Padrões genômicos de pleiotropia e a evolução da complexidade

Genomic patterns of pleiotropy and the evolution of complexity
Zhi Wang, Ben-Yang Liao, and Jianzhi Zhang
PNAS October 19, 2010 vol. 107 no. 42 18034-18039

Abstract. A pleiotropia se refere ao fenômeno de uma única mutação ou um único gene afetar múltiplos traços fenotípicos distintos, e tem grandes implicações em muitas áreas da biologia. Devido à sua importância central, a pleiotropia também foi extensivamente modelada, ainda que sem virtualmente qualquer base empírica. Analisando fenótipos de um grande número de mutantes de fermentos, nematódeos e ratos, descrevemos aqui os padrões genômicos da pleiotropia. Mostramos que a fração de traços alterados apreciavelmente pela deleção de um gene é diminuta para a maioria dos genes, e que a relação gene-traço é altamente modular. O tamanho padronizado do efeito fenotípico de um gene sobre um traço é distribuido aproximadamente de maneira normal com SDs variáveis para genes diferentes, o que faz surgir a surpreendente observação de um maior efeito por traço para genes que afetam mais traços. Essa propriedade de escala neutraliza a redução associada à pleiotropia na taxa de adaptação (isto é, o 'custo da complexidade') de maneira não-linear, resultando numa taxa mais alta de adaptação para organismos de complexidade intermediária do que para os de baixa complexidade. Curiosamente, o exponente de escala observado falha na estreita amplitude que maximiza a complexidade ótima. Juntos, as observações por todo o genoma de uma baixa pleiotropia em geral, a alta modularidade e os maiores efeitos por traço vindos de genes de alta pleiotropia tornam necessárias grandes revisões dos modelos teóricos de pleiotropia e sugerem que a pleiotropia não só permitiu como promoveu a evolução da complexidade.

O abstract acima não fornece um quadro completo da real importância da pleiotropia. Mas veja o primeiro parágrafo do artigo:

A pleiotropia ocorre quando uma única mutação ou um único gene afeta traços fenotípicos distintos múltiplos. A pleiotropia tem grande implicações em genética, desenvolvimento, senescência, doença e muitos processos evolutivos como adaptação, manutenção do sexo, preservação da redundância e estabilização da cooperação. Por exemplo, a teoria pleotrópica antagonista da senescência afirma que os alelos benéficos ao desenvolvimento e à reprodução são deletérios depois da idade reprodutiva e causam senescência, o que pode explicar porque todas as espécies tem um tempo de vida limitado. A pleiotropia é a principal razão teórica por trás da hipótese de que a evolução morfológica ocorre mais frequentemente através de modificações cis-regulatórias do que através de modificações na sequência de proteínas, já que considera-se que as primeiras sejam menos pleiotrópicas do que as últimas. A pleiotropia também tem importantes implicações na doença humana, porque muitos defeitos genéticos afetam (cada um deles) múltiplos traços fenotípicos. Por exemplo, mutações no gene homeobox ARX causam genitália ambígua e lissencefalia (o todo ou partes da superfície do cérebro ficam lisos) (Online Mendelian Inheritance in Man no. 300215).