continuidade genética no tempo, que fornece a base física para evolução. Para estudos empíricos, a primeira definição é mais usada; para estudos teóricos, a segunda definição é preferida.

PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

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O pool gênico associado com uma população local é descrito mensurando-se os números e frequências de vários tipos de genes ou combinações gênicas neste pool. Neste nível mais baixo de significado biológico, o deme, a evolução é definida como uma mudança ao longo do tempo das frequências de vários tipos de genes ou combinações gênicas no pool gênico. Não se pretende que esta definição seja completamente abrangente e englobe toda a evolução. Pelo contrário, é uma definição de evolução restrita e focada, que é útil para a maior parte da genética de populações precisamente por causa de seu foco. Portanto, esta será a nossa definição principal de evolução neste livro. Uma vez que apenas uma população reprodutora local pode ter um pool gênico, sob tal definição de evolução apenas populações podem evoluir, não indivíduos.

Portanto, evolução é uma propriedade emergente de populações reprodutoras de indivíduos que não se manifesta nos indivíduos propriamente ditos. Entretanto, podem existir agrupamentos de populações locais em níveis hierarquicamente superiores que podem evoluir. Em vários casos, consideraremos grupos de várias populações locais interconectadas por dispersão e reprodução, até a espécie como um todo. Entretanto, a espécie toda em alguns casos pode ser apenas um único deme ou pode ser um conjunto de vários demes com intercâmbio reprodutivo restrito.

Uma espécie portanto não é uma unidade de estudos conveniente em genética de populações porque o status da espécie não define o status reprodutivo que é tão crítico à teoria da genética de populações. Sempre precisaremos especificar o tipo e nível de população reprodutiva que é relevante para as questões que estão sendo investigadas.

DNA pode Mutar e Recombinar Evolução requer mudança, e mudanças apenas podem ocorrer quando existirem alternativas. Se a replicação do DNA fosse sempre 100% acurada, não poderia haver evolução. A diversidade genética é um pré-requisito necessário para a evolução. A fonte definitiva dessa diversidade genética é a mutação. Existem várias formas de mutação, tais como substituições de uma única base, inserções, deleções, transposições, duplicações, etc. No momento, nossa única preocupação é que estes processos mutacionais criem diversidade na população de genes presentes em um pool gênico. Por causa das mutações, cópias alternativas de regiões de DNA homólogas em um pool gênico apresentarão estados diferentes.

A mutação ocorre molecularmente. Embora vários agentes ambientais possam influenciar a taxa e o tipo de mutação, um dos dogmas centrais da evolução Darwiniana é que mutações são aleatórias com respeito à necessidade dos organismos em lidar com os ambientes a que estão expostos. Vários experimentos já foram feitos testando este dogma, mas um dos mais elegantes e convincentes é o da placa réplica, primeiro usado por Joshua e Esther Lederberg (1952) (Figura 1.1). A placa réplica e outros experimentos fornecem prova empírica de que a mutação, ocorrendo molecularmente no DNA, não está sendo direcionada a produzir um fenótipo particular no indivíduo interagindo com seu ambiente. Portanto, consideraremos mutações como sendo aleatórias com respeito às necessidades do organismo em lidar com seu ambiente.

A mutação cria diversidade alélica. Alelos são simplesmente formas alternativas de um gene. Em alguns casos estudos genéticos, focam uma região de DNA que pode não ser um gene no sentido clássico; pode ser uma região muito maior ou menor do que um gene, ou mesmo uma região não codificante. Usaremos o termo haplótipo para nos referir a uma forma alternativa (sequências nucleotídicas específicas) entre as cópias homólogas de uma região de DNA qualquer, seja ela um gene ou não. A diversidade alélica ou haplotípica criada por mutação pode ser tremendamente amplificada pelos mecanismos genéticos de recombinação e diploidia.

Em geral, na genética, a recombinação refere-se ao crossing-over meiótico, mas usamos o termo recombinação em um sentido mais amplo como sendo qualquer mecanismo genético que possa criar novas combinações de alelos ou haplótipos. Essa definição de recombinação

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ESCOPO E PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

Figura 1.1. Plaqueamento (placa réplica ou teste de placas). Espalha-se uma suspensão de células bacterianas em uma placa de Petri (placa 1), de modo que as bactérias fiquem bem separadas umas das outras. Cada bactéria se desenvolve, então, em uma colônia de indivíduos geneticamente idênticos. A seguir, um bloco circular recoberto de veludo é pressionado sobre a superfície da placa 1.

Algumas bactérias de cada colônia aderem ao veludo, de modo que a placa original é duplicada quando o veludo é pressionado sobre a superfície de uma segunda placa de Petri (placa 2), denominada placa réplica. O meio de cultura da placa réplica contém estreptomicina, um antibiótico que elimina a maioria das bactérias da linhagem original. No exemplo ilustrado, somente uma colônia bacteriana pode crescer em meio com estreptomicina, na placa réplica, e sua posição na placa 2 identifica-a como a descendente de uma colônia particular na placa 1. A seguir, cada colônia bacteriana da placa 1 é testada quanto ao crescimento em uma placa com o antibiótico estreptomicina. Se as mutações fossem aleatórias e a estreptomicina simplesmente selecionasse mutações preexistentes, em vez de induzi-las, as colônias da placa 1 que ocupavam as posições correspondentes às colônias resistentes da placa 2 também deveriam mostrar resistência, mesmo que essas colônias ainda não tivessem sido expostas à estreptomicina. Como foi demonstrado, foi isso que realmente ocorreu.

abrange os eventos meióticos tanto de segregação independente quanto crossing-over e pode incluir conversão gênica e qualquer evento não meiótico que crie novas combinações gênicas que possam ser passadas por um gameta à próxima geração. A reprodução sexual e a diploidia podem também ser consideradas como mecanismos que criam novas combinações de genes.

Como uma ilustração da diversidade genética que pode ser gerada pelos efeitos conjuntos de mutação e recombinação, considere o complexo MHC (Complexo de Histocompatibilidade Principal, também conhecido em humanos como HLA, Antígeno de Leucócitos Humanos) com cerca de 100 genes no mesmo cromossomo. A Tabela 1.1 mostra o número de alelos observados até 1997 em 20 destes loci em populações humanas (Bodmer e Bodmer 1999).

Como pode ser visto, as mutações neste loci geraram de 1 a 186 alelos por locus com um total de 697 alelos em todos os vinte loci. Entretanto, estes loci podem e se recombinam. Portanto,

PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

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Tabela 1.1. Número de alelos conhecidos em 1997 em 20 loci da região MHC (HLA) humana

Locus MHC-1 MHC-B MHC-C MHC-E MHC-G MHC-DRA MHC-DRB1 MHC-DRB3 MHC-DRB4 MHC-DRB5 MHC-DQA1 MHC-DQB1 MHC-DOB MHC-DMA MHC-DMB MHC-DNA MHC-DPA1 MHC-DPB1 TAP1 TAP2 Total

Número de Alelos 83 186 42 5 7 2 184 11 9 12 18 31 1 4 5 1 10 77 5 4 697

a recombinação tem o potencial de combinar estes 697 alelos em 1,71 x 1021 tipos gaméticos distintos (obtidos pela multiplicação do número de alelos em cada locus). A reprodução sexual tem o potencial de combinar todos os pares desses tipos gaméticos em um indivíduo diploide, resultando em mais de 1042 genótipos e acima de 1033 fenótipos antigênicos distintos possíveis (Bodmer e Bodmer 1999). E isso apenas considerando-se 20 loci em uma pequena região de um cromossomo do genoma humano! Dado que existem apenas cerca de 6 x 109 humanos na terra, cada pessoa no mundo (com exceção de gêmeos idênticos) terá um genótipo MHC único quando esses vinte loci são considerados simultaneamente. Mas é claro que humanos diferem em mais do que apenas estes 20 loci. Até 2004, cerca de 6 milhões de nucleotídeos polimórficos eram conhecidos no genoma humano. Assumindo que a maioria destes é bialélica, cada nucleotídeo polimórfico define três genótipos, portanto coletivamente o número de genótipos possíveis definidos por estes sítios polimórficos conhecidos é de 3600.000 = 102.862.728 genótipos. Para colocar este número em perspectiva, a massa de nossa galáxia inteira em gramas é 1,9 x 1044 (Weinberg 1977), um número muito menor do que o número de genótipos potenciais possíveis na humanidade, apenas se considerando a variação genética conhecida. Portanto mutação e recombinação podem gerar níveis de variação genética realmente astronômicos.

A distinção entre mutação e recombinação é frequentemente complicada porque a recombinação pode ocorrer dentro de um gene e, portanto, criar novos alelos ou haplótipos.

Por exemplo, uma região de 9,7 kb (Quilobases) dentro do locus da lipoproteína lipase (LPL) foi sequenciada em 71 indivíduos de três populações humanas (Nickerson e cols. 1998). Isto representa apenas cerca de um terço deste locus. Oitenta e oito sítios variáveis foram encontrados, e 69 destes foram usados para definir 88 alelos ou haplótipos distintos. Estes 88 haplótipos surgiram de pelo menos 69 eventos mutacionais (um mínimo de uma mutação para cada um dos

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ESCOPO E PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

69 nucleotídeos variáveis), em conjunto com cerca de 30 eventos de recombinação/conversão gênica (Templeton e cols. 2000a). Portanto, a recombinação e a mutação intragênica geraram 88 haplótipos inferidos a partir apenas de um subconjunto dos sítios variáveis conhecidos de um único gene em uma amostra de 142 cromossomos. Estes 88 haplótipos, por sua vez, definem 3916 genótipos possíveis – um número consideravelmente maior do que o tamanho amostral de 71 pessoas!

Estudos como estes mencionados acima tornam claro que mutação e recombinação podem gerar uma quantidade muito grande de diversidade genética em certos loci ou regiões cromossômicas, mas eles não lidam com a questão de quantidade de variação genética que está presente nas espécies em geral. O quanto de variação genética está presente em populações naturais foi uma das questões definidoras da genética de populações até o meio dos anos 60.

Antes disso, a maioria das técnicas usadas para definir genes requeria a existência de variação genética. Por exemplo, muitas das importantes descobertas iniciais da genética Mendeliana foram feitas no laboratório de Thomas Hunt Morgan durante as primeiras décadas do século 20. Este laboratório usava variação morfológica na mosca-das-frutas Drosophila melanogaster como seu objeto de estudo. Entre os genes identificados neste laboratório estava o locus que codifica para uma enzima que codifica para pigmentação do olho conhecida como vermillion em Drosophila. Morgan e seus estudantes apenas foram capazes de identificar vermillion como locus genético por terem encontrado um mutante que codifica para uma enzima defeituosa, e que, portanto, produzia uma mosca com olhos vermelhos brilhantes. Se existisse um gene sem nenhuma diversidade alélica, ele não poderia ser nem mesmo identificado como um locus com as técnicas usadas no laboratório de Morgan. Portanto, todos os loci observáveis tinham pelo menos dois alelos em seus estudos (os alelos “selvagem” e “mutante” na terminologia de Morgan). Como resultado, nem mesmo a simples questão de quantos loci têm mais do que um alelo poderia ser diretamente respondida. Essa situação mudou dramaticamente nos anos 60 com as primeiras aplicações de pesquisas genéticas moleculares (inicialmente em proteínas, mais tarde diretamente no DNA; veja o Apêndice 1, que fornece um pequeno resumo das técnicas moleculares usadas para se mensurar a variação genética). Estas novas técnicas moleculares permitiram que genes fossem definidos bioquimicamente, independentemente de terem ou não variação alélica. Os estudos iniciais (Harris 1966; Johnson e cols. 1966; Lewontin e Hubby 1966), usando técnicas que apenas eram capazes de detectar mutações causando mudanças de aminoácido em loci codificadores de proteínas (e apenas em um subconjunto destas mudanças de aminoácidos), revelaram que cerca de 1/3 de todos os loci codificadores de proteína em uma gama de espécies eram polimórficos (isto é, um locus com dois ou mais alelos de tal forma que o alelo mais comum tenha uma frequência menor que 0,95 no pool gênico). Como nossas técnicas de avaliação genética aumentaram em muito sua resolução (Apêndice 1), esta inferência apenas aumentou.

Estas pesquisas genéticas tornaram claro que muitas das espécies, incluindo a nossa própria, têm uma quantidade de variação genética literalmente astronômica. Os capítulos na Parte I deste livro irão examinar como as premissas 1 e 2 são combinadas para explicar a grande complexidade populacional em termos da quantidade de variação genética e sua distribuição em indivíduos, dentro e entre demes, e também no tempo e no espaço. Por estar agora claro que muitas das espécies têm uma grande quantidade de variação genética, o campo da genética de populações tornou-se menos preocupado com a quantidade de variação genética e mais com seu significado evolutivo e fenotípico. Esta mudança na ênfase leva diretamente à nossa terceira e última premissa.

Fenótipos Emergem da Interação do DNA Com o Ambiente O fenótipo é uma característica mensurável de um indivíduo (ou como veremos posteriormente, pode ser generalizado para outras unidades de organização biológica). Na época de Morgan, genes apenas poderiam ser identificados através de seus efeitos fenotípicos. O gene era

PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

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frequentemente nomeado por seus efeitos fenotípicos em uma linhagem de laboratório altamente endogâmica mantida sob condições ambientais controladas. Tal método de se identificar genes levou a uma equação simplificada de genes e fenótipos que ainda nos persegue.

Quase diariamente lemos sobre “o gene da doença coronariana”, “o gene da aventura”, entre outros. A equiparação entre genes e fenótipos é reforçada por metáforas que aparecem em vários livros textos e museus de ciências que dizem que o DNA é a planta da vida. Entretanto, o DNA não é a planta de nada; esta não é a forma que a informação genética é codificada ou processada. Por exemplo, o cérebro humano contém cerca de 1011 neurônios e 1015 conexões neuronais (Coveney e Highfield 1995). O DNA fornece a planta para estas 1015 conexões?

A resposta é um categórico “não”. Existem apenas cerca de 3 bilhões de pares de bases no genoma humano. Mesmo se cada par de bases codificasse para alguma informação, existe uma capacidade de informação de ordens de magnitude menor no genoma humano do que a necessária para fornecer uma planta das conexões neuronais do cérebro humano. O DNA não fornece plantas fenotípicas; ao contrário, a informação codificada no DNA controla processos dinâmicos (tais como padrões de crescimento axonal e respostas de sinal) que sempre ocorrem em um contexto ambiental. Não há dúvida de que influências ambientais têm um impacto no número e padrão das conexões neuronais que se desenvolvem em cérebros de mamíferos em geral. É esta interação entre informação genética e variáveis ambientais através de processos do desenvolvimento que produz fenótipos (tais como o padrão preciso de conexões neuronais do cérebro de uma pessoa). Genes nunca deveriam ser equacionados a fenótipos. Fenótipos emergem de processos dinâmicos influenciados geneticamente, cujos resultados dependem do contexto ambiental.

Neste livro, fenótipos serão sempre tratados como surgindo de uma interação de genótipos com o ambiente. O verme marinho Bonellia (Figura 1.2) fornece um exemplo desta interação (Gilbert 2000). As formas larvais de vida livre desses vermes são sexualmente indiferenciadas.

Se uma larva se estabelece sozinha em um substrato de lama, torna-se uma fêmea com um tubo longo (de cerca de 15 cm) conectando uma probóscide a uma parte mais arredondada do

Figura 1.2. Sexos em Bonellia. A fêmea tem corpo do tamanho de uma noz que geralmente está enterrado na lama, com uma probóscide protrusa. O macho é um microrganismo ciliado que vive no interior da fêmea.

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ESCOPO E PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

corpo que contém o útero. Por outro lado, a larva é atraída por fêmeas, e se puder achar uma fêmea, irá se diferenciar em um macho que existirá como um microparasita ciliado dentro da fêmea. As formas de corpo são tão distintas que inicialmente se pensou que seriam criaturas completamente diferentes. Portanto, o mesmo genótipo, dependendo do contexto ambiental, pode fornecer formas corpóreas drasticamente diferentes. A interação entre genótipo e ambiente ao produzir o fenótipo é crítico para o entendimento do significado evolutivo da variabilidade genética, então os capítulos da Parte II serão devotados à exploração das premissas que os fenótipos emergem de uma interação do genótipo com o ambiente.

Como um prelúdio a por que as interações do genótipo com o ambiente são tão importantes à evolução, considere os seguintes fenótipos que um organismo pode apresentar: • estar vivo contra estar morto: o fenótipo da viabilidade (a capacidade do indivíduo de sobreviver no ambiente); • dado que esteja vivo: ter se acasalado contra não ter se acasalado; o fenótipo do sucesso reprodutivo (a capacidade de um organismo de encontrar um parceiro no ambiente); • dado que esteja vivo e tenha se reproduzido, o tamanho da prole produzida; o fenótipo da fertilidade ou fecundidade (o número de descendentes que os organismos vivos que se acasalaram podem produzir no ambiente).

Os três fenótipos acima desempenham um papel importante na teoria microevolutiva porque coletivamente tais fenótipos determinam a chance de um indivíduo passar seu DNA à próxima geração naquele contexto ambiental. O fenótipo conjunto produzido pela combinação desses três componentes requeridos para se transmitir o DNA à próxima geração é chamado de valor adaptativo reprodutivo. O valor adaptativo (fitness) será discutido em detalhe na Parte III. O valor adaptativo reprodutivo torna uma realidade a premissa 1 (o DNA pode replicar).

O DNA não é de fato autorreplicante. O DNA pode apenas se replicar no contexto de um indivíduo sobrevivendo em um ambiente, reproduzindo naquele ambiente, e produzindo uma progênie naquele ambiente. Portanto, o fenótipo do valor adaptativo reprodutivo une a premissa 3 (fenótipos são interações entre genes e ambiente) com a premissa 1. Esta união de premissas implica que a probabilidade da replicação do DNA é determinada pela forma como o genótipo interage com o ambiente. Em uma população de indivíduos geneticamente diversos (surgidos da premissa 2, que o DNA pode mutar e recombinar), é possível que algum genótipos irão interagir com o ambiente para produzir mais, ou menos, atos de replicações de DNA do que outros genótipos. Portanto, um ambiente influencia as chances relativas de vários genótipos de replicar seu DNA. Como veremos na Parte III, tal influência do ambiente (premissa 3) sobre a replicação do DNA (premissa 1) em populações geneticamente variáveis (premissa 2) é a base para a seleção natural e uma das principais características emergentes da microevolução: a adaptação ao meio ambiente. Chamamos de adaptação aos atributos e caracteres apresentados por organismos que os ajudam a sobreviver e a se reproduzir em ambientes específicos. A adaptação é uma das características mais dramáticas da evolução, e de fato foi o foco principal das teorias de Darwin e Wallace. A adaptação pode apenas ser entendida em termos de uma interação de três níveis entre todas as premissas centrais da genética de populações.

Esse livro usa essas três premissas de uma forma progressiva: a Parte I utiliza as premissas 1 (O DNA pode replicar) e 2 (O DNA pode mutar e recombinar), que têm um foco molecular, para explicar a quantidade e o padrão de variação genética sob o pressuposto que a variação não tenha importância fenotípica. A Parte II foca a premissa 3 (Fenótipos emergem da interação do DNA com o ambiente) e considera o que acontece quando a variação genética influencia o fenótipo. Finalmente, a Parte III considera as propriedades emergentes evolutivas que surgem das interações de todas as três premissas e especificamente foca a adaptação através da seleção natural. Dessa forma esperamos alcançar uma teoria completa e integrada dos processos microevolutivos.

ESTRATÉGIAS METODOLÓGICAS EM GENÉTICA DE POPULAÇÕES

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ESTRATÉGIAS METODOLÓGICAS EM GENÉTICA DE POPULAÇÕES Processos evolutivos produziram uma quantidade imensa de diversidade biológica neste planeta, com espécies apresentando complexas e intrincadas adaptações aos seus ambientes. É um desafio colossal entender esta diversidade e complexidade, suas origens e suas implicações desde os níveis moleculares até o ecológico. Para estar à altura desse desafio, o estudo da genética de populações requer a apreciação de uma amplitude de metodologias científicas.

Faremos uso de quatro estratégias neste livro: • reducionismo • holismo • análise comparativa • monitoramento de populações naturais.

Reducionismo Um dos extremos da amplitude de metodologias mencionadas acima é a estratégia reducionista.

O reducionismo busca reduzir fenômenos complexos em partes mais simples, mais fáceis de trabalhar para se encontrar regras, leis e explicações. O método reducionista é baseado no pressuposto de que várias características complexas de um sistema podem ser explicadas em termos de poucos componentes ou regras contidos no próprio sistema; ou seja, a explicação para a complexidade observada está dentro do conteúdo do sistema. Dessa forma, a simplicidade (as partes contidas dentro do sistema) gera complexidade (os atributos do sistema como um todo).

O reducionismo busca explicações necessárias e suficientes para o fenômeno em estudo. Tais explicações são consideradas causas proximais do fenômeno de interesse.

Por exemplo, por que as pessoas morrem? Uma estratégia reducionista olharia para cada evento de morte e tentaria descrever por que aquela pessoa em particular morreu daquela forma específica em termos do estado daquele indivíduo na hora de sua morte. Teríamos respostas diferentes para indivíduos diferentes, e não precisaríamos olhar além do status da saúde de um indivíduo para se obter a resposta proximal. A morte é explicada exclusivamente em termos do conteúdo do corpo do indivíduo e nada externo ao corpo é considerado. Usando este método reducionista, as três causas principais de morte no ano 2000 nos EUA foram (1) doenças coronárias (29,6% de todas as mortes naquele ano), (2) câncer (23%) e (3) doenças vasculares cerebrais (7%) (Mokdad e cols. 2004).

Muito da teoria e prática da genética de populações usa de uma estratégia reducionista. Uma das ferramentas principais para se implementar o método reducionista é o uso de experimentos controlados nos quais todas as variáveis potenciais, com exceção de uma, são idealmente fixadas, permitindo uma inferência sólida sobre como o único fator variável remanescente afeta o sistema em estudo. O experimento controlado fixa o contexto para permitir uma inferência sobre o conteúdo do sistema, variando com respeito a um único fator. O método experimental tem sido amplamente aplicado na genética de populações e tem se mostrado uma ferramenta poderosa para elucidar fatores causais em microevolução. Observe, entretanto, que as poderosas inferências possibilitadas por este método são limitadas pelo contexto invariável do experimento e, portanto, generalizações fora desse contexto precisam ser feitas com grande cuidado. Além disso, interações potenciais com variáveis que foram experimentalmente fixadas encontram-se fora do domínio de inferência do método experimental. De fato, em um experimento controlado ideal no qual apenas um único fator varia, todos os efeitos de interação são eliminados do

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ESCOPO E PREMISSAS BÁSICAS DA GENÉTICA DE POPULAÇÕES

domínio de inferência e, portanto, alguns efeitos biológicos potencialmente importantes não são passíveis de inferência.

O método reducionista é usado tanto na genética de populações experimental quanto teórica.

Ao modelar a microevolução, a complexidade de uma população evoluindo é frequentemente simplificada pela redução do número de variáveis e ignorando vários detalhes biológicos. Com tal simplificação, leis e padrões evolutivos complexos podem ser elucidados a partir de poucos componentes ou fatores que estão contidos na própria população. A Parte I deste livro usa tal método reducionista para explicar o destino e padrões da diversidade genética observados nas populações em termos de atributos simples da própria população. Tal método reducionista fornece explicações para vários processos microevolutivos importantes, frequentemente confirmados por experimentos controlados apropriados. Entretanto, o reducionismo por si só é insuficiente para se entender completamente a microevolução.

Holismo Como um complemento à estratégia reducionista de que simplicidade gera complexidade, a estratégia holística é baseada no pressuposto de que existem padrões simples na natureza que emergem quando sistemas complexos são colocados em um contexto particular (a simplicidade emerge da complexidade). A explicação desses padrões emergentes frequentemente não depende do conhecimento dos detalhes dos componentes do sistema, e sim no contexto no qual estes componentes estão dispostos em um todo interativo. Essas explicações dependentes de contexto que não dependem do conteúdo detalhado revelam o que é comumente chamado causação final.

Por exemplo, por que as pessoas morrem? Uma visão holística olharia para as múltiplas variáveis que definem o contexto de saúde de uma população de indivíduos. Não se tentaria explicar porque um indivíduo específico morreu em uma data específica, mas sim tentaria acessar a importância das variáveis contextuais como preditoras de causa mortis na população como um todo. Ao se considerar essa visão holística, três causas principais de morte no ano 2000 nos Estados Unidos são: (1) uso de tabaco (18,1%), (2) sobrepeso (má dieta e inatividade física, 16,6%), e (3) consumo de álcool (3,5%) (Mokdad e cols. 2004). As explicações definitivas das causas de morte não dependem da causa da morte de um indivíduo em particular. As respostas definitivas de por que as pessoas morrem também não dependem do estado de seus corpos na hora da morte (conteúdo), mas sim do contexto ambiental (tabaco, dieta, atividade física, álcool) ao qual seus corpos estavam expostos. É muito importante notar que estas duas estratégias, holística e reducionista são complementares, não antagonistas. Ambas as estratégias fornecem respostas que têm seu sentido, embora em níveis biológicos diferentes. Um médico em seu consultório estaria mais preocupado com o estado de saúde de seus pacientes. Tal médico estaria prescrevendo tratamentos específicos para indivíduos específicos baseados nos estudos de causação proximal.

Entretanto, um funcionário da saúde pública focaria mais a causa terminal e tentaria aumentar a saúde da população americana como um todo, buscando reduzir o consumo de tabaco e o número de pessoas obesas. Ambas as respostas de por que as pessoas morrem são válidas e ambas podem ser usadas nas decisões relacionadas à saúde. As respostas reducionista e holística levam a insights e detalhes que não são contempladas pela outra.

Além disso, as metodologias reducionista e holística podem convergir. Um experimento controlado pode permitir que dois ou mais fatores variem, não apenas um, e pode ser projetado para se observar as interações das variáveis. Isto permite que sejam estudados os efeitos de uma variável no contexto de outra variável. Similarmente, o estudo holista pode ser projetado

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