Comparative single-cell transcriptomics links gene expression divergence to Drosophila genital morphogenesis

A evolução é frequentemente imaginada como uma remodelagem lenta e grandiosa da vida ao longo de milhões de anos, mas as mudanças mais dramáticas podem acontecer num piscar de olhos no relógio evolutivo. Uma das partes que se move mais rapidamente no corpo de um animal é o seu órgão reprodutor. No mundo das moscas-das-frutas, os genitais masculinos mudam de forma tão rapidamente que espécies intimamente relacionadas muitas vezes não se parecem em nada, embora sejam quase idênticas em todos os outros aspectos. Os cientistas sabem há muito tempo que essas diferenças são causadas por mudanças na forma como os genes são ligados e desligados durante o desenvolvimento, mas as instruções específicas que dizem a um aglomerado de células para crescer como um gancho, uma concha ou um espinho permaneceram um mistério. O desafio era que essas estruturas são minúsculas e feitas de muitos tipos diferentes de células trabalhando juntas, tornando difícil ver exatamente quais genes estão fazendo o quê em qual célula específica.

Uma equipa de investigadores resolveu agora este enigma ao estudar o desenvolvimento destes órgãos com um novo nível de detalhe. Eles estudaram duas espécies de moscas-das-frutas muito semelhantes, uma com uma estrutura genital pequena, em forma de gancho, e outra com uma versão maior e elaborada, em forma de concha. Em vez de estudarem o órgão inteiro de uma só vez, eles dividiram-no célula a célula. Utilizando uma técnica que lê a atividade genética de milhares de células individuais, criaram um mapa detalhado de como o órgão se forma ao longo do tempo. Este mapa revelou que, embora as duas espécies comecem com o mesmo plano básico, elas divergem porque diferentes conjuntos de genes estão ativos em diferentes quantidades e em diferentes momentos. Ao testar estas diferenças genéticas, os investigadores descobriram dois mecanismos fundamentais que impulsionam a forma do órgão: um sistema de sinalização que decide quantas células se tornarão parte da estrutura e um grupo de proteínas que atuam como um andaime para esticar essas células até à sua forma final e alongada.

A história começa com a mosca-das-frutas Drosophila melanogaster e a sua parente próxima, Drosophila simulans. A olho nu, estas moscas são quase indistinguíveis, mas os seus genitais masculinos contam uma história diferente. Os genitais de D. melanogaster apresentam uma projeção pequena, semelhante a um gancho, enquanto D. simulans ostenta uma estrutura muito maior e mais larga que se assemelha a uma concha. Estas diferenças não são apenas cosméticas; são críticas para a reprodução. Os investigadores queriam compreender como formas tão distintas surgem de um código genético quase idêntico. Eles focaram-se na fase pupal de desenvolvimento, um momento em que os órgãos adultos estão a ser construídos do zero dentro da pupa. Eles recolheram estes órgãos em desenvolvimento em três pontos temporais específicos: 20, 36 e 48 horas após a formação da pupa.

Para ver o que estava a acontecer lá dentro, os cientistas utilizaram um método poderoso chamado sequenciação de RNA de célula única. Imagine pegar numa máquina complexa, desmontá-la peça por peça e ler o manual de instruções de cada engrenagem e mola para ver o que ela deve fazer. Neste caso, a "máquina" era o órgão genital em desenvolvimento, e os "manuais de instruções" eram os genes ativos dentro de cada célula. Eles processaram milhares de células de ambas as espécies de moscas, filtrando o ruído para se focarem apenas nas células que estavam a construir as camadas superficiais do órgão. Isto permitiu-lhes agrupar as células com base na parte do órgão que estavam a construir, como as pinças, as placas laterais ou o lobo posterior — a estrutura específica que difere tão dramaticamente entre as duas espécies.

Os mapas resultantes mostraram que as células em ambas as espécies eram surpreendentemente semelhantes na sua identidade geral. Uma célula a construir uma pinça numa espécie era muito parecida com uma célula a construir uma pinça na outra. No entanto, quando os investigadores compararam os genes específicos ativos no lobo posterior, encontraram centenas de diferenças. Alguns genes estavam ligados com muito mais força numa espécie, enquanto outros estavam ativos em padrões diferentes. Isto sugeriu que a diferença de forma não era causada por um único gene de "interruptor mestre", mas sim por uma mudança complexa na atividade de muitos genes a trabalhar em conjunto. Para descobrir quais destes genes realmente importavam, os investigadores realizaram um teste sistemático. Eles desligaram, ou silenciaram, 54 genes candidatos diferentes, um por um, nas moscas em desenvolvimento, e observaram o que acontecia à forma final do órgão.

Os resultados foram reveladores. Silenciar certos genes fez com que o lobo posterior encolhesse, enquanto outros o fizeram crescer demasiado ou mudar de forma inteiramente. Dois caminhos específicos destacaram-se como críticos. O primeiro envolveu um sistema de sinalização conhecido como BMP, que atua como uma rede de comunicação, dizendo às células o que devem tornar-se. Os investigadores descobriram que este sinal estava ativo numa área maior e em níveis mais elevados na espécie com o órgão maior. Quando reduziram este sinal, o órgão não se formou adequadamente, sugerindo que a força e o alcance deste sinal ajudam a determinar quantas células são recrutadas para construir a estrutura. A segunda descoberta fundamental envolveu um grupo de proteínas chamadas proteínas de domínio ZP. Estas proteínas encontram-se na matriz extracelular, um material em forma de malha que envolve as células e lhes dá a forma. Os investigadores descobriram que duas proteínas específicas deste grupo, chamadas Mey e Nyo, eram essenciais para que as células se esticassem e se alongassem. Quando estas proteínas foram removidas, as células não conseguiram manter a sua ligação à malha circundante, e o órgão permaneceu curto e rechonchudo em vez de crescer longo e elegante.

O estudo sugere que a evolução destas formas complexas acontece através de uma combinação de duas mudanças simples. Primeiro, a espécie com o órgão maior ativa um sinal de crescimento numa área mais ampla, recrutando mais células para o projeto. Segundo, produz mais das proteínas estruturais que permitem que essas células se estiquem e se alonguem. É um processo de ajuste fino, em vez de reinvenção. Os investigadores não encontraram um único gene que fosse responsável por toda a diferença; em vez disso, descobriram que a forma é o resultado de muitos pequenos ajustes na forma como as células comunicam e como se ligam ao seu ambiente. Esta abordagem de olhar para células individuais, em vez do tecido completo, proporcionou uma clareza que era anteriormente impossível, mostrando exatamente onde e quando os caminhos de desenvolvimento das duas espécies divergem.

Ao ligar estas diferenças genéticas ao comportamento físico das células, os investigadores forneceram um exemplo claro de como a evolução pode remodelar uma parte do corpo. Eles mostraram que a diferença dramática entre um pequeno gancho e uma grande concha é construída sobre uma base de programas de desenvolvimento conservados que são ajustados de formas específicas. O trabalho estabelece um novo quadro para compreender como as formas complexas evoluem, indo além de simples listas de genes para uma imagem dinâmica do comportamento celular. Demonstra que, ao combinar mapas genéticos de alta resolução com testes diretos da função dos genes, os cientistas podem agora traçar o caminho de uma mudança num gene para uma mudança na forma de um animal. Este método oferece uma forma poderosa de decifrar as instruções genéticas que constroem a incrível diversidade da vida, uma célula de cada vez.