Contribuição genética para o comportamento de Eucariotos unicelulares aos humanos modernos

Abstract

A história evolutiva do sistema nervoso e suas implicações para o comportamento humano estão repletas de muitos questionamentos ainda sem respostas, mesmo após os resultados do projeto do genoma humano e a melhoria extraordinária dos métodos de nova geração; tanto para nossa quanto para outras espécies modelos. Sendo assim, a busca por respostas configura-se em um tópico não só instigante, como tremendamente desafiador. Genes associados aos neurotransmissores são encontrados em uma diversidade de eucariotos sem sistema nervoso central, estimulando a indagação sobre quando o complexo sistema nervoso apresentaria o arquétipo biológico para a sua emergência. Ademais, além da presença de um primitivo sistema nervoso desde a origem dos cnidários, são os hominíneos - primatas bípedes dotados de cérebros grandes - que mostram de maneira mais marcante como os comportamentos criativos, inovadores e aprendidos emergem como armas adaptativas poderosas para enfrentar as adversidades e desafios impostos pelo ambiente natural e social. Nesta tese procurou-se contribuir com respostas a estas e outras questões. Para isso, buscou-se por sinais de forças evolutivas que estariam atuando no genoma, em particular em genes associados com comportamentos adaptativos; desde a origem dos eucariotos unicelulares até o Homo sapiens. Dentre as várias abordagens utilizadas, nós fizemos uso de análises populacionais na busca dos mecanismos evolutivos por trás da manutenção de polimorfismos compartilhados (trans-específicos) por humanos arcaicos e modernos, presentes em genes associados com traços comportamentais complexos, os quais incluem “pensamento criativo” e “comportamento inovador”. Mostramos, por exemplo, que alguns desses polimorfismos estão sendo mantidos por pelo menos 400-275 mil (provavelmente por seleção balanceadora), como aqueles associados às doenças psiquiátricas, e que também fazem parte de um repertório genético que sobrepõem-se ao sistema imunológico. Essa variabilidade pode ter desempenhado um papel tanto sobre a plasticidade imunológica, quanto comportamental; dotando as espécies do gênero Homo com uma extraordinária capacidade adaptativa comportamental em diferentes nichos ecológicos e contextos sociais. Em uma outra abordagem, utilizando 238 genomas de eucariotos, mostramos que uma parte representativa dos ortólogos de genes de neurotransmissores já estava presentes no ancestral comum de todos os eucariotos. Curiosamente, o sistema dopaminérgico foi identificado como o mais representado na raiz dos eucariotos. Ainda, foi possível observar que desde a origem dos peixes não há inovações de ortologia, quando utilizamos a rede humana como parâmetro, sugerindo que a última rodada de duplicação completa do genoma no ancestral comum dos teleósteos provavelmente impulsionou a evolução da rede de neurotransmissores, ou mesmo foi a grande causa para a evolução da complexidade do sistema nervoso observada nesses organismos. Nossa ultima abordagem analisa as relações entre as diferentes taxas de mutações dentro da ordem dos primatas e traços de história de vida; como diversidade comportamental, de estratégia reprodutiva, tempo de geração, massa corporal e outros. Diferentemente dos valores observados em chimpanzés (Pan troglodytes), que replicaram estimativas anteriores, aqui identificamos que humanos e gorilas não apresentariam taxas de mutações constantes considerando a razão entre cromossomo X/cromossomos autossômicos. Este dado sugere, que, para o estudo da evolução do fenótipo de comportamento sexual, os chimpanzés seriam um bom modelo do putativo ancestral dos grandes macacos. Além disso, é provável que a competição espermática em gorilas e humanos pode ter sido muito mais intensa no passado do que atualmente. Além do mais, comparando os diferentes traços de histórico de vida dos primatas encontramos uma relação inversa entre as taxas de substituição nos cromossomos autossômicos e a razão entre idades de amadurecimento das fêmeas e machos, proporção de tamanho testicular, razão entre tempo de gestação e intervalo de nascimentos, e razão entre tempo de gestação e expectativa média de vida, mesmo quando controlada pelo método de análise filogenética independente de contrastes. Finalmente, mostramos dados preliminares sobre a variabilidade genética em genes ligados ao comportamento em Sapajus libidinosus, uma espécie de macaco do Novo Mundo caracterizada pelo uso inovador de ferramentas e aprendizagem social.

The evolutionary history of the nervous system and its implications on human behavior is still full of questions, even in the face of the results from human genome project, and extraordinary new advances in the next generation methods; considering either for humans and other species. Thus, seeking to answer these questions is an exciting and challenging topic to study. Genes associated with neurotransmitters are found in a diversity of eukaryotes without a central nervous system, stimulating the inquiry into when the complex nervous system would have emerged. Nonetheless, beyond the presence of a primitive nervous system since the origin of cnidarians, the hominins are those which markedly demonstrate how creative, innovative, and learning behaviors make allow them to trespass natural and social challenges. In this present thesis we sought to contribute to the understanding of these issues. Initially, we searched for signs of evolutionary forces acting on genome, particularly on genes associated with adaptive behaviors; since the origin of unicellular eukaryotes to Homo sapiens. Among several used approaches used, we made use of population analyses searching for evolutionary mechanisms behind the maintenance of shared polymorphisms (trans-specific) between archaic and modern humans for genes associated with complex behavioral traits, which include "creative thinking" and " innovative behavior ". We were capable to demonstrate that, for example, some of these polymorphisms maintained by at least 400-275 thousand years (probably by balancing selection), such as those associated with psychiatric diseases, are also part of a genetic repertoire that overlaps those observed for immune system. This variability may have played a role in both immunological and behavioral plasticity; endowing species of the genus Homo with extraordinary adaptive behavioral capacity in different ecological niches and social contexts. In another approach, using 238 eukaryotic genomes, we showed that a representative part of neurotransmitter orthologs were already present in the common ancestor of all eukaryotes. Interestingly, the dopaminergic system was identified as the most represented system in the root of eukaryotes. It was also possible to observe that since the origin of fishes there were no orthological innovations when we use the human network as a parameter, suggesting that the last round of whole genome duplication in the common ancestral genome of teleosts probably boosted the evolution of the neurotransmitter network, or even were the cause of its complexity observed in these organisms. Our final approach analyzes the relationships between different mutation rates within the order of primates and life history traits; such as behavioral diversity, reproductive strategy, generation time, body mass and others. Differently from the values observed in chimpanzees (Pan troglodytes), which replicated previous estimations, we identified that humans and gorillas would not have kept a constant mutation rate considering the X-to-Autosomal ratio. This data suggests that chimpanzees would be a good model for the evolutionary studies of the sexual behavior, as a putative ancestral of the great apes. In addition, it is likely that sperm competition in gorillas and humans may have been much more intense in the past than currently. Moreover, comparing the different traits of primates’ life history, we found an antagonistic relationship between autosomal mutation rate and the ratio between females-to-males sexual maturity, proportion of testicular size, ratio between gestation time and interval of births, and the ratio between gestation time and life expectancy, even after controlling by the phylogenetically independent contrast analysis method. Finally, we show a preliminary data on genetic variability in behavioral genes in the Sapajus libidinous, a species of New World monkey characterized by innovative use of tools and social learning.