Explorando epistasia adaptativa em humanos e outros primatas

Abstract

A presente tese investigou a relação entre genes e fenótipos adaptativos em humanos e outros primatas, por meio de dois estudos independentes, um de natureza macroevolutiva e o outro em escala microevolutiva. Ambos os trabalhos visam identificar a epistasia adaptativa, utilizando a metáfora da paisagem de aptidão para compreender os padrões observados nos "mapas genótipo-fenótipo adaptativos". O estudo microevolutivo partiu da "hipótese da vitamina D-folato", a qual propõe a radiação ultravioleta como a principal pressão seletiva para a coloração da pele humana. Segundo esta hipótese, não seria apenas por meio da variação na cor de pele que as populações se adaptam aos seus ambientes. Assim, a cor de pele diferente do esperado em nativos americanos não significa necessariamente que essas populações não estejam adaptadas aos seus ambientes. Tais diferenças poderiam ser atribuídas à complexidade da paisagem de aptidão em relação à radiação, o que envolve diferentes vias e a possível coadaptação de alelos entre elas. Ao testar a hipótese, identificamos redes de alelos em duas rotas genéticas relacionadas à adaptação ao ambiente de radiação — coloração da pele e metabolismo da vitamina D — em populações nativas americanas. As possíveis relações epistáticas que diferem entre grupos que vivem em condições ambientais diferentes podem ajudar a explicar a exceção do padrão de variação de cor nessas populações. O estudo macroevolutivo empregou técnicas de Inteligência Artificial para desenvolver o método ProteinPhenotypeInsights (ProPhIn). Este método enfoca a interpretabilidade e visa auxiliar biólogos evolutivos na compreensão das relações entre proteínas candidatas e fenótipos categóricos de interesse em espécies relacionadas. O ProPhIn tem dois objetivos principais: selecionar variações genéticas associadas ao fenótipo e interpretar os padrões gerais dessas variações em relação ao fenótipo e à relação entre as variações selecionadas e as espécies. Ao aplicar o ProPhIn aos dados de 64 espécies de primatas para genes candidatos do sistema oxitocinérgico, identificamos variações genéticas estatisticamente associadas aos fenótipos monogamia social, cuidado biparental e tamanho de ninhada. Além disso, pudemos visualizar os padrões de variação genética e formular hipóteses sobre a relação entre as espécies, as redes de atributos genéticos e os fenótipos na paisagem adaptativa.

The present thesis investigated the relationship between genes and adaptive phenotypes in humans and other primates through two independent studies, one of macroevolutionary nature and the other on a microevolutionary scale. Both endeavors aimed to identify adaptive epistasis, utilizing the fitness landscape metaphor to comprehend the patterns observed in adaptive genotype-phenotype maps. The microevolutionary study was grounded on the "vitamin D-folate hypothesis," proposing ultraviolet radiation as the primary selective pressure for human skin coloration. According to this hypothesis, population adaptation to environments cannot be solely explained by skin color variation. Thus, unexpected skin color in Native American populations does not necessarily indicate lack of adaptation to their environments. These differences could be attributed to the complexity of the fitness landscape concerning radiation, which entails considering different pathways of phenotypic adaptation and the potential co-adaptation of alleles among them. Testing this hypothesis, we identified allele networks in two genetic pathways related to radiation environment adaptation - skin coloration and vitamin D metabolism - in Native American populations. Epistatic relationships differing among groups living in different environmental conditions may help explain deviations from the color variation pattern in these populations. The macroevolutionary study employed Artificial Intelligence techniques to develop the ProteinPhenotypeInsights (ProPhIn) method. This method focuses on interpretability and aims to assist evolutionary biologists in understanding the relationships between candidate proteins and categorical phenotypes of interest in related species. ProPhIn has two primary objectives: selecting genetic variations associated with the phenotype and interpreting the general patterns of these variations concerning the phenotype and the relationship between the selected variations and the species. Applying ProPhIn to data from 64 primate species for candidate genes related to the oxytocinergic system, we identified genetic variations statistically associated with social monogamy, biparental care, and litter size phenotypes. Additionally, we visualized patterns of genetic variation and formulated hypotheses about the relationship between species, genetic attribute networks, and phenotypes in the adaptive landscape.