Em formação

Estruturação de células evolutivas

Estruturação de células evolutivas



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Sou um novato total quando se trata de biologia e, na verdade, estou apenas procurando uma resposta para uma pergunta que me foi feita por pessoas que negam a evolução com veemência.

A evolução determina que passamos de organismos simples e unicelulares a organismos multicelulares complexos. Se considerarmos a mão, por exemplo, a mão é composta de várias células. Essas células são criadas de acordo com o DNA, que funciona como um manual de instruções em nível de célula.

Onde estão as "instruções" para para onde vão essas células? Ou seja, onde estão as instruções que afirmam que várias células devem se alinhar em uma estrutura de apêndice fina e longa para formar um dedo ou mão.

Essa não é uma pergunta particularmente difícil, eu imagino. Se já foi perguntado antes, desculpe. Não conheço nenhuma terminologia técnica; isso é apenas algo que eu gostaria de aprender.


O principal princípio de governo é muito simples e um dos mecanismos mais elegantes da biologia. É baseado em gradientes de concentração.

Resumidamente, certas células secretam moléculas de sinalização (chamadas morfógenos) que são detectadas por outras células. Essas moléculas então ativam a transcrição de genes nas células-alvo. Como as moléculas em questão são produzidas por um subconjunto de células, sua concentração varia de acordo com a distância entre a célula receptora e as células produtoras. Diferentes concentrações de moléculas de sinalização têm diferentes efeitos e isso permite a formação de padrões realmente bastante complexos.

Isso pode ser muito bem ilustrado usando o clássico modelo de bandeira francesa de Wolpert:

Assim, diferentes limiares de concentração do morfogênio resultam em diferentes padrões de expressão gênica. Este sistema simples pode fornecer resultados extremamente complexos (como você, por exemplo). Fica mais complexo quando há vários morfógenos agindo em conjunto. Digamos que o morfogênio1 seja produzido pelas células à esquerda e o morfogênio2 pelas células à direita, as células do meio terão concentrações variáveis ​​de ambos os morfogênios e reagirão de acordo:

Praticamente toda formação de padrão durante o desenvolvimento se reduz a concentrações diferenciais de moléculas de morfogênio em difusão; é realmente um exemplo maravilhoso de como sistemas simples podem dar origem a resultados extremamente complexos.


Em uma nota não relacionada, isso não tem absolutamente nada a ver com evolução. Pelo menos não mais do que qualquer outro processo biológico. Se seus amigos não aceitam a evolução, não vejo como eles podem usar isso como um argumento. Mesmo que um deus tenha criado a humanidade à sua imagem, como essas pessoas tendem a acreditar, os bebês ainda nascem e se desenvolvem no útero. Pelo que eu sei, mesmo os cristãos mais fundamentalistas não acreditam em um deus mecânico que coloca bebês juntos no útero a partir de algum tipo de kit IKEA. Mesmo que os humanos tenham surgido totalmente formados das mãos desse deus, os bebês individuais ainda são formados por células múltiplas. Há, portanto, a necessidade de um mecanismo que possa coordenar esse processo, se esse mecanismo evoluiu ou foi desenhado é irrelevante, ele ainda está lá e extremamente facilmente observável (imagens tiradas daqui):

A imagem acima mostra os locais e as concentrações de vários morfógenos em um embrião de mosca-das-frutas. Você pode ver os gradientes de concentração claramente.


Estrutura, evolução e reparo do genoma

O corpo docente do CMB estuda genomas de muitas perspectivas, incluindo epigenética, telômeros, replicação, regulação da transcrição, dano, reparo e evolução.

Faculdade

J Lucas Argueso
Professor Associado (Ciências Ambientais e de Saúde Radiológica)
Mecanismos moleculares de variação do número de cópias (CNV) e outros rearranjos cromossômicos. Genômica de cepas de leveduras industriais

Susan M. Bailey
Professor (Ciências Ambientais e Radiologia da Saúde)
Papel dos telômeros disfuncionais na tumorigênese. NASA Twins Study.

Jennifer G. DeLuca
Professor (Bioquímica e Biologia Molecular)
Mecanismos de segregação cromossômica mitótica.

Kim Hoke
Professor Associado (Biologia)
Mecanismos para evolução convergente de traços comportamentais e morfológicos

Tom LaRocca
Professor assistente (saúde e ciências do exercício)
Mecanismos biológicos de healthspan, incluindo proteoma, genoma e homeostase de RNA e seus efeitos na função do organismo e na saúde do cérebro.

Tom santangelo
Professor Associado (Bioquímica e Biologia Molecular)
Transcrição de arquea e cromatina

Dan Sloan
Professor Associado (Biologia)
Forças evolutivas que moldam as interações cito & # 8211 nuclear no nível do genoma.
.

Mark Stenglein
Professor assistente (Microbiologia, Imunologia e Patologia)
Virology. Biologia Computacional. Bioinformática. Genômica. Descoberta de vírus. Evolução do vírus.

Claudia Wiese
Professor assistente (Ciências Ambientais e Radiológicas da Saúde)
Mecanismos moleculares de reparo do DNA, integridade do genoma e prevenção do câncer.

Corpo Docente Afiliado

Robert Cohen
Professor (Bioquímica e Biologia Molecular)
Ubiquitilação de histonas e remodelação da cromatina

Jeff Hansen
Professor (Bioquímica e Biologia Molecular)
Estrutura da cromatina de ordem superior e proteínas arquitetônicas da cromatina.

Shing Ho
Professor (Bioquímica e Biologia Molecular)
Estruturas e ginástica estrutural associadas às funções dos ácidos nucleicos. Ligações de halogênio para bioengenharia e design racional de medicamentos.

Laurie Stargell
Professor (Bioquímica e Biologia Molecular)
Transcrição de RNA polimerase II e contexto de cromatina em S. cerevisiae.

Mike Weil
Professor (Ciências Ambientais e Radiológicas da Saúde)
Mutação genética por radiação

Curso

  • BSPM 575 Evolução Molecular e Genômica
  • BZ 460 Evolução do Genoma
  • BZ 575 Evolução Molecular e Genômica

Instalações e recursos de amp

Alunos CMB

Joseph Stewart (DeLuca Lab)
(PhD, Coorte 2019)
LinkedIn

Amy Hodges (DeLuca Lab)

Jared Luxton (Bailey Lab)
Bolsista de Biologia do Câncer e Oncologia Comparativa no verão de 2019
LinkedIn

Sere Williams (Santangelo Lab)
(PhD, Coorte 2019)
qCMB T32 Fellow 2020 & # 8211 21
AAAS Mass Media Fellow 2020
GAUSSI Fellow 2018-2019
LinkedIn
AAAS MMF

Sean Merriman (Argueso Lab)
qCMB T32 Fellow 2019 & # 8211 20
LinkedIn

Kristin Scott (Santangelo Lab)
GAANN Teaching Fellow 2018 & # 8211 19
qCMB T32 Fellow 2019 & # 8211 20
LinkedIn

Platon Selemenakis (Wiese Lab)
LinkedIn

Alissa Williams (Sloan Lab)
GAANN Teaching Fellow 2016
NSF & # 8211 GRFP Fellow 2017 & # 8211 18
qCMB T32 Pre & # 8211 Doctoral Fellow 2019
LinkedIn

Ex-alunos

Taghreed Al Turki (Bailey Lab)
Pós-doutorado na UNC Lineberger no laboratório Griffith.

Elena Pires (Wiese Lab)
Concluindo DVM na Colorado State University

Hailey Sedam (PhD 2018, Argueso Lab) -Cientista de Genômica Clínica da Myriad Women & # 8217s Health

Nadia Sampaio (PhD 2018, Argueso Lab) & # 8211 Pesquisador Cientista do Laboratório Nacional de Biorrenováveis ​​do Brasil

Kate Rockenbach (MS 2017, Sloan Lab) & # 8211 Research Assistant at Anheuser & # 8211 Busch InBev

Miles McKenna (PhD 2017, Bailey Lab) e # 8211 Bioscience Specialist at Nikon Instruments

Christopher Nelson (PhD 2017, Bailey Lab) & # 8211 Post & # 8211 doctoral Fellow Children & # 8217s Medical Institute, Sydney, Austrália

Publicações

Translocações Cromossômicas, Inversões e Comprimento do Telômero para Biodosimetria Retrospectiva em Veteranos Atômicos Expostos dos EUA. McKenna MJ, Robinson E, Taylor L, Tompkins C, Cornforth MN, Simon SL, Bailey SM. Radiat Res. 2019 191 (4): 311-322.

Ambas as atividades de remoção de R-loop e de reparo por excisão de ribonucleotídeo de RNase H2 contribuem substancialmente para a estabilidade do cromossomo. Cornelio DA, Sedam HN, Ferrarezi JA, Sampaio NM, Argueso JL. Reparo de DNA (Amst). 2017 52: 110-114

Um estudo de caso de instabilidade genômica em uma cepa industrial de Saccharomyces cerevisiae. Rodrigues-Prause A, Sampaio NMV, Gurol TM, Aguirre GM, Sedam HNC, Chapman MJ, Malc EP, Ajith VP, Chakraborty P, Tizei PA, Pereira GAG, Mieczkowski PA, Nishant KT, Argueso JL. G3 (Betesda). 2018 8 (11): 3703-3713.

Conflito Mitonuclear egoísta. Havird JC, Forsythe ES, Williams AM, Werren JH, Dowling DK, Sloan DB. Curr Biol. 2019 29 (11): R496-R511.

Variação extrema nas taxas de evolução no complexo de protease Clp de plastídio. Williams AM, Friso G, van Wijk KJ, Sloan DB. Plant J. 2019 98: 243-259.

Integração e coevolução cito-nuclear. Sloan DB, Warren JM, Williams AM, Wu Z, Abdel-Ghany SE, Chicco AJ, Havird JC. Nat Rev Genet. 2018 19 (10): 635-648.


Estrutura e função celular especializadas: respiração celular

A respiração celular coleta a energia criada durante a fotossíntese por meio de uma série de reações bioquímicas:

Bionote

Historicamente, acredita-se que a glicólise foi o primeiro método de geração de energia por organismos da Terra primitiva devido à disponibilidade de glicose e à falta de um ambiente de oxigênio.

Glicolise

As células coletam a energia contida nas ligações químicas da glicose em uma série de reações passo a passo muito controladas que liberam pequenas quantidades de energia durante cada reação bioquímica. Glicolise é a primeira etapa da respiração celular, onde uma molécula de glicose é dividida para liberar energia.

O processo de glicólise é uma reação de quatro etapas controlada por enzimas que ocorre no citoplasma das células:

  1. A energia é necessária para iniciar o processo, portanto, uma molécula de glicose aceita dois grupos de fosfato de alta energia de duas moléculas de ATP.
  2. A molécula intermediária resultante se divide imediatamente em duas moléculas de três carbonos chamadas PGAL, cada uma contendo um grupo fosfato de alta energia.
  3. Um segundo grupo de fosfato de alta energia é adicionado à molécula PGAL de três carbonos e duas moléculas de NADH são produzidas.
  4. Finalmente, as moléculas PGAL de três carbonos doam seu fosfato de alta energia para criar ATP e as formas de piruvato de três carbonos como produtos finais.

Consulte a ilustração Glicolise para ver a ação dos compostos intermediários e das moléculas de energia.

Os grupos fosfato de alta energia adicionados nas etapas 1 e 3 são removidos na etapa 4 para criar quatro ATP (dois da etapa 1 e dois da etapa 3) a partir de quatro ADP. Como duas moléculas de ATP foram necessárias para iniciar a glicólise e quatro foram produzidas na etapa final, o ganho líquido é de duas moléculas de ATP. Embora o ATP seja produzido, a glicólise não produz energia suficiente para sustentar seus ciclos de vida para formas de vida complexas. Portanto, o objetivo principal da glicólise é produzir elétrons de alta energia para uso na cadeia de transporte de elétrons. O produto final, piruvato ou ácido pirúvico, ainda contém energia que pode ser colhida de duas maneiras, dependendo da disponibilidade de oxigênio.

Ciclo de Krebs

Se o oxigênio estiver presente, o piruvato sofre respiração aeróbica, que consiste em duas partes: o ciclo de Kreb (também conhecido como ciclo do ácido cítrico) e a cadeia de transporte de elétrons. Após a glicólise, o piruvato se move do citoplasma para a mitocôndria e reage com uma coenzima para criar a molécula de dois carbonos, acetil coenzima A (acetil CoA) ao perder uma molécula de dióxido de carbono. Nove reações controladas por enzimas são condensadas e apresentadas nas cinco etapas a seguir:

  1. O acetil CoA doa o grupo acetil de dois carbonos a um composto intermediário de quatro carbonos, o ácido oxaloacético, para criar a molécula de ácido cítrico de seis carbonos.
  2. Os elétrons de alta energia são oxidados para criar a molécula NADH rica em energia quando o composto de seis carbonos perde uma molécula de dióxido de carbono para se tornar uma molécula de cinco carbonos.
  3. Uma segunda molécula de NADH e uma molécula de ATP são produzidas quando outra molécula de dióxido de carbono é liberada da molécula de cinco carbonos, que então se degrada em uma nova molécula de quatro carbonos.
  4. A molécula de quatro carbonos é ainda mais oxidada para transferir elétrons de alta energia para criar o composto de alta energia, FADH2e mais NADH.
  5. As enzimas reorganizam a ligação dentro da molécula de quatro carbonos para se tornarem ácido oxaloacético, que se combina com a acetil CoA para reiniciar o ciclo de Kreb.

Consulte a ilustração Ciclo de Krebs para ver a quebra das moléculas que contêm energia.

Em resumo, o ciclo de Kreb remove as moléculas de dióxido de carbono da glicose em etapas para liberar energia, mas, como a glicólise, o objetivo principal é criar os transportadores de elétrons de alta energia NADH e FADH2. O dióxido de carbono expelido no processo é um produto residual e deve ser removido do sistema. Por exemplo, é por isso que você expira.

Biotermos

o cadeia de transporte de elétrons é uma série de moléculas chamadas citocromos e enzimas associadas que passam elétrons de alta energia de molécula para molécula, removendo energia em um mecanismo gradual. O último aceptor do elétron agora esgotado é o oxigênio, que então se combina com o excesso de íons de hidrogênio do citoplasma para criar água. É por isso que você inspira.

O ciclo de Kreb produz 10 moléculas de ATP e gera as moléculas de energia NADH e FADH2, que são colhidos mais tarde no cadeia de transporte de elétrons.

Na conclusão do ciclo de Kreb, a molécula original de glicose está completamente oxidada, então a maior parte da energia agora reside nos elétrons de alta energia removidos das ligações carbono-carbono e carbono-hidrogênio que criaram os portadores de elétrons NADH e FADH2. Os elétrons de alta energia contidos em NADH e FADH2 são doados às moléculas aceitadoras de elétrons localizadas nas longas dobras de cristas na membrana interna da mitocôndria. Eles iniciam o processo de formação de ATP na cadeia de transporte de elétrons.

Cadeia de transporte de elétrons

A cadeia de transporte de elétrons é onde a maior parte da energia é liberada na respiração celular. O mecanismo da cadeia de transporte de elétrons pode ser descrito em cinco etapas:

  1. Elétrons de alta energia de NADH e FADH2 entram na cadeia de transporte de elétrons e são passados ​​de molécula para molécula, perdendo energia de maneira controlada por etapas.
  2. A energia perdida dos elétrons é usada para bombear íons de hidrogênio do compartimento mitocondrial interno para o compartimento mitocondrial externo através da membrana mitocondrial. Isso cria uma área de alta concentração de íons de hidrogênio em um lado da membrana mitocondrial e uma baixa concentração de íons de hidrogênio no outro lado da membrana. O resultado é um gradiente de concentração através da membrana interna, criando uma fonte de energia potencial, que é novamente comparável à energia potencial da água retida por uma barragem gigante.
  3. O gradiente de concentração é usado como uma fonte de energia potencial para conduzir o quimiosmótico síntese de ATP.
  4. Uma proteína transportadora ajuda os íons de hidrogênio a se difundirem através de uma abertura de proteína de canal na membrana. À medida que os íons de hidrogênio se difundem da área de alta concentração para a área de baixa concentração, a proteína transportadora aproveita a energia cinética do íon de hidrogênio para adicionar um grupo fosfato de alta energia ao ADP formando ATP, com a ajuda da enzima ATP sintetase.
  5. O elétron de alta energia é passado ao longo da cadeia de transporte de elétrons até que o excesso de energia seja removido e, em seguida, é combinado com o excesso de íons de hidrogênio e oxigênio para formar água, que então se torna um resíduo e deve ser removida do sistema. Por exemplo, é por isso que você urina.

Em resumo, a oxidação da glicose é aproximadamente 37% eficiente e produz toda a energia necessária para quase todos os tipos de células. A respiração aeróbica completa de 1 molécula de glicose cria um rendimento máximo de 36 moléculas de ATP, como segue:

  • Glicólise = 4 moléculas de ATP
  • Ciclo de Kreb = 10 ATP
  • Cadeia de transporte de elétrons = 22 ATP

Fermentação

Se o oxigênio não estiver presente após a glicólise, a cadeia de transporte de elétrons não pode operar porque não há oxigênio presente para servir como o aceptor final de elétrons. Assim, o piruvato é convertido por certas células especializadas em outros compostos em um processo chamado fermentação. A fermentação não produz ATP adicional, mas regenera NAD +, que pode então participar da glicólise para produzir mais ATP. O NADH é convertido em NAD + adicionando o elétron de alta energia extra do NADH a uma molécula orgânica intermediária. O total combinado de glicólise e fermentação produz 2 moléculas de ATP para cada glicose, em comparação com 36 ATP via respiração aeróbia. Embora existam várias vias de fermentação, as duas mais comuns produzem ácido lático e etanol.

Na enzima catalisada ácido lático fermentação, o piruvato de três carbonos é rearranjado na molécula de lactato de três carbonos, também conhecido como ácido lático. No processo, o NADH é oxidado a NAD +, que fica então disponível para uso na glicólise, enquanto o piruvato é reduzido a lactato. Esse processo é familiar para os atletas porque o acúmulo excessivo de ácido láctico devido ao exercício anaeróbico (não recebendo oxigênio suficiente) causa áreas doloridas nos músculos afetados.

A fermentação do álcool produz etanol, também conhecido como álcool etílico, o componente alcoólico das bebidas alcoólicas para adultos. Esse processo de dois estágios começa quando o piruvato perde uma molécula de dióxido de carbono para se tornar uma molécula intermediária de dois carbonos. Na Etapa 2, os íons de hidrogênio do NADH são adicionados para criar álcool etílico e regenerar o NAD +.


Resultados e discussão

Saliências extracelulares surgiram para facilitar a troca de material com o ambiente externo

Tomamos como ponto de partida uma célula procariótica semelhante a um 'eócito' [48], um nome informal que passou a se referir a um membro do filo archaeal Crenarchaeota, Thaumarchaeota e Korarchaeota [49]. Os eócitos geralmente têm uma única membrana de bicamada lipídica e uma parede celular simples (camada S) rica em proteínas N-glicosiladas [50]. Eles também têm um citoesqueleto relativamente bem desenvolvido que inclui homólogos de actina e tubulina [51] - [53] e a proteína ESCRTIII de manipulação de membrana [54] - [58].

Estudos filogenéticos recentes tendem a apoiar a 'hipótese dos eócitos', que sustenta que os eócitos estão mais intimamente relacionados com os eucariotos do que com o euriarqueote Archaea [26], [27], [48], [59], [60], embora esta conclusão é contestada [61]. Embora a hipótese de dentro para fora não seja formalmente dependente da veracidade da hipótese do eócito, como mostramos a seguir, a hipótese do eócito representa um desafio significativo para qualquer hipótese de fora para dentro proposta até o momento.

No modelo de dentro para fora, o pré-eucarioto desenvolveu saliências para fora (Figura 1A, B).Muitos Archaea, incluindo alguns eócitos [11], [13], [62], exibem tais estruturas [9] - [14], [62], mas raramente são vistos em bactérias [54], [63]. Em quase todos os casos em que as imagens são nítidas, as saliências são delimitadas por uma camada S. Em algumas Archaea vivas, foi inferido que ESCRTIII pinça as saliências para produzir vesículas de membrana extracelular [54], [55]. No entanto, se a cisão fosse suprimida, protuberâncias de vida longa poderiam ser formadas.

As saliências estáveis ​​formadas pela supressão da cisão teriam aumentado a razão superfície-volume da célula hospedeira. A ideia de que um eócito pode produzir protrusões extracelulares como meio de aumentar sua área de superfície é justificada pela observação de que a formação de protrusões é estimulada no crenarqueote. Stettaria hydrogenophila em resposta a reduções na concentração de enxofre extracelular [9]. Além disso, Archaea com protrusões associadas a contatos célula-célula foram vistos em comunidades microbianas mistas em biofilmes [12].

O valor seletivo potencial das protuberâncias extracelulares também é ilustrado por vários grupos eucarióticos vivos, como foraminíferos e radiolários, que têm um corpo celular central encerrado em um teste rígido que possui poros através dos quais as protuberâncias se projetam. Esse arranjo permite que as células interajam direta e dinamicamente com o ambiente externo, enquanto retêm seu material genético em uma fortaleza protetora. Esses filos são ecologicamente bem-sucedidos, com muitos milhares de espécies vivas e extintas [64]. A rápida radiação de foraminíferos no Cambriano, não muito depois da evolução dos testes rígidos [65], torna claras as vantagens potenciais de uma célula aumentar sua área de superfície enquanto retém sua cromatina em um compartimento interno protetor. Além disso, é digno de nota que em alguns subgrupos rizarianos, os pseudópodes se fundem uns com os outros para gerar um compartimento extra-testal que é vagamente análogo a um citoplasma contínuo que se forma por meio da fusão de bolhas extracelulares.

A maquinaria molecular subjacente à formação de saliências estáveis

Atualmente, pouco se sabe sobre a biologia celular das protrusões arqueadas. Especificamente, não está claro como as saliências são formadas e estabilizadas. Isso poderia ser alcançado através da ação de proteínas no colo de protrusão, por um citoesqueleto interno, por mudanças estruturais na camada S (por exemplo, enfraquecimento local), por mudanças nas conexões entre a camada S e as proteínas citoplasmáticas, e / ou por mudanças na pressão osmótica. A forma como as células geram saliências estáveis ​​é importante para o modelo, pois corresponde à primeira etapa da evolução do citoplasma (Figura 1).

Especulamos que a curvatura positiva na base da protrusão foi primeiro estabilizada por proteínas contendo domínios de hélice β de sete lâminas homólogas às proteínas do tipo Coat Protein II (COPII) que formam o anel externo do complexo de poro nuclear (NPC) (Figuras 1B, C). Muitas proteínas com domínios de hélice β de sete lâminas são encontradas em procariotos, incluindo algumas que estão localizadas na periferia de arquéias vivas [66]. Ainda não se sabe se estas ou outras proteínas de domínio de hélice β procarióticas são homólogos diretos de proteínas NPC. Proteínas semelhantes à COPII não se associam com as membranas diretamente, mas interagem com as membranas por meio de diversas proteínas de ligação à membrana [67], [68]. No entanto, eles desempenham um papel conservado na estabilização da curvatura da membrana positiva [69], tornando-os um candidato natural para ter um papel ancestral na estabilização das bases das protrusões extracelulares - uma localização celular que corresponde ao poro nuclear dos eucariotos modernos.

Exemplo de bactéria epibiótica associada a células de arquea. Imagem de dois Candidatus Giganthauma karukerense células rodeadas por ectossimbióticos γ-proteobactérias (reproduzidas com permissão de [84]).

Tem sido afirmado que homólogos de domínios α-solenóide, que ocorrem em muitas nucleoporinas, são comuns em procariotos e são acoplados a domínios β-hélice em algumas bactérias do PVC [70]. No entanto, estes parecem ser domínios de repetição em hélice α genéricos em vez de verdadeiros homólogos dos domínios de solenóide α da nucleoporina [71]. Portanto, na ausência de dados mais concretos, hipotetizamos que os domínios α-solenóide e β-hélice se reuniram em uma única proteína no ancestral eócito dos eucariotos e que essa proteína ancestral fundida deu origem, via duplicação gênica, ao nucleoporinas em anel do NPC moderno [72] - [74].

Modelo para a evolução de poros nucleares e bolhas citoplasmáticas. (UMA) As protuberâncias da membrana são formadas e se estendem através de orifícios na parede celular (camada S, mostrada em cinza) do ancestral eucarioto. As saliências podem inicialmente ter sido revestidas com uma camada em S que mais tarde foi perdida. Propomos que as protrusões ganham suporte estrutural em suas bases a partir de proteínas com domínios de hélice β de sete lâminas (homólogos de nucleoporinas e coatômeros de COPII), que estabilizam membranas curvas positivamente. Além disso, as bolhas podem ter sido estabilizadas por um citoesqueleto interno (vermelho), como aquele fornecido pelos microtúbulos nos flagelos modernos e por componentes de complexos LINC que conectam a membrana celular (e estruturas subjacentes) à camada S (cinza). (B) A propagação lateral da bolha é auxiliada pelo movimento das proteínas LINC para a membrana da bolha interna e pelo recrutamento de um segundo anel externo de proteínas de poros nucleares para estabilizar a curvatura positiva fora da parede celular.

Sob o modelo de dentro para fora, os componentes estruturais do poro nuclear constituíram a primeira inovação eucariótica, desempenhando um papel essencial em garantir a fixação estável de saliências extracelulares ao corpo celular. Essa hipótese leva a esperar que o anel externo do NPC seja a parte mais conservada do complexo - como é o caso [72]. Além disso, em linha com a ideia de que o complexo evoluiu para estabilizar protrusões de vida longa, as NPCs estão entre as proteínas mais estáveis ​​em células eucarióticas [75], [76].

Dentro dos eucariotos, agora há evidências abundantes de que os componentes estruturais do poro nuclear (por exemplo, Nup107) são homólogos às proteínas COPII que conduzem o brotamento das vesículas de endomembrana [40], [68], [69], [72], [ 74], [77], [78]. Eles até compartilham subunidades em comum (Seção 13/31) [79]. Isso levou Devos e colaboradores a propor a hipótese do protocoatômero [40], [80], que assume uma origem de fora para dentro do núcleo. Eles propuseram que uma proteína ancestral envolvida na manutenção da curvatura positiva em torno das vesículas e nas bordas das folhas ER sofreu duplicação do gene, e algumas cópias se tornaram especializadas para funcionar em poros nucleares - que são vistos como sendo topologicamente equivalentes às bordas das folhas ER.

No modelo de dentro para fora, essa mesma homologia é interpretada de forma diferente: proteínas cuja função original era estabilizar a curvatura positiva da membrana no poro nuclear foram posteriormente cooptadas para uma nova função na formação de vesículas. Para distinguir entre essas teorias, será importante em trabalhos futuros conduzir uma análise filogenética das proteínas COPII e NPC, enraizadas com sequências procarióticas apropriadas, para determinar se as árvores suportam melhor a interpretação de dentro para fora ou de protocoatômero.

Pressões seletivas para o crescimento da protrusão: uma associação cada vez mais íntima com protomitocôndrias simbióticas

Sugerimos que as protrusões externas evoluíram no proto-eucarioto original para facilitar a troca de recursos com bactérias ectossimbióticas que deram origem às mitocôndrias dos dias modernos. A presença de uma contribuição α-proteobacteriana significativa para todos os genomas eucarióticos, mesmo aqueles que não possuem mitocôndrias ou hidrogenossomas, mostra que uma associação próxima com as mitocôndrias evoluiu na linhagem do tronco eucariota [7], [8], [19], [30] , [42].

Várias bactérias modernas formam associações ectossimbióticas com hospedeiros específicos (para exemplos, consulte [81] - [83]), incluindo espécies de archaea. Um bom exemplo disso, ilustrado na Figura 2, é o archaeon Candidatus Giganthauma karukerense, cujas células aparecem revestidas com γ-proteobactérias epibióticas [84]. Isso ilustra a plausibilidade ecológica de progenitores de mitocôndrias serem bactérias ectossimbióticas que entraram em um mutualismo metabólico com o progenitor da célula hospedeira. Este tipo de associação seria aumentado por um aumento progressivo na área de superfície da célula hospedeira. Algo semelhante é visto no foraminífero Bolivina pacifica, que aumenta sua área de superfície de membrana em partes da célula que estão por trás dos ectossimbiontes procarióticos [85]. Assim, a seleção para um aumento na área de superfície disponível para troca metabólica com bactérias ectossimbióticas poderia ter conduzido a produção e proliferação de protrusões extracelulares.

A natureza da troca de material entre o hospedeiro eucariótico e a proto-mitocôndria tem sido uma questão de debate [23], [24], [44], [45]. As possibilidades incluem hidrogênio, enxofre, sulfeto de hidrogênio, ácidos orgânicos e ATP. É importante notar que o modelo de dentro para fora é consistente com a 'hipótese do hidrogênio' bioquímica e ecológica [45], [86], exceto que, ao identificar os eócitos como o hospedeiro mais provável, um metabolismo metanogênico do hospedeiro parece improvável. No entanto, a ideia de que a transferência eficiente entre protomitocôndrias e um archaeon simbiótico selecionado para uma área de superfície crescente de contato é compartilhada pelas hipóteses de hidrogênio e de dentro para fora.

Os dados atuais sugerem que as mitocôndrias estão mais intimamente relacionadas às α-proteobactérias [33]. Normalmente, as análises identificaram as mitocôndrias como parentes muito próximos de Rickettsiales [87], [88], um grupo de parasitas intracelulares de eucariotos que cooptam a maquinaria fagocítica da célula hospedeira para entrar nas células em vacúolos alimentares e, em seguida, entrar no citoplasma adequado por lise da membrana de vacúolo alimentar [87]. O fato de que as Rickettsiales vivem dentro de células eucarióticas e, portanto, tiveram muitas oportunidades de experimentar a troca de genes com as mitocôndrias, combinado com o fato de que as mitocôndrias e as Rickettsiales têm um conteúdo de GC muito baixo em comparação com outras α-proteobactérias, significa que as relações estreitas aparentes de esses dois grupos podem ser artefatos [33]. No entanto, mesmo que as mitocôndrias sejam eventualmente confirmadas como parentes próximos de Rickettsiales, pelos motivos discutidos abaixo não consideramos provável que o ancestral da mitocôndria tenha entrado em seu hospedeiro proto-eucariótico por fagocitose. Em vez disso, propomos que as mitocôndrias são derivadas de ectossimbiontes, e que as capacidades endoparasitárias de Rickettsiales evoluíram mais tarde.

A troca de material com uma comunidade bacteriana epibiótica mutualística teria favorecido a perda das protrusões sobrepostas da camada S e a expansão lateral das protrusões em bolhas maiores, aumentando o volume celular e a área de superfície (Figura 1B-D). Tal expansão teria prendido populações de bactérias entre as dobras de bolhas adjacentes e a parede celular subjacente (Figura 1C, D). Isso teria garantido contatos próximos sustentados entre o citoplasma do hospedeiro e a protomitocôndria, aumentando a probabilidade de herança vertical protomitocondrial e ajudando a excluir micróbios parasitas.

Em algum ponto, antes ou depois da elaboração adicional do compartimento citoplasmático (Figura 1E, F), as mitocôndrias se moveram para o citoplasma ao penetrar na membrana ER. Isso parece plausível, uma vez que as bactérias rickettsial, que são freqüentemente encontradas dentro do RE e Golgi de eucariotos modernos [89], ganham entrada no citoplasma adequado por lise da membrana confinante da célula hospedeira [87]. É impressionante sob esta luz que as mitocôndrias nos eucariotos modernos retêm ligações metabólicas, físicas e regulatórias com o ER [90]. Descobriu-se que o ER desempenha um papel crítico na fissão mitocondrial [91], [92].

A expansão de protrusões extracelulares e a geração de um retículo endoplasmático incipiente e espaço perinuclear

O grau de expansão das saliências da membrana além da camada S teria dependido da pressão osmótica relativa da célula e de seu ambiente, e da sofisticação da osmorregulação. Enquanto os dados sobre osmorregulação em Archaea permanecem esparsos [93], [94], é digno de nota que muitas células de archaea vivem em condições de osmólitos externos elevados, onde o adelgaçamento ou perda da camada S não causaria o estouro das células. Thermoplasma, por exemplo, parece carecer totalmente de uma parede celular [95].

Propomos que com o crescimento progressivo do compartimento externo (citoplasmático), bolhas adjacentes pressionadas umas contra as outras para gerar uma rede contínua de criptas inter-bolhas, homólogas ao lúmen do envelope nuclear e ao ER de eucariotos modernos (Figura 1D) . Isso forneceria uma explicação simples para a continuidade do ER e do envelope nuclear, uma característica comum a todos os eucariotos [96] (mesmo dentro do contexto de sincícios gerados por divisão celular incompleta [97], [98]). Além disso, uma vez que a localização da parede celular archaeal rica em glicoproteínas original é topologicamente equivalente ao espaço perinuclear em eucariotos modernos, o modelo explica parcimoniosamente por que a via de glicosilação ligada a N, que opera no lúmen do envelope nuclear e ER para modificar proteínas destinadas à secreção, é homóloga àquela usada para modificar as proteínas da camada S em Archaea [99], [100].

A estabilização das bolhas teria sido facilitada pela evolução de um anel externo de nucleoporinas suportando uma segunda área de curvatura positiva do lado de fora da parede celular, dando origem à simetria parcial de dentro para fora do NPC (Figura 3). Além disso, o núcleo teria sido estabilizado pela cooptação de proteínas usadas para ancorar a membrana celular à superfície interna da camada S. No modelo, isso teria dado origem a complexos LINC [101], [102]. Em vertebrados, onde a estrutura do envelope nuclear é melhor compreendida, os principais componentes dos complexos LINC são proteínas de domínio SUN no lado nucleoplasmático e proteínas de domínio KASH no lado citoplasmático [101] - [103]. A torsina, que fica dentro do espaço perinuclear, interage com as proteínas do domínio SUN-KASH [102], [104], bem como outros ligantes [105], [106]. Essas proteínas funcionam juntas para garantir a integridade estrutural do envelope nuclear. Além disso, foi demonstrado que a Torsina desempenha um papel na formação da bolha nuclear durante a exportação de grânulos de proteína ribonuclear [107], [108] e no controle da morfologia do RE [109]. Algumas dessas funções são claramente antigas, dado que as proteínas do domínio SUN desempenham um papel semelhante nos núcleos das plantas [110], [111].

No modelo de dentro para fora, parece provável que os complexos LINC descendam das glicoproteínas da camada S de arquea. Portanto, é digno de nota que muitos componentes perinucleares dos complexos LINC são N-glicosilados. Especulamos ainda que os LINCs funcionavam originalmente para conectar a membrana plasmática arquea (e talvez o citoesqueleto) à camada S. Mais tarde, seguindo o crescimento das bolhas citoplasmáticas, é fácil imaginar como a duplicação de genes e o recrutamento de novas proteínas poderiam ter conectado as membranas internas de cada bolha aos restos da camada S para criar um lúmen perinuclear e um envelope nuclear duplo. Embora este cenário seja atraente, muito do que sabemos sobre a estrutura do envelope nuclear vem de sistemas animais, e a identidade de homólogos potenciais em arquéias permanece desconhecida. A torsina, por exemplo, é membro de uma subfamília específica de animais AAA + ATPases [112] e, portanto, pode não ser um bom candidato para uma proteína ancestral da camada S cooptada para ajudar a gerar um envelope nuclear. Em contraste, as proteínas do domínio SUN são encontradas em todos os grupos eucarióticos e têm homologia estrutural com motivos de ligação a carboidratos [72], que também estão presentes em algumas proteínas arquea. Assim, será importante caracterizar os homólogos arqueaais mais próximos dessas proteínas de arcabouço do envelope nuclear para determinar se eles desempenham um papel na ancoragem da membrana plasmática à camada S, como previmos.

Uma mudança no metabolismo lipídico

A maioria dos lípidos estruturais dentro das membranas das células eucarióticas são bastante distintos dos lípidos arquea [113], [114]. Na verdade, eles têm muitas semelhanças com os encontrados em bactérias [115]. As membranas bacterianas e eucarióticas são compostas principalmente de ácidos graxos de cadeia linear ligados a éster e utilizam lipídios de glicerol-3-fosfato, enquanto as archaea têm ácidos graxos ligados a éter derivados de isoprenóides altamente ramificados em metil e utilizam uma estrutura de glicerol-1-fosfato [114]. Além disso, ambos os eucariotos e algumas bactérias, mas não as arquéias [116], produzem triterpenóides (por exemplo, hopanoides e esteróis) que ajudam a modular a fluidez da membrana. É digno de nota, portanto, que uma fração significativa de genes eucarióticos atribuídos a uma função no metabolismo e transporte de lipídios têm seus parentes procarióticos mais próximos em α-proteobactérias [33] - incluindo genes envolvidos na síntese de esteróis eucarióticos [116], [117]. Isso sugere fortemente que os eucariotos adquiriram seus lipídios semelhantes às bactérias da mitocôndria. Esta conclusão é reforçada sob a hipótese dos eócitos, que incorpora os eucariotos dentro da Archaea, implicando em uma mudança dramática e tardia da bioquímica arqueal para lipídios bacterianos.

Parece provável que a transferência de genes para a biossíntese de lipídios de protomitocôndrias para proto-eucariotos ocorreu antes do desenvolvimento de um elaborado sistema de tráfego de vesículas e fagocitose. Se este não fosse o caso, seria necessário postular que numerosas proteínas que evoluíram para manipular as membranas arqueadas toleraram a mudança em direção às membranas bacterianas, que têm propriedades químicas e biofísicas distintas [113], [118]. Embora seja possível imaginar algumas proteínas que interagem com a membrana, especialmente aquelas com modos simples de interação (como parece ser o caso de ESCRTIII [119]), sendo capazes de reter a funcionalidade durante uma transição de membranas arqueadas para bacterianas, pensamos que é provável que a maioria das máquinas de manipulação de membrana dos eucariotos surgiu depois de as membranas eram semelhantes às bactérias. Além disso, é difícil ver como processos como a fagocitose, que depende tanto de um grande tamanho de célula quanto de eventos dramáticos de remodelação da membrana com uso intensivo de energia, poderiam ter ocorrido em um proto-eucarioto arqueado sem mitocôndria [1].

A alegação de que a fagocitose evoluiu após a aquisição de mitocôndrias (como sugerido anteriormente [8]) pode ser ainda mais justificada pela consideração das propriedades físicas dos lípidos de arquea. As membranas arqueadas normalmente retêm suas propriedades físicas em uma ampla gama de temperaturas, enquanto as membranas bacterianas e eucarióticas são ajustadas para mantê-las próximas ao limite de transição de fase em temperaturas fisiológicas [118].A última propriedade é pensada para permitir a formação e dissolução de domínios lipídicos distintos, o que permite as deformações dinâmicas e reversíveis da membrana que são características das células eucarióticas [120]. Essas considerações sustentam a ideia de que as propriedades físico-químicas das membranas bacterianas foram um precursor essencial para a evolução de mecanismos dinâmicos como a endocitose e a fagocitose.

Esses fatos são difíceis de conciliar com os modelos de fora para dentro, que normalmente veem a fagocitose como o meio pelo qual os proto-eucariotos estabelecem uma relação simbiótica estreita com a proto-mitocôndria. Em contraste, o modelo de dentro para fora implica que a simbiose surgiu pelo aprisionamento passivo de protomitocôndrias em espaços entre vesículas e não exigia maquinário complexo de manipulação de membrana, além da capacidade de gerar protrusões - uma característica comum em muitas arquéias dos dias modernos. .

Sob o modelo de dentro para fora, os lipídios estruturais presentes nos eucariotos modernos teriam sido adquiridos pela primeira vez das mitocôndrias via tráfego através de locais de contato ER-mitocondrial, que são conservados em eucariotos e aparentemente antigos [121]. Diante disso, há uma série de observações impressionantes. Primeiro, as mitocôndrias retêm um papel crítico no metabolismo dos ácidos graxos eucarióticos e na síntese de lipídios, gerando muitos de seus próprios lipídios, como a cardiolipina [113], [122]. Em segundo lugar, o ER é o principal local de síntese de lipídios e membrana em eucariotos modernos, com muitas das enzimas envolvidas encontradas concentradas em locais de contato ER-mitocondrial [123]. E terceiro, as conexões entre ER e mitocôndrias continuam a ser locais importantes de tráfego de lipídios em eucariotos modernos [124] - [126]. Assim, a organização espacial dos lipídios e da síntese de lipídios nas células modernas é fácil de entender sob o modelo de dentro para fora como um subproduto da evolução gradual de uma relação simbiótica entre o hospedeiro e as mitocôndrias (o local original da síntese de lipídios da endomembrana) situado nos espaços entre as bolhas citoplasmáticas.

Por um tempo, é provável que se formaram membranas que continham uma mistura de archaeal e lipídios bacterianos [127] antes de reduções graduais na contribuição da archaeal. O uso primário de apenas um tipo de lípido estrutural pode ter sido conduzido em parte pelas dificuldades de reconciliar as vias metabólicas que usam diferentes formas quirais do esqueleto do glicerol do lípido, com o ambiente mesofílico removendo qualquer benefício intrínseco dos lípidos ligados ao éter. Curiosamente, porém, as células eucarióticas modernas produzem alguns lipídios com ligações éter [128], [129], algumas das quais foram implicadas na geração de membranas mecanicamente rígidas durante a divisão celular [130]. Esses fatos levantam a possibilidade de que o uso de lipídios semelhantes a archaeon na divisão celular ajudaram o ESCRTIII a sobreviver à transição da biologia celular arqueana para a eucariótica.

Em contraste com os lipídios estruturais dos eucariotos, os lipídios inositol, que são onipresentes nos eucariotos, mas representam uma pequena fração dos lipídios totais nas membranas [125], são comuns aos eucariotos e arquéias, mas não às bactérias [131]. Isso implica que o metabolismo do inositol foi originalmente associado ao compartimento proto-nuclear, explicando assim porque os lipídios do inositol são ativamente importados para as mitocôndrias em vez de serem sintetizados lá [126], [132]. Isso também pode explicar o fato de que os lipídios de inositol e as enzimas que os geram são encontrados nos núcleos de eucariotos modernos - algo que há muito tempo deixa os pesquisadores da área perplexos [133], [134]. Em vez de um papel estrutural, os lipídios inositol são moléculas regulatórias importantes, modulando o crescimento celular [135], [136] e marcando a identidade do compartimento citoplasmático [137]. Isso é razoável no modelo de dentro para fora: derivados de inositol estiveram presentes ao longo da evolução eucariótica, permitindo que seus estados de fosforilação fossem implantados como sinais [135], [136] para facilitar o controle nuclear sobre um compartimento citoplasmático cada vez maior e elaborado.

O ciclo mitótico e a divisão celular no proto-eucariota

Apesar da presença de bolhas e protomitocôndrias nos estágios iniciais de sua evolução (Figura 1A-D), o proto eucarioto teria a mesma topologia do eócito ancestral. Ele reteve uma única membrana delimitadora contínua, embora fosse muito mais extensa e contorcida do que a dos ancestrais. Assim, neste estágio, não haveria distinção entre divisão nuclear e divisão celular. Além disso, a progressão do ciclo celular e a divisão celular provavelmente teriam sido reguladas de uma maneira semelhante à observada na Archaea moderna, e usando proteínas homólogas [58]. Da mesma forma, as proteínas que controlam a arquitetura cromossômica (histonas) e a replicação do DNA são de origem arquea [138].

Surpreendentemente, em muitas arquéias, o evento de cisão que completa a divisão celular é impulsionado pela ação do complexo ESCRTIII [56] - [58], assim como parece ser o caso em eucariotos [139]. Sob o modelo de dentro para fora, é relativamente fácil ver como a divisão celular poderia ter sido alcançada em uma célula proto-eucariótica inicial, mesmo uma que tinha ligações entre bolhas, usando maquinaria ESCRTIII pré-existente (Figura 4). Após a divisão, cada célula filha teria adquirido um subconjunto de bolhas associadas aos poros nucleares, com a superfície da célula nua sendo coberta pelo movimento dos poros e através da ação de complexos LINC [101], que anexariam membranas de bolha flanqueadoras ao exposto porção do proto-núcleo (Figura 4). No entanto, em um proto-eucariota com um compartimento citoplasmático bem desenvolvido, a divisão simples do compartimento nuclear não teria garantido uma segregação justa da massa celular entre as duas células-filhas. Após a perda da parede celular original, esse problema poderia ter sido resolvido pela evolução da mitose parcialmente aberta (Figura 4). Porque a membrana nuclear interna é topologicamente contínua com a membrana da bolha externa, isso teria exigido pouca inovação adicional, apenas a desmontagem parcial dos poros nucleares e complexos LINC como visto em algumas divisões de células eucarióticas [140]. Após a divisão, a fronteira citoplasmática nuclear teria sido restabelecida por meio da religação das membranas nucleares pelos componentes NPC e LINC associados ao cromossomo.

Modelo para a evolução da divisão celular. A divisão celular é representada para o eócito ancestral (UMA), e em dois estágios intermediários na evolução dos eucariotos, antes (B) ou depois (C) fusão da bolha. Após a aquisição de bolhas, ESCRTIII é usado para conduzir a cisão de pontes citoplasmáticas conectando células (provavelmente auxiliado pelo citoesqueleto de actina derivado de arquea [51]), enquanto os complexos LINC e a formação de novos poros nucleares restauram a organização celular e nuclear após a divisão. A segregação mitocondrial é provavelmente auxiliada pela cisão mediada por Dynamin induzida pelo hospedeiro dentro do retículo endoplasmático (não representado), conforme observado em eucariotos modernos [91].

A partir desse tipo de mitose, é fácil ver como a perda ou remodelação adicional dos complexos LINC poderia levar a uma perda mais completa do envelope nuclear associado à mitose totalmente "aberta". Sob esta luz, é importante notar que embora o início de uma mitose aberta seja freqüentemente referido como sendo desencadeado pela 'quebra' do envelope nuclear, este é um nome impróprio, porque na maioria dos eucariotos não há quebra da membrana. Em vez disso, há uma perda de identidade do compartimento à medida que os compartimentos nuclear e citoplasmático se misturam e as membranas nucleares se tornam indistinguíveis do RE citoplasmático [141] - [144]. Sob o modelo de dentro para fora, é fácil ver que a mitose aberta e fechada não são tão diferentes como geralmente se supõe, e imaginar as células alternando entre os modos aberto e fechado de mitose, modificando a extensão em que LINC e NPCs permanecem associados com o núcleo membranas durante a divisão celular. Isso oferece uma explicação para a ocorrência frequente de transições evolutivas entre esses dois modos de mitose [2], [145].

A diferenciação dos compartimentos nucleares e citoplasmáticos

No modelo de dentro para fora, o recrutamento de proteínas adicionais para o NPC permitiu o movimento controlado dos lipídios da membrana e o fluxo de material aquoso entre os compartimentos nuclear e de bolha (citoplasmático). Isso inclui o transporte regulado de mRNA e ribossomos [146], [147] para gerar domínios distintos de tradução de proteínas: nuclear e citoplasmática. Em tal situação, é fácil imaginar que pode ser benéfico que certas transcrições sejam traduzidas no domínio citoplasmático e que isso possa ter resultado na evolução dos mecanismos de direcionamento de algumas transcrições para transporte ao citoplasma e para prevenir sua prematuridade. tradução no núcleo. Especulamos que a formação do cap de mRNA e a poliadenilação evoluíram originalmente para este propósito: marcar certos transcritos para translocação através do poro nuclear e limitar a tradução intranuclear. É digno de nota que, em alguns sistemas, o processamento de mRNA [148], [149] e a exportação de mRNA [150] são regulados por fosfoinositol lipídeos que, como sugerido acima, podem ter tido um papel ancestral na coordenação do crescimento dos compartimentos nuclear e citoplasmático .

Por meio do transporte regulado de mRNA e proteínas entre os compartimentos nuclear e citoplasmático, teria se tornado possível separar os processos metabólicos centrais no citoplasma da replicação, transcrição e montagem de ribossomos do DNA no nucleoplasma. Isso teria limitado a exposição do genoma aos perigosos subprodutos do metabolismo (por exemplo, espécies reativas de oxigênio geradas nas mitocôndrias). Além disso, a separação da transcrição, processamento do RNA e tradução proporcionou mais controle sobre a expressão gênica, possibilitando, por exemplo, a evolução do splicing alternativo [151].

Primeiros passos na evolução da secreção eucariótica

No eócito ancestral, os complexos de partícula de reconhecimento de sinal (SRP) teriam conduzido a secreção de proteínas através da membrana plasmática para o meio ambiente. A partir deste ponto de partida, propomos que alguns complexos SRP, que são aparentemente de origem arquea ao invés de mitocondrial [152], tornaram-se concentrados nas membranas da bolha perto do corpo celular original. Isso fez com que a exportação de proteína mediada por ribossomo fosse direcionada para o lúmen perinuclear e o ER proximal, gerando assim ER rugoso. Este encanamento alterado teria limitado a exposição de proteínas recentemente secretadas ao ambiente e teria gerado um pool extracelular de proteína altamente concentrada que poderia ser submetida a modificações complexas antes de sua difusão para além da célula.

Embora existam poucos casos de glicosilação ligada a N em bactérias, as arquéias têm uma via de glicosilação de proteína ligada a N que tem muitas semelhanças com aquela observada em eucariotos e que opera para modificar proteínas secretadas e transmembrana [99], [153]. As glicosiltransferases que adicionam grupos de açúcar aos resíduos de asparagina nas proteínas arqueas secretadas estão intimamente relacionadas às enzimas eucarióticas equivalentes [100]. Esses dados suportam a ideia de que a maquinaria que governa a glicosilação de proteínas eucarióticas foi herdada de arquéias - onde a N-glicosilação parece contribuir para a integridade estrutural da camada S [50].

Sob o modelo de dentro para fora, a máquina de glicosilação estaria situada no espaço extracelular na base das bolhas citoplasmáticas no início da evolução dos eucariotos - equivalente ao lúmen do envelope nuclear e ER dos eucariotos modernos (ver Figura 1). Assim, o modelo fornece uma explicação simples para a origem do mecanismo que rege a glicosilação de proteínas, o local de glicosilação com células eucarióticas e sua função na secreção.

Estabelecendo continuidade citoplasmática no proto-eucarioto

O aumento no tamanho relativo do compartimento citoplasmático teria sido auxiliado pela evolução de um citoesqueleto citoplasmático cada vez mais sofisticado e pelo adelgaçamento ou perda de material residual da parede celular (Figura 1C). Além disso, como teria ocorrido por meio da expansão de bolhas citoplasmáticas, esse aumento na massa poderia ter sido alcançado sem uma grande mudança na relação superfície-volume.

Ao mesmo tempo, o crescimento de compartimentos citoplasmáticos individuais teria necessitado a evolução da maquinaria para gerar conexões entre bolhas adjacentes, a fim de integrar processos através dessas células grandes crescentes (por exemplo, facilitando a divisão celular precisa e polarização celular). Enquanto eventos de fusão de endomembrana topologicamente equivalentes não foram, até onde sabemos, estudados em eucariotos modernos, a presença de fenestras em Golgi [154] e ER [155] sugere a provável operação de tais mecanismos. Além disso, a transformação topológica necessária para ligar os compartimentos citoplasmáticos é idêntica à proposta para funcionar durante a inserção de poros nucleares em núcleos interfásicos (ver abaixo). Assim, é possível que as proteínas que geram fenestras ER e conexões bolha a bolha estejam relacionadas a Ndc1, POM121 e Gp120, que se acredita que facilitam a fusão das membranas nucleares interna e externa durante a inserção do poro nuclear [156]. É provável que esse tipo de atividade de fusão também tenha sido um pré-requisito para a evolução do sexo em eucariotos.

Formação da membrana plasmática

A inovação topológica final no modelo de dentro para fora foi a formação de uma única membrana plasmática contínua. O desenvolvimento de uma membrana plasmática distinta poderia ter sido alcançado por grandes bolhas envolvendo o resto da célula (Figura 1F). Neste caso, uma transformação topológica seria necessária para vedar o orifício tubular residual conectando o espaço entre bolhas ER ao ambiente externo. Isso poderia ser feito pela montagem de Dynamin ao redor da porção citoplasmática do tubo [157], o que levaria à cisão do tubo e à formação de uma membrana plasmática topologicamente distinta e uma rede ER interna isolada do ambiente. Dynamin estaria presente, provavelmente tendo sido adquirido de mitocôndrias [158]. Alternativamente, regiões periféricas do RE podem ter acumulado proteínas fusogênicas, semelhantes às envolvidas na fusão de gametas, que promoveu fusão promíscua de membranas de bolha distais. Mais uma vez, as conexões tubulares residuais entre o RE e a membrana plasmática podem ter sido rompidas pelo Dynamin.

Seguindo a geração de uma membrana plasmática topologicamente distinta, pensamos ser provável que as células em divisão precisassem de uma maneira de gerar a força necessária para colocar a membrana plasmática em um alinhamento favorável para a cisão subsequente mediada por ESCRTIII. Isso provavelmente teria levado à evolução de um anel de citocinese, talvez com base no citoesqueleto de actina arquea pré-existente [51], que tem sido implicado na citocinese. Assim, embora haja espaço para muita evolução subsequente nos mecanismos usados ​​para citocinese e cariocinese, nosso modelo prevê que os mecanismos moleculares da divisão celular e nuclear foram inicialmente muito semelhantes, como sugerido por dados em leveduras de fissão, onde uma via de fissão nuclear foi identificado e demonstrado ser dependente da actina [159].

Uma vez que os sistemas de divisão nuclear e celular estivessem instalados na presença de uma membrana plasmática, um grande desafio seria a coordenação espacial da cisão nuclear e da membrana plasmática. Aparentemente, as soluções para esse problema evoluíram várias vezes, a julgar pelos diversos modos de citocinese vistos em eucariotos modernos. Por exemplo, a levedura de brotamento, cujas células sofrem uma mitose fechada, resolve este problema posicionando o núcleo ao longo do pescoço do botão, um processo que torna ESCRTIII dispensável para divisão na maioria das condições [160]. Em contraste, os animais com mitose aberta podem usar a força gerada através do anel citocinético para ajudar a separar os remanescentes RE do envelope nuclear [142], [144].

Somente após a formação de uma membrana plasmática contínua os eucariotos seriam capazes de desenvolver as paredes celulares. Isso explica por que os eucariotos não têm camadas S. Além disso, se o último ancestral comum eucariótico não tinha parede, é fácil entender por que diferentes filos eucarióticos adquiriram paredes celulares bioquimicamente distintas.

A evolução tardia da membrana plasmática também sugere que não há razão para esperar que cada núcleo esteja contido em seu próprio compartimento delimitado pela membrana plasmática. Isso é ilustrado por eucariotos sinciciais, sejam gerados por divisão nuclear ou fusão célula-célula [15], [161] - [163], que contêm núcleos sem interação funcional com a membrana plasmática. Finalmente, porque a divisão celular completa não é necessária para os núcleos alcançarem identidades de desenvolvimento distintas sob o modelo de dentro para fora (na medida em que os núcleos naturalmente "controlam" um conjunto de bolhas associadas aos poros nucleares), é fácil ver como as transições entre sincicial e o desenvolvimento multicelular pode ser alcançado [162], [163]. Desta forma, as numerosas transições evolutivas entre a divisão completa e incompleta, por exemplo em artrópodes e embriogênese vegetal, são facilmente explicáveis.

A secreção regulada e o tráfego de vesículas impulsionaram a elaboração do compartimento citoplasmático

A presença de uma membrana plasmática teria dado à célula um controle mais rígido sobre a troca de material com o ambiente, evitando a difusão direta para dentro e para fora do espaço ER. Por exemplo, teria garantido a herança vertical das mitocôndrias - facilitando sua coevolução com o hospedeiro. É importante notar, entretanto, que sob o modelo uma membrana plasmática distinta não poderia ter sido mantida até que os sistemas de entrega e remoção da membrana já estivessem no lugar. Isso teria se baseado em modificações nas vias secretoras pré-existentes. Um cenário provável (Figura 5) é que a fusão transitória de túbulos ER e vesículas derivadas de ER com a membrana celular externa recém-formada contribuiu para a entrega e remoção da membrana nos estágios iniciais após a formação da membrana plasmática. Embora haja literatura antiga que apóia o fato de o RE ser contínuo com a membrana plasmática em alguns eucariotos [164], [165], isso ainda precisa ser reconfirmado. Posteriormente, a intercalação de etapas de modificação de carga entre o RE e a membrana delimitadora teria permitido uma melhor regulação da membrana plasmática, secreção e tráfego retrógrado.

A evolução gradual do tráfego de vesículas eucarióticas. Da esquerda para a direita, a figura representa uma hipótese simples para a evolução dos sistemas de secreção eucariótica e de tráfego de vesículas.Inicialmente, proteínas (pontos pretos) teriam sido secretadas de ribossomos ligados ao retículo endoplasmático rugoso (ER) para o espaço nas bases das bolhas pela translocase Sec e partículas de reconhecimento de sinal (SRP) [50]. As proteínas segregadas podem, então, sofrer processamento gradual usando maquinaria adaptada daquela usada para processar glicoproteínas na camada S de arquea (isto é, através da glicosilação ligada a N de asparagina-X-serina ou proteínas contendo asparagina-X-treonina e proteólise [ 99]). A elaboração de túbulos ER e flexão da membrana local regulada pela Sar1 GTPase, na presença de SNAP Receptors genéricos (SNAREs) (barras azuis), teria permitido a fusão transitória do ER à membrana celular externa, liberando essas proteínas glicosiladas no espaço extracelular. Essas aberturas transitórias teriam sido fechadas por fissão mediada por Dynamin. Proteínas SNARE especializadas (barras de cores diferentes) e Dynamin (linhas diagonais triplas) teriam, então, gerado intermediários vesiculares para melhor regular a secreção. A intercalação de etapas de processamento adicionais e a diversificação dessas famílias de proteínas teriam rendido parálogos específicos do compartimento, juntamente com a evolução das GTPases Arf e Rab regulatórias, e um compartimento de Golgi. Finalmente, a maquinaria de dobramento de membrana junto com Dynamin, actina e GTPases da família Rho teriam sido cooptados para conduzir a endocitose, fagocitose e o desenvolvimento da via de tráfico retrógrada moderna.

O enraizamento da árvore eucariótica permanece incerto, embora haja agora algum suporte para uma raiz entre o Opisthokonta (que inclui animais e fungos) e o resto dos eucariotos [166], [167]. Sob esse enraizamento, quaisquer características compartilhadas por animais, fungos e plantas devem ser ancestrais para os eucariotos como um todo. Isso parece incluir quase todos os aspectos do sistema de tráfico de endomembrana porque o último ancestral comum eucariótico tinha um complemento completo de máquinas moleculares envolvidas no tráfico de vesículas [168]. No entanto, algumas topologias de árvore sugerem que membros de Amoebozoa ou Excavata poderia retêm características ancestrais [167]. À luz disso, é digno de nota que a escavação Giardia tem alguns recursos que se assemelham a um intermediário hipotético. Especificamente, há algumas evidências de que a secreção em Giardia pode ser realizada pela fusão direta e transitória dos túbulos ER com a membrana celular externa [169]. Além disso, vesículas secretoras em Giardia pode ser eliminado do ER e fundir-se com a membrana plasmática sem quaisquer etapas de processamento intermediárias [170]. No entanto, porque GiardiaA biologia celular de é complexa e varia ao longo de seu ciclo de vida [171], não está claro se ela realmente manifesta traços de transição.

Surpreendentemente, a ordem na qual os sistemas de tráfico secretor e endossomal evoluíram é quase exatamente oposta nos modelos de dentro para fora e de fora para dentro (Figura 6). A análise filogenética da superfamília Ras, que inclui proteínas que funcionam em diversas etapas do tráfego celular, tem o potencial de discriminar entre essas duas hipóteses. No esquema de dentro para fora, a função da Ran GTPase teria sido a primeira a evoluir, dado seu papel na regulação do tráfego entre os compartimentos citoplasmático e nuclear (com um possível papel adicional na montagem e inserção do poro nuclear). As duplicações de genes subsequentes teriam permitido que uma cópia adquirisse a função Sar1, permitindo-lhe promover o brotamento de vesículas mediada por COPII do ER (Figura 5), ​​seguido por Arf e Rabs, que estão envolvidos no tráfico de vesículas. A última adição à família teria sido Rho GTPases, que regulam o córtex da actomiosina subjacente à membrana plasmática, endocitose e fagocitose.

Comparação da ordenação prevista de inovações celulares, e as máquinas moleculares correspondentes, sob os modelos de dentro para fora e fora para dentro autógenos. Ran, Rab, Sar1 e Rho referem-se a pequenas subfamílias de GTPase. Abreviaturas: LINC = Ligante do Nucleossqueleto e Citoesqueleto COPII = Proteína de revestimento II SNAREs = Receptores SNAP.

As análises filogenéticas enraizadas da superfamília Ras [172] - [175] geralmente suportam três clados principais: Ran, Sar1 / Arf e Rab / Ras / Rho, que podem ser interpretados como especializados em transporte nuclear, secreção e endocitose, respectivamente [ 172]. Com base na inferência filogenética, foi argumentado que, conforme previsto pelo modelo de dentro para fora, as funções Ran e Sar1 são anteriores às funções Rab e Rho [173]. Embora outras interpretações das mesmas árvores sejam possíveis, se alguém estiver disposto a assumir que funções que evoluem mais cedo acumulam funções mais críticas e, assim, mostram maior conservação evolutiva, é digno de nota que Ran e Sar1 tendem a estar presentes em uma única cópia por eucarioto genoma e são altamente conservados, enquanto as proteínas Rab, Ras e Rho têm sequências muito divergentes e estão presentes em números grandes e variáveis ​​nos eucariotos.

A origem dos cílios eucarióticos

A última organela difundida de eucariotos modernos a se considerar é o cílio, flagelo ou undulipódio [32]. Os cílios são saliências estáveis ​​ligadas à membrana plasmática, suportadas por um complexo cervical estável e um citoesqueleto interno (microtúbulos) que apresentam semelhanças óbvias com as saliências que consideramos o ponto de partida para a evolução do citoplasma (Figura 2A). Os cílios podem produzir vesículas extracelulares [176], [177] como aquelas geradas quando as protrusões das arquéias são removidas. Além disso, assim como as protrusões protocitoplasmáticas, alguns cílios se tornaram elaborados durante a evolução para produzir estruturas maiores e mais complexas, como os fotorreceptores [178].

Embora não seja uma característica central do modelo, a teoria de dentro para fora sugere que a máquina para gerar cílios pode ter semelhanças com aquela que gera protuberâncias no início da evolução dos eucariotos. Sob esta luz, é notável que Ran GTPase trabalha junto com importinas para regular o tráfego tanto através dos poros nucleares quanto nos cílios [179] - [181] e que ambas as estruturas têm um limite de exclusão de tamanho semelhante [182]. De fato, alguns sugeriram que as proteínas semelhantes à nucleoporina podem estar situadas na base dos cílios [182], embora os dados atuais lançem dúvidas sobre essa afirmação [183]. No entanto, sob o modelo de dentro para fora, pode-se facilmente imaginar um mecanismo comum que surgiu no início do caminho evolutivo dos eucariotos sendo cooptado posteriormente para dar origem a cílios na nova membrana plasmática eucariótica.

Previsões adicionais do modelo de dentro para fora

Nas seções anteriores, descrevemos a teoria de dentro para fora e sua consistência com diversos aspectos da biologia das células eucarióticas. Além disso, a Tabela 2 resume uma série de previsões do modelo de dentro para fora em relação aos modelos de fora para dentro.

Para esta comparação, as previsões do modelo autógeno de fora para dentro são guiadas por trabalhos anteriores [2], [32]. Uma vez que essas previsões se relacionam principalmente com a origem do núcleo e do sistema endomembrana, elas são agnósticas quanto ao surgimento das mitocôndrias antes ou depois do núcleo [8]. Por causa da diversidade de modelos endossimbióticos de fora para dentro, tentamos resumir as previsões de um modelo genérico no qual uma única célula hospedeira (citoplasma) engolfou um único endossimbionte (núcleo). A maioria das previsões da teoria de dentro para fora são, pensamos, autoexplicativas. No entanto, alguns se beneficiarão de uma exposição mais detalhada.

Um novo caminho de inserção de poro nuclear em interfase

Os modelos de dentro para fora fornecem uma previsão explícita de como os novos poros nucleares são provavelmente inseridos nos envelopes dos núcleos interfásicos. Especificamente, usando o modelo como guia, hipotetizamos que a primeira etapa na geração de um novo poro nuclear é o recrutamento de elementos do anel externo do NPC para dobrar a membrana nuclear interna para fora (Figura 7), semelhante ao processo gerar protrusões extracelulares no proto-eucariota original. Este modelo contrasta com os modelos atuais, que normalmente propõem que as membranas interna e externa são dobradas uma em direção à outra para induzir a fusão antes da montagem e inserção do poro nuclear [184].

Mecanismo previsto de inserção de poro nuclear de eucariotos em interfase previsto pelo modelo de dentro para fora. (UMA) O envelope nuclear é mantido unido por meio de complexos LINC. (B, C) As dobras na membrana interna do envelope recrutam o anel externo do poro nuclear, composto por proteínas com domínios semelhantes à COPII, para gerar uma pequena bolha extranuclear, que é estabilizada pela montagem do complexo de poro nuclear completo. (D) O complexo de poros nucleares, junto com os complexos LINC, gera uma dobra de membrana rígida no pescoço do botão. (E) A bolha nascente é conectada ao resto do citoplasma por fusão bolha-bolha ativa, garantindo a continuidade citoplasmática. Observe que, neste modelo, a continuidade do espaço perinuclear e do retículo endoplasmático (RE) é uma consequência simples do mecanismo de geração da bolha. As taxas relativas às quais a expansão da bolha (UMA-D) e a fusão de compartimentos citoplasmáticos (E) ocorrer irá determinar o tamanho das bolhas citoplasmáticas individuais e a extensão da compartimentação citoplasmática. Assim, se a reação de fusão do compartimento (D, E) é induzido imediatamente, nenhuma bolha aumentada seria vista.

Embora faltem dados definitivos sobre os detalhes da inserção do poro nuclear em interfase, há algumas evidências circunstanciais que apóiam nossa hipótese. Se, como sugerido pelos modelos atuais, a inserção de um novo poro nuclear requer a fusão da membrana antes da montagem do NPC, então as proteínas da membrana nuclear que regulam essa fusão devem ser essenciais e conservadas em todos os eucariotos. Este não parece ser o caso. Proteínas associadas a poros transmembrana como POM121, que parecem ter essa atividade fusogênica em células de mamíferos [156], [185], [186], mostram baixa conservação evolutiva [72] e estão ausentes dos tripanossomas [78]. Além disso, mesmo as proteínas associadas aos poros transmembrana mais conservadas, Ndc1 e Gp210, que estão presentes em quase todos os eucariotos (mas não nos tripanossomas), carecem de uma função essencial na formação de NPC [187] - [190]. A labilidade evolutiva dessas proteínas NPC transmembrana contrasta com o anel externo do poro nuclear, cujos componentes estão muito bem conservados [72].

Em nosso modelo, as proteínas que fundem a bolha da membrana nuclear interna com a membrana nuclear externa sobreposta seriam recrutadas algum tempo após o início da montagem do NPC. Como resultado, prevemos que em células com uma baixa taxa de fusão do compartimento citoplasmático deve ser possível observar bolhas nucleares voltadas para fora projetando-se no citoplasma com poros nucleares em suas bases. Estruturas com esta configuração foram vistas em um grande número de estudos em diversos tipos de células [191] - [195]. Além disso, estudos recentes relataram uma função para bolhas nucleares na exportação de grânulos de proteína ribonuclear [107], [108]. Prevemos ainda que as células com bolhas nucleares de vida longa tenderão a ser aquelas caracterizadas por baixas taxas de fusão de compartimento, como pode ser indicado por terem ER e Golgi sem fenestras (ver abaixo).

Uma nova atividade bioquímica que gera ligações entre os compartimentos citoplasmáticos ligados ao retículo endoplasmático

No modelo de dentro para fora, o citoplasma eucariótico é constituído de bolhas associadas aos poros, separadas umas das outras por ER. Essa topologia pode ser visível em alguns eucariotos modernos. No entanto, também se poderia prever que teria havido pressão seletiva durante a evolução eucariótica para uma atividade que poderia induzir a formação de conexões entre bolhas adjacentes - criando canais através do ER. De acordo com o modelo, as máquinas de proteína com essa atividade teriam sido essenciais para a geração de um domínio citoplasmático bem integrado. A alta atividade de fusão tornaria o citoplasma funcionalmente contínuo. No entanto, em células com uma taxa lenta de formação de canais ER, seria de se esperar a observação de descontinuidades citoplasmáticas locais que resultariam na difusão anômala de proteínas citoplasmáticas. A difusão anômala é uma característica comum das células eucarióticas [196], [197], onde foi atribuída ao apinhamento e às barreiras físicas de difusão [198]. Assim, determinar se as descontinuidades citoplasmáticas e a difusão anômala correspondem a domínios delimitados por ER fornece uma boa maneira de avaliar este aspecto do modelo de dentro para fora.

Além de prever padrões de difusão dentro de células individuais, o modelo de dentro para fora tem implicações para sincícios gerados pela divisão nuclear. Dentro de tais sincícios, o citoplasma tende a estar sob o controle local de núcleos individuais. Como exemplo disso, núcleos individuais no Drosófila O blastoderma sincicial estabelece perfis de transcrição distintos e compartimentalização local [162], [199], assim como os núcleos em fungos sinciciais [200] - [202] e plantas [203]. Sob o modelo de dentro para fora, é fácil ver como os núcleos e organelas associadas (por exemplo, Golgi) podem permanecer distintos no contexto de um sincício devido à existência de domínios citoplasmáticos associados a poros nucleares distintos (Figura 1D-F). Assim, o modelo de dentro para fora prevê que o ER contribui para a separação de domínios distintos de acúmulo de transcritos. Além disso, sob o modelo, seria de se esperar que houvesse um gradiente de compartimentação dependente de ER dentro dos sincícios: mais compartimentado perto dos núcleos devido à presença de domínios de bolha associados aos poros e mais contínuo perto da membrana plasmática. Em um sistema como o blastoderme sincicial precoce [204], [205], isso pode explicar a difusão livre de mRNA bicoide através do citoplasma periférico e a diferenciação de núcleos individuais.

Um papel para domínios associados a poros nucleares na polaridade celular

O modelo de dentro para fora afirma que, quando as taxas de fusão do compartimento são baixas, cada poro nuclear se comunica com uma pequena porção do citoplasma local. Isso tem o potencial de permitir a tradução local de transcrições que emergem de um poro. Isso é semelhante à "hipótese de bloqueio do gene" [206], que propôs que a posição dos domínios cromossômicos dentro do núcleo direcionava a exportação de mRNAs codificados localmente através de poros específicos. Embora existam poucos dados para apoiar este mecanismo, os RNAs que interagem com o Piwi são exportados localmente dos núcleos, levando ao seu acúmulo em locais específicos na periferia nuclear [207]. Além disso, em neurônios polarizados, RNPs são compartimentados em bolhas nucleares ligadas pela membrana nuclear interna, como aquelas previstas pelo modelo [108]. Especulamos, portanto, que o estabelecimento da polaridade subcelular frequentemente envolverá um papel para o transporte direcionado de mRNA através de poros nucleares específicos para seus domínios citoplasmáticos associados. Isso pode ajudar a explicar a morfologia estereotipada e compartimentalização de alguns protistas e a proporção extraordinariamente alta de transcritos que têm uma localização citoplasmática polarizada distintamente em células animais [208].

Novas funções nucleares associadas para ESCRTIII eucariótica

No modelo de dentro para fora, o núcleo da célula eucariótica é homólogo à membrana da célula arquea. Isso está de acordo com a evidência de que ESCRTIII está envolvido na cisão de protrusões extracelulares em Archaea [54], [55] e que desempenha um papel topologicamente equivalente (sob uma interpretação de dentro para fora) na formação de bolhas do envelope nuclear induzidas por vírus [209 ] Seguindo isso, e dado o papel de ESCRTIII na divisão celular em algumas Archaea [56] - [58], o modelo prevê que ESCRTIII desempenhará um papel importante na remodelação do envelope nuclear na divisão, especialmente durante divisões nucleares fechadas , um processo ainda pouco compreendido [159].


Estrutura celular

As células dos protistas estão entre as mais elaboradas e diversas de todas as células. A maioria dos protistas é microscópica e unicelular, mas existem algumas formas multicelulares verdadeiras. Alguns protistas vivem como colônias que se comportam de algumas maneiras como um grupo de células de vida livre e de outras maneiras como um organismo multicelular. Ainda outros protistas são compostos de células enormes, multinucleadas, únicas que se parecem com bolhas amorfas de limo ou, em outros casos, semelhantes a samambaias. Muitas células protistas são multinucleadas em algumas espécies, os núcleos têm tamanhos diferentes e têm papéis distintos na função das células protistas.

Células protistas individuais variam em tamanho de menos de um micrômetro a milhares de metros quadrados (alga marinha gigante). Membranas celulares semelhantes a animais ou paredes celulares semelhantes a plantas envolvem células protistas. Em outros protistas, conchas à base de sílica vítrea ou películas de tiras de proteínas interligadas envolvem as células. A película funciona como uma camada flexível de armadura, evitando que o protista sofra danos externos sem comprometer sua amplitude de movimento.


Divisão Celular e Genética

Mitose e o ciclo celular - como uma única célula se desenvolve em trilhões de células em um corpo humano (revisado em março de 2021)

Nesta atividade prática, os alunos usam cromossomos modelo e respondem a análises e questões para discussão para aprender como o ciclo celular produz células-filhas geneticamente idênticas. Os alunos aprendem como a replicação do DNA e a mitose garantem que cada nova célula receba um conjunto completo de cromossomos com um conjunto completo de genes. Os alunos aprendem por que cada célula precisa de um conjunto completo de genes e como os genes influenciam as características fenotípicas. Para entender como uma única célula (o óvulo fertilizado) se desenvolve em trilhões de células em um corpo humano, os alunos analisam um modelo de crescimento exponencial de aumento no número de células. A seção final fornece uma breve introdução à diferenciação celular. Esta atividade pode ser usada para introduzir a mitose e o ciclo celular ou para revisar esses processos. (NGSS)

Baixe a apostila do aluno: Formato PDF ou formato Word

Baixe as notas de preparação do professor: Formato PDF ou formato Word

Ver e enviar comentários

Meiose e fertilização - Compreendendo como os genes são herdados (revisado, março de 2021)

Nesta atividade prática e mental, os alunos usam o modelo de cromossomos e respondem a questões de análise e discussão para aprender sobre os processos de meiose e fertilização. Os alunos primeiro analisam como os processos de meiose e fertilização resultam na alternância entre células diplóides e haplóides no ciclo de vida humano. Para aprender como a meiose produz gametas geneticamente diversos, os alunos analisam os resultados do crossing over e do sortimento independente.Enquanto modelam a meiose e a fertilização, os alunos seguem os alelos de um gene humano desde as células do corpo dos pais, passando pelos gametas até os zigotos. Assim, os alunos aprendem como uma pessoa herda uma cópia de cada gene de cada um de seus pais. Uma breve seção final contrasta a reprodução sexuada com a reprodução assexuada. Esta atividade pode ser usada para introduzir a meiose e fertilização ou para revisar esses processos. (NGSS)

Baixe a apostila do aluno: Formato PDF ou formato Word

Baixe as notas de preparação do professor: Formato PDF ou formato Word

Ver e enviar comentários

Genética (revisada, dezembro de 2020)

Esta atividade prática ajuda os alunos a compreender os princípios básicos da genética, incluindo (1) como o genótipo influencia o fenótipo por meio dos efeitos dos genes na estrutura e função das proteínas e (2) como os genes são transmitidos de pais para filhos através do processos de meiose e fertilização. Os alunos usam cromossomos modelo para demonstrar como a meiose e a fertilização são resumidas em quadrados de Punnett. Na atividade de cara ou coroa, os alunos aprendem sobre a natureza probabilística da herança e as previsões dos quadrados de Punnett. (NGSS)

Baixe a apostila do aluno: Formato PDF ou formato Word

Baixe as notas de preparação do professor: Formato PDF ou formato Word

Ver e enviar comentários

Os bebês foram trocados? & ndash The Genetics of Blood Types (revisado, fevereiro de 2018)

Nesta atividade prática e prática, os alunos aprendem a genética do sistema de tipo sanguíneo ABO. Os alunos usam produtos químicos simples para simular testes de tipo sanguíneo e, em seguida, realizam análises genéticas para determinar se a equipe do hospital trocou acidentalmente dois bebês nascidos no mesmo dia. Esta atividade reforça a compreensão do aluno dos conceitos fundamentais que os genes codificam para proteínas que influenciam as características de um organismo e os quadrados de Punnett resumem como a meiose e a fertilização resultam em herança. Os alunos também aprendem sobre codominância e alelos múltiplos de um único gene. A primeira versão da Folha de Apoio do Aluno inclui uma introdução à imunobiologia do sistema de tipo sanguíneo ABO. A segunda versão inclui uma análise da genética da cor da pele na qual os alunos aprendem como gêmeos fraternos podem ter cores de pele muito diferentes, o conceito de dominância incompleta e como uma única característica fenotípica pode ser influenciada por vários genes e pelo ambiente. (NGSS)

Baixe a versão de imunobiologia da apostila do aluno: Formato PDF ou formato Word

Baixe a versão da Genética da Cor da Pele da apostila do aluno: Formato PDF ou formato Word

Baixe as notas de preparação do professor: Formato PDF ou formato Word

Ver e enviar comentários

Dragon Genetics - Independent Assortment and Gene Linkage (revisado, janeiro de 2010)

Os alunos aprendem os princípios de classificação independente e ligação de genes em atividades que analisam a herança de vários genes no mesmo cromossomo ou em cromossomos diferentes em dragões hipotéticos. Os alunos aprendem como esses princípios derivam do comportamento dos cromossomos durante a meiose e a fertilização.

Baixe a apostila do aluno: Formato PDF ou formato Word

Baixe as notas de preparação do professor: Formato PDF ou formato Word

Ver e enviar comentários

Dragon Genetics - Understanding Inheritance (revisado, agosto de 2012)

Nesta atividade de simulação, os alunos imitam os processos de meiose e fertilização para investigar a herança de vários genes e, em seguida, usam sua compreensão de conceitos como alelos dominantes / recessivos, dominância incompleta, herança ligada ao sexo e epistasia para interpretar os resultados da simulação . Esta atividade pode ser usada como uma atividade culminante após você ter introduzido a genética clássica e pode servir como avaliação formativa para identificar quaisquer áreas de confusão que requerem esclarecimento adicional.

Baixe a apostila do aluno: Formato PDF ou formato Word

Baixe as notas de preparação do professor: Formato PDF ou formato Word

Ver e enviar comentários

Mais atividades mentais


Referências

Van Regenmortel MHV, Fauquet CM, Bishop DHL, Carstens EB, Estes MK, Lemon SM, Maniloff J, Mayo MA, McGeoch DJ, Pringle CR, Wickner RB: 7º Relatório do Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus. San Diego, Academic Press 2000.

Breitbart M, Rohwer F: Aqui um vírus, ali um vírus, em todo lugar o mesmo vírus? Trends Microbiol 2005,13(6): 278-284. 10.1016 / j.tim.2005.04.003

Suttle CA: Vírus no mar. Natureza 2005,437(7057): 356-361. 10.1038 / nature04160

Edwards RA, Rohwer F: Metagenômica viral. Nat Rev Microbiol 2005,3(6): 504-510. 10.1038 / nrmicro1163

Sano E, Carlson S, Wegley L, Rohwer F: Movimento de vírus entre biomas. Appl Environ Microbiol 2004,70(10): 5842-5846. 10.1128 / AEM.70.10.5842-5846.2004

Baltimore D: Expressão de genomas de vírus animais. Bacteriol Rev 1971,35(3):235-241.

Agol VI: Em direção ao sistema de vírus. Biossistemas 1974,6(2):113-132. 10.1016/0303-2647(74)90003-3

Koonin EV: Estratégias de replicação / expressão do genoma de vírus de RNA de fita positiva: uma versão simples de uma classificação combinatória e previsão de novas estratégias. Genes de vírus 1991,5(3): 273-281. 10.1007 / BF00568977

Ahlquist P: Paralelos entre vírus de RNA de fita positiva, vírus de transcrição reversa e vírus de RNA de fita dupla. Nat Rev Microbiol 2006,4(5): 371-382. 10.1038 / nrmicro1389

Prangishvili D, Garrett RA: Vírus da Crenarchaea hipertermofílica. Trends Microbiol 2005,13(11): 535-542. 10.1016 / j.tim.2005.08.013

Prangishvili D, Garrett RA, Koonin EV: Genômica evolutiva de vírus arquea: genomas virais únicos no terceiro domínio da vida. Res de vírus 2006, 117: 52-67. 10.1016 / j.virusres.2006.01.007

Daubin V, Ochman H: Entidades iniciais na origem de novos genes. Curr Opin Genet Dev 2004,14(6): 616-619. 10.1016 / j.gde.2004.09.004

Bamford DH: Os vírus formam linhagens em diferentes domínios da vida? Res Microbiol 2003,154(4): 231-236. 10.1016 / S0923-2508 (03) 00065-2

Bamford DH, Grimes JM, Stuart DI: O que a estrutura nos diz sobre a evolução do vírus? Curr Opin Struct Biol 2005,15(6): 655-663. 10.1016 / j.sbi.2005.10.012

Benson SD, Bamford JK, Bamford DH, Burnett RM: A arquitetura comum revela uma linhagem viral abrangendo todos os três domínios da vida? Mol Cell 2004,16(5): 673-685. 10.1016 / j.molcel.2004.11.016

Iyer LM, Leipe DD, Koonin EV, Aravind L: História evolutiva e classificação de ordem superior de AAA + ATPases. J Struct Biol 2004,146(1-2): 11-31. 10.1016 / j.jsb.2003.10.010

Ilyina TV, Koonin EV: Motivos de sequência conservados nas proteínas iniciadoras para replicação de DNA em círculo rolante codificados por diversos replicons de eubactérias, eucariotos e arqueobactérias. Res de ácidos nucléicos 1992,20(13):3279-3285.

Iyer LM, Koonin EV, Leipe DD, Aravind L: Origem e evolução da superfamília primase arqueo-eucariótica e proteínas de domínio da palma relacionadas: percepções estruturais e novos membros. Res de ácidos nucléicos 2005,33(12): 3875-3896. 10.1093 / nar / gki702

Kapitonov VV, Jurka J: Transposons de círculo rolante em eucariotos. Proc Natl Acad Sci U S A 2001,98(15): 8714-8719. 10.1073 / pnas.151269298

Poulter RT, Goodwin TJ, Butler MI: Helentrons de vertebrados e outros novos Helitrons. Gene 2003, 313: 201-212. 10.1016 / S0378-1119 (03) 00679-6

Atrás H, Adachi T, Yoshida A, Yamamoto M, Habuka N, Yatsunami K, Miyano M: Estrutura cristalina da RNA polimerase dependente de RNA do vírus da hepatite C. Estrutura 1999,7(11): 1417-1426. 10.1016 / S0969-2126 (00) 80031-3

Gorbalenya AE, Pringle FM, Zeddam JL, Luke BT, Cameron CE, Kalmakoff J, Hanzlik TN, Gordon KH, Ward VK: O sítio ativo baseado no subdomínio da palma é permutado internamente em RNA polimerases dependentes de RNA virais de uma linhagem antiga. J Mol Biol 2002,324(1): 47-62. 10.1016 / S0022-2836 (02) 01033-1

Kamer G, Argos P: Comparação estrutural primária de polimerases dependentes de RNA de vírus de plantas, animais e bactérias. Res de ácidos nucléicos 1984,12(18):7269-7282.

Poch O, Sauvaget I, Delarue M, Tordo N: Identificação de quatro motivos conservados entre os elementos de codificação da polimerase dependente de RNA. Embo J 1989,8(12):3867-3874.

Koonin EV, Gorbalenya AE, Chumakov KM: Identificação provisória de RNA polimerases dependentes de RNA de vírus dsRNA e sua relação com RNA polimerases virais de fita positiva. FEBS Lett 1989,252(1-2):42-46. 10.1016/0014-5793(89)80886-5

Koonin EV: Evolução dos vírus de RNA de fita dupla: um caso de origem polifilética de diferentes grupos de vírus de RNA de fita positiva. Seminários em Virologia 1992, 3: 327-339.

Butcher SJ, Grimes JM, Makeyev EV, Bamford DH, Stuart DI: Um mecanismo para iniciar a polimerização de RNA dependente de RNA. Natureza 2001,410(6825):235-240. 10.1038/35065653

Makeyev EV, Grimes JM: RNA polimerases dependentes de RNA de bacteriófagos dsRNA. Res de vírus 2004,101(1): 45-55. 10.1016 / j.virusres.2003.12.005

Delaye L, Vazquez H, Lazcano A: O cenancestor e suas relíquias contemporâneas: o caso das polimerases de ácidos nucléicos. No Primeiros passos na origem da vida no Universo. Editado por: Chela-Flores J, Owen T, Raulin F. Dordrecht, Kluwer Academic Publishers 2001: 223-230.

Aravind L, Mazumder R, Vasudevan S, Koonin EV: Tendências na evolução de proteínas inferidas da análise de sequência e estrutura. Curr Opin Struct Biol 2002,12(3): 392-399. 10.1016 / S0959-440X (02) 00334-2

Hua-Van A, Le Rouzic A, Maisonhaute C, Capy P: Abundância, distribuição e dinâmica de elementos retrotransponíveis e transposões: semelhanças e diferenças. Cytogenet Genome Res 2005,110(1-4):426-440. 10.1159/000084975

Lampson BC, Inouye M, Inouye S: Retrons, msDNA e o genoma bacteriano. Cytogenet Genome Res 2005,110(1-4):491-499. 10.1159/000084982

Eickbush TH: Telomerase e retrotransposons: o que veio primeiro? Ciência 1997,277(5328): 911-912. 10.1126 / science.277.5328.911

Nakamura TM, Morin GB, Chapman KB, Weinrich SL, Andrews WH, Lingner J, Harley CB, Cech TR: Homólogos da subunidade catalítica da telomerase de leveduras de fissão e humanos. Ciência 1997,277(5328): 955-959. 10.1126 / science.277.5328.955

Knopf CW: Evolução de DNA polimerases dependentes de DNA viral. Genes de vírus 1998,16(1): 47-58. 10.1023 / A: 1007997609122

Filee J, Forterre P, Sen-Lin T, Laurent J: Evolução das famílias da DNA polimerase: evidências para múltiplas trocas gênicas entre proteínas celulares e virais. J Mol Evol 2002,54(6): 763-773. 10.1007 / s00239-001-0078-x

Braithwaite DK, Ito J: Compilação, alinhamento e relações filogenéticas de DNA polimerases. Res de ácidos nucléicos 1993,21(4):787-802.

Eigen M: Selforganização da matéria e evolução das macromoléculas biológicas. Naturwissenschaften 1971,58(10): 465-523. 10.1007 / BF00623322

Koonin EV, Martin W: Sobre a origem de genomas e células em compartimentos inorgânicos. Trends Genet 2005,21(12): 647-654. 10.1016 / j.tig.2005.09.006

Luria SE, Darnell J: Virologia geral. Nova York, John Wiley 1967.

Agol VI: Um aspecto da origem e evolução dos vírus. Orig Life 1976,7(2): 119-132. 10.1007 / BF00935656

Forterre P: O grande retorno do vírus - de uma perspectiva evolutiva. Res Microbiol 2003,154(4): 223-225. 10.1016 / S0923-2508 (03) 00111-6

Forterre P: A origem dos vírus e seus possíveis papéis nas principais transições evolutivas. Res de vírus 2006,117(1): 5-16. 10.1016 / j.virusres.2006.01.010

Hendrix RW, Lawrence JG, Hatfull GF, Casjens S: As origens e a evolução contínua dos vírus. Trends Microbiol 2000,8(11): 504-508. 10.1016 / S0966-842X (00) 01863-1

Matthews RE: A origem dos vírus nas células. Supl Int Rev Cytol 1983, 15: 245-280.

D'Herelle F: O bacteriófago seu papel na imunidade. Baltimore, Williams e Wilkins 1922.

Haldane JBS: A Origem da Vida. Racionalista Anual 1928, 148: 3-10.

Forterre P: Novas hipóteses sobre as origens de vírus, procariotos e eucariotos. No Fronteiras da Vida. Editado por: Tran Tan Van JK, Mounolou JC, Shneider J, McKay C. Giffe-sur-Yvette - França, Editions Frontieres 1992: 221-234.

Forterre P: As duas idades do mundo do RNA e a transição para o mundo do DNA: uma história de vírus e células. Biochimie 2005,87(9-10): 793-803. 10.1016 / j.biochi.2005.03.015

Claverie JM, Ogata H, Audic S, Abergel C, Suhre K, Fournier PE: Mimivirus e o conceito emergente de vírus "gigante". Res de vírus 2006,117(1): 133-144. 10.1016 / j.virusres.2006.01.008

Raoult D, Audic S, Robert C, Abergel C, Renesto P, Ogata H, La Scola B, Suzan M, Claverie JM: A sequência do genoma de 1,2 megabase do Mimivírus. Ciência 2004,306(5700): 1344-1350. 10.1126 / science.1101485

Suzan-Monti M, La Scola B, Raoult D: Aspectos genômicos e evolutivos do Mimivírus. Res de vírus 2005.

Iyer LM, Balaji S, Koonin EV, Aravind L: Genômica evolutiva de grandes vírus de DNA nucleo-citoplasmáticos. Res de vírus 2006,117(1): 156-184. 10.1016 / j.virusres.2006.01.009

Khayat R, Tang L, Larson ET, Lawrence CM, Young M, Johnson JE: Da capa: A estrutura de uma proteína do capsídeo do vírus arquea revela uma ancestralidade comum para os vírus eucarióticos e bacterianos. Proc Natl Acad Sci U S A 2005,102(52): 18944-18949. 10.1073 / pnas.0506383102

Forterre P: Três células de RNA para linhagens ribossômicas e três vírus de DNA para replicar seus genomas: uma hipótese para a origem do domínio celular. Proc Natl Acad Sci U S A 2006,103(10): 3669-3674. 10.1073 / pnas.0510333103

Claverie JM: Os vírus ocupam o centro do palco na evolução celular. Genome Biol 2006,7(6): 110. 10.1186 / gb-2006-7-6-110

Koonin EV, Dolja VV: Evolução da complexidade no mundo viral: o amanhecer de uma nova visão. Res de vírus 2006,117(1): 1-4. 10.1016 / j.virusres.2006.01.018

Edgell DR, Doolittle WF: Archaea e a (s) origem (ões) das proteínas de replicação do DNA. Célula 1997,89(7): 995-998. 10.1016 / S0092-8674 (00) 80285-8

Leipe DD, Aravind L, Koonin EV: A replicação do DNA evoluiu duas vezes independentemente? Res de ácidos nucléicos 1999,27(17): 3389-3401. 10.1093 / nar / 27.17.3389

Mushegian AR, Koonin EV: Um conjunto mínimo de genes para a vida celular derivado da comparação de genomas bacterianos completos. Proc Natl Acad Sci U S A 1996,93(19): 10268-10273. 10.1073 / pnas.93.19.10268

Boucher Y, Kamekura M, Doolittle WF: Origens e evolução da biossíntese de lipídios isoprenóides em arquéias. Mol Microbiol 2004,52(2): 515-527. 10.1111 / j.1365-2958.2004.03992.x

Kandler O, Konig H: Polímeros de parede celular em Archaea (Archaebacteria). Cell Mol Life Sci 1998,54(4): 305-308. 10.1007 / s000180050156

Martin W, Russell MJ: Sobre as origens das células: uma hipótese para as transições evolutivas da geoquímica abiótica para procariotos quimioautotróficos e de procariotos para células nucleadas. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2003,358(1429): 59-83 discussão 83-5. 10.1098 / rstb.2002.1183

Kurland CG, Collins LJ, Penny D: Genômica e a natureza irredutível das células eucariotas. Ciência 2006,312(5776): 1011-1014. 10.1126 / science.1121674

Poole A, Jeffares D, Penny D: Evolução inicial: procariontes, os novos garotos do bairro. Bioessays 1999,21(10): 880-889. 10.1002 / (SICI) 1521-1878 (199910) 21: 10 & lt880 :: AID-BIES11 & gt3.0.CO2-P

Esser C, Ahmadinejad N, Wiegand C, Rotte C, Sebastiani F, Gelius-Dietrich G, Henze K, Kretschmann E, Richly E, Leister D, Bryant D, Steel MA, Lockhart PJ, Penny D, Martin W: Filogenia do genoma para mitocôndrias entre alfa-proteobactérias e ancestralidade predominantemente eubacteriana de genes nucleares de levedura. Mol Biol Evol 2004,21(9): 1643-1660. 10.1093 / molbev / msh160

Martin W, Embley TM: Biologia evolutiva: a evolução inicial dá uma volta completa. Natureza 2004,431(7005): 134-137. 10.1038 / 431134a

Rivera MC, Lago JA: O anel da vida fornece evidências da origem da fusão do genoma dos eucariotos. Natureza 2004,431(7005): 152-155. 10.1038 / nature02848

Embley TM, Martin W: Evolução eucariótica, mudanças e desafios. Natureza 2006,440(7084): 623-630. 10.1038 / nature04546

Martin W, Koonin EV: Introns e a origem da compartimentação núcleo-citosol. Natureza 2006, 440: 41-45. 10.1038 / nature04531

Martin W, Muller M: A hipótese do hidrogênio para o primeiro eucarioto. Natureza 1998,392(6671):37-41. 10.1038/32096

Fedorov A, Hartman H: O que o microsporídeo E. cuniculi nos diz sobre a origem da célula eucariótica? J Mol Evol 2004,59(5): 695-702. 10.1007 / s00239-003-0085-1

Hartman H, Fedorov A: A origem da célula eucariótica: uma investigação genômica. Proc Natl Acad Sci U S A 2002,99(3): 1420-1425. 10.1073 / pnas.032658599

Aravind L, Iyer LM, Koonin EV: Genômica comparada e biologia estrutural das inovações moleculares de eucariotos. Curr Opin Struct Biol 2006, 16: 409-419. 10.1016 / j.sbi.2006.04.006

Woese CR: Sobre a evolução das células. Proc Natl Acad Sci U S A 2002,99(13): 8742-8747. 10.1073 / pnas.132266999

Eigen M, Schuster P: O hiperciclo. Um princípio de auto-organização natural. Parte A: Emergência do hiperciclo. Naturwissenschaften 1977,64(11): 541-565. 10.1007 / BF00450633

Szathmary E, Demeter L: Seleção em grupo dos primeiros replicadores e a origem da vida. J Theor Biol 1987,128(4): 463-486. 10.1016 / S0022-5193 (87) 80191-1

Zintzaras E, Santos M, Szathmary E: "Vivendo" sob o desafio da deterioração da informação: o modelo corretor estocástico vs. hiperciclos. J Theor Biol 2002,217(2): 167-181. 10.1006 / jtbi.2002.3026

Zamore PD, Haley B: Ribo-gnomo: o grande mundo dos pequenos RNAs. Ciência 2005,309(5740): 1519-1524. 10.1126 / science.1111444

Majdalani N, Vanderpool CK, Gottesman S: Reguladores bacterianos de pequenos RNA. Crit Rev Biochem Mol Biol 2005,40(2):93-113. 10.1080/10409230590918702

Makarova KS, Grishin NV, Shabalina SA, Wolf YI, Koonin EV: Um sistema imunológico baseado em interferência de RNA putativo em procariotos: análise computacional da maquinaria enzimática prevista, analogias funcionais com RNAi eucariótico e mecanismos hipotéticos de ação. Biol Direct 2006, 1: 7. 10.1186/1745-6150-1-7

Peng X, Blum H, She Q, Mallok S, Brugger K, Garrett RA, Zillig W, Prangishvili D: Sequências e replicação de genomas dos rudivírus arquea SIRV1 e SIRV2: relações com o lipothrixvirus SIFV arquea e alguns vírus eucariotos. Virologia 2001,291(2): 226-234. 10.1006 / viro.2001.1190

Mans BJ, Anantharaman V, Aravind L, Koonin EV: Genômica comparada, evolução e origens do envelope nuclear e do complexo de poros nucleares. Ciclo de célula 2004,3(12):1612-1637.

Filee J, Forterre P: Proteínas virais funcionando em organelas: uma origem enigmática? Trends Microbiol 2005,13(11): 510-513. 10.1016 / j.tim.2005.08.012

Shutt TE, Gray MW: Bacteriófagos origens da replicação mitocondrial e proteínas de transcrição. Trends Genet 2006,22(2): 90-95. 10.1016 / j.tig.2005.11.007

Rest JS, Mindell DP: Retroids em archaea: filogenia e origens laterais. Mol Biol Evol 2003,20(7): 1134-1142. 10.1093 / molbev / msg135

Koonin EV, Dolja VV: Evolução e taxonomia de vírus de RNA de fita positiva: implicações da análise comparativa de sequências de aminoácidos. Crit Rev Biochem Mol Biol 1993,28(5):375-430.

Malik HS, Eickbush TH: A análise filogenética dos domínios da ribonuclease H sugere uma origem tardia e quimérica de elementos retrotransponíveis LTR e retrovírus. Genome Res 2001,11(7): 1187-1197. 10.1101 / gr.185101

Capy P, Langin T, Higuet D, Maurer P, Bazin C: As integrases de retrotransposons LTR e transposases de elemento de classe II têm um ancestral comum? Genetica 1997,100(1-3): 63-72. 10.1023 / A: 1018300721953

Capy P, Vitalis R, Langin T, Higuet D, Bazin C: Relações entre elementos transponíveis com base nos domínios da integrase-transposase: existe um ancestral comum? J Mol Evol 1996,42(3):359-368.

Krylov DM, Koonin EV: Uma nova família de aspartil proteases de tipo retroviral previstas com um possível papel chave no controle do ciclo celular eucariótico. Curr Biol 2001,11(15): R584-7. 10.1016 / S0960-9822 (01) 00357-8

Hughes AL, Friedman R: Evolução do genoma de poxvírus por ganho e perda de genes. Mol Phylogenet Evol 2005,35(1): 186-195. 10.1016 / j.ympev.2004.12.008

Hendrix RW: Genômica de bacteriófagos. Curr Opin Microbiol 2003,6(5): 506-511. 10.1016 / j.mib.2003.09.004

Hendrix RW, Hatfull GF, Smith MC: Bacteriófagos com cauda: perseguindo suas origens e evolução. Res Microbiol 2003,154(4): 253-257. 10.1016 / S0923-2508 (03) 00068-8

Pedulla ML, Ford ME, Houtz JM, Karthikeyan T, Wadsworth C, Lewis JA, Jacobs-Sera D, Falbo J, Gross J, Pannunzio NR, Brucker W, Kumar V, Kandasamy J, Keenan L, Bardarov S, Kriakov J, Lawrence JG, Jacobs WRJ, Hendrix RW, Hatfull GF: Origens de genomas de micobacteriófagos altamente mosaico. Célula 2003,113(2): 171-182. 10.1016 / S0092-8674 (03) 00233-2

Heldwein EE, Lou H, Bender FC, Cohen GH, Eisenberg RJ, Harrison SC: Estrutura cristalina da glicoproteína B do vírus herpes simplex 1. Ciência 2006,313(5784): 217-220. 10.1126 / science.1126548

Steven AC, Spear PG: Bioquímica. Glicoproteínas virais e um enigma evolutivo. Ciência 2006,313(5784): 177-178. 10.1126 / science.1129761

Dupuy C, Huguet E, Drezen JM: Desdobrando a história evolutiva dos polidnavírus. Res de vírus 2006,117(1): 81-89. 10.1016 / j.virusres.2006.01.001

Jordan IK, Rogozin IB, Glazko GV, Koonin EV: Origem de uma fração substancial de sequências regulatórias humanas de elementos transponíveis. Trends Genet 2003,19(2): 68-72. 10.1016 / S0168-9525 (02) 00006-9

Medstrand P, van de Lagemaat LN, Dunn CA, Landry JR, Svenback D, Mager DL: Impacto dos elementos transponíveis na evolução da regulação gênica de mamíferos. Cytogenet Genome Res 2005,110(1-4):342-352. 10.1159/000084966

Lambowitz AM, Zimmerly S: Íntrons do grupo II móvel. Annu Rev Genet 2004, 38: 1-35. 10.1146 / annurev.genet.38.072902.091600

Robart AR, Zimmerly S: Retroelementos do íntron do grupo II: função e diversidade. Cytogenet Genome Res 2005,110(1-4):589-597. 10.1159/000084992

Doolittle RF, Feng DF, McClure MA, Johnson MS: Filogenia e evolução dos retrovírus. Curr Top Microbiol Immunol 1990, 157: 1-18.

Xiong Y, Eickbush TH: Origem e evolução de retroelementos com base em suas sequências de transcriptase reversa. Embo J 1990,9(10):3353-3362.

Ackermann HW: Bacteriófagos de cauda: a ordem dos caudovirales. Adv Virus Res 1998, 51: 135-201.

Ackermann HW: Observações e evolução de bacteriófagos. Res Microbiol 2003,154(4): 245-251. 10.1016 / S0923-2508 (03) 00067-6

Iyer LM, Aravind L, Koonin EV: Origem comum de quatro famílias diversas de grandes vírus de DNA eucariótico. J Virol 2001,75(23): 11720-11734. 10.1128 / JVI.75.23.11720-11734.2001

Senkevich TG, Koonin EV, Bugert JJ, Darai G, Moss B: O genoma do vírus do molusco contagioso: análise e comparação com outros poxvírus. Virologia 1997,233(1): 19-42. 10.1006 / viro.1997.8607

Baker ML, Jiang W, Rixon FJ, Chiu W: Ancestralidade comum de herpesvírus e bacteriófagos de DNA com cauda. J Virol 2005,79(23): 14967-14970. 10.1128 / JVI.79.23.14967-14970.2005

Szajner P, Weisberg AS, Lebowitz J, Heuser J, Moss B: O andaime externo de partículas esféricas imaturas de poxvírus é feito de trímeros de proteína, formando uma estrutura em favo de mel. J Cell Biol 2005,170(6): 971-981. 10.1083 / jcb.200504026

Andreeva A, Howorth D, Brenner SE, Hubbard TJ, Chothia C, Murzin AG: Banco de dados SCOP em 2004: refinamentos integram dados de família de estrutura e sequência. Res de ácidos nucléicos 2004,32(Problema de banco de dados): D226-9. 10.1093 / nar / gkh039

Gorbalenya AE, Koonin EV, Wolf YI: Uma nova superfamília de supostos domínios de ligação a NTP codificados por genomas de pequenos vírus de DNA e RNA. FEBS Lett 1990,262(1): 145-148. 10.1016 / 0014-5793 (90) 80175-I

Iyer LM, Makarova KS, Koonin EV, Aravind L: Genômica comparativa da superfamília FtsK-HerA de bombeamento de ATPases: implicações para as origens da segregação cromossômica, divisão celular e empacotamento do capsídeo viral. Res de ácidos nucléicos 2004,32(17): 5260-5279. 10.1093 / nar / gkh828

Mitchell MS, Matsuzaki S, Imai S, Rao VB: A análise da sequência dos genes 16 e 17 de empacotamento / terminase do DNA do bacteriófago T4 revela um centro comum de ATPase na grande subunidade das terminases virais. Res de ácidos nucléicos 2002,30(18): 4009-4021. 10.1093 / nar / gkf524

Delarue M, Poch O, Tordo N, Moras D, Argos P: Uma tentativa de unificar a estrutura das polimerases. Protein Eng 1990,3(6):461-467.

Ravantti JJ, Gaidelyte A, Bamford DH, Bamford JK: A análise comparativa dos vírus bacterianos Bam35, infectando um hospedeiro gram-positivo, e PRD1, infectando hospedeiros gram-negativos, demonstra uma linhagem viral. Virologia 2003,313(2): 401-414. 10.1016 / S0042-6822 (03) 00295-2

Liu J, Mushegian A: Deslocamentos de genes de protease pró-cabeça nos operons tardios de bacteriófagos de DNA de fita dupla. J Bacteriol 2004,186(13): 4369-4375. 10.1128 / JB.186.13.4369-4375.2004


21.1 Evolução, morfologia e classificação viral

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Descreva como os vírus foram descobertos pela primeira vez e como são detectados
  • Discuta três hipóteses sobre como os vírus evoluíram
  • Descreva a estrutura geral de um vírus
  • Reconhecer as formas básicas de vírus
  • Compreenda os sistemas de classificação de vírus passados ​​e emergentes
  • Descreva a base para o sistema de classificação de Baltimore

Os vírus são entidades diversas: eles variam em estrutura, métodos de replicação e hospedeiros que infectam. Quase todas as formas de vida - de bactérias procarióticas e arqueanos a eucariotos, como plantas, animais e fungos - têm vírus que os infectam. Embora a maior parte da diversidade biológica possa ser compreendida por meio da história evolutiva (por exemplo, como as espécies se adaptaram às mudanças nas condições ambientais e como as diferentes espécies se relacionam umas com as outras por meio de descendência comum), muito sobre as origens e evolução dos vírus permanece desconhecido.

Descoberta e Detecção

Os vírus foram descobertos pela primeira vez após o desenvolvimento de um filtro de porcelana - o filtro de Chamberland-Pasteur - que poderia remover todas as bactérias visíveis no microscópio de qualquer amostra de líquido. Em 1886, Adolph Meyer demonstrou que uma doença das plantas do tabaco - a doença do mosaico do tabaco - podia ser transferida de uma planta doente para outra saudável por meio de extratos vegetais líquidos. Em 1892, Dmitri Ivanowski mostrou que essa doença poderia ser transmitida dessa forma mesmo depois que o filtro de Chamberland-Pasteur tivesse removido todas as bactérias viáveis ​​do extrato. Ainda assim, muitos anos se passaram antes que fosse provado que esses agentes infecciosos “filtráveis” não eram simplesmente bactérias muito pequenas, mas um novo tipo de partícula muito pequena, causadora de doenças.

A maioria dos vírions, ou partículas de vírus individuais, são muito pequenos, com cerca de 20 a 250 nanômetros de diâmetro. No entanto, alguns vírus recentemente descobertos em amebas variam até 1000 nm de diâmetro. Com exceção de grandes vírions, como o poxvírus e outros grandes vírus de DNA, os vírus não podem ser vistos com um microscópio óptico. Foi somente com o desenvolvimento do microscópio eletrônico no final da década de 1930 que os cientistas tiveram sua primeira boa visão da estrutura do vírus do mosaico do tabaco (TMV) (Figura 21.1), discutido acima, e de outros vírus (Figura 21.2). A estrutura da superfície dos vírions pode ser observada por microscopia eletrônica de varredura e transmissão, enquanto as estruturas internas do vírus só podem ser observadas em imagens de um microscópio eletrônico de transmissão. O uso da microscopia eletrônica e de outras tecnologias permitiu a descoberta de muitos vírus de todos os tipos de organismos vivos.

Evolução dos vírus

Embora os biólogos tenham um conhecimento significativo sobre como os vírus atuais se transformam e se adaptam, muito menos se sabe sobre como os vírus se originaram. Ao explorar a história evolutiva da maioria dos organismos, os cientistas podem olhar para os registros fósseis e evidências históricas semelhantes. No entanto, os vírus não fossilizam, tanto quanto sabemos, então os pesquisadores devem extrapolar as investigações de como os vírus de hoje evoluem e usando informações bioquímicas e genéticas para criar histórias especulativas de vírus.

A maioria dos estudiosos concorda que os vírus não têm um único ancestral comum, nem existe uma única hipótese razoável sobre as origens dos vírus. Existem cenários evolutivos atuais que podem explicar a origem dos vírus. Uma dessas hipóteses, a "devolução" ou a hipótese regressiva, sugere que os vírus evoluíram de células de vida livre ou de parasitas procarióticos intracelulares. No entanto, muitos componentes de como esse processo pode ter ocorrido permanecem um mistério. Uma segunda hipótese, o escapista ou o hipótese progressiva, sugere que os vírus se originaram de moléculas de RNA e DNA, ou entidades autorreplicantes semelhantes a transposons ou outros elementos genéticos móveis, que escaparam de uma célula hospedeira com a capacidade de entrar em outra. Uma terceira hipótese, a primeira hipótese do vírus, sugere que os vírus podem ter sido as primeiras entidades autorreplicantes antes das primeiras células. Em todos os casos, os vírus provavelmente continuam a evoluir junto com as células das quais dependem como hospedeiros.

Conforme a tecnologia avança, os cientistas podem desenvolver e refinar hipóteses adicionais para explicar as origens dos vírus. O campo emergente chamado de sistemática molecular de vírus tenta fazer exatamente isso por meio de comparações de material genético sequenciado. Esses pesquisadores esperam um dia entender melhor a origem dos vírus - uma descoberta que pode levar a avanços nos tratamentos para as doenças que eles produzem.

Morfologia Viral

Os vírus são não celulares, o que significa que são entidades biológicas que não possuem uma estrutura celular. Portanto, eles carecem da maioria dos componentes das células, como organelas, ribossomos e a membrana plasmática. Um vírion consiste em um núcleo de ácido nucléico, um revestimento externo de proteína ou capsídeo e, às vezes, um envelope externo feito de proteínas e membranas fosfolipídicas derivadas da célula hospedeira. Os vírus também podem conter proteínas adicionais, como enzimas, dentro do capsídeo ou anexadas ao genoma viral. A diferença mais óbvia entre membros de diferentes famílias virais é a variação em sua morfologia, que é bastante diversa. Uma característica interessante da complexidade viral é que a complexidade do hospedeiro não se correlaciona necessariamente com a complexidade do vírion. Na verdade, algumas das estruturas de vírions mais complexas são encontradas nos bacteriófagos - vírus que infectam os organismos vivos mais simples, as bactérias.

Morfologia

Os vírus vêm em muitas formas e tamanhos, mas esses recursos são consistentes para cada família viral. Como vimos, todos os vírions têm um genoma de ácido nucléico coberto por um capsídeo protetor. As proteínas do capsídeo são codificadas no genoma viral e são chamadas capsômeros . Alguns capsídeos virais são hélices simples ou “esferas” poliédricas, enquanto outros são bastante complexos em estrutura (Figura 21.3).

Em geral, as cápsides dos vírus são classificadas em quatro grupos: helicoidal, icosaédrica, envolvida e cabeça e cauda. Capsídeos helicoidais são longos e cilíndricos. Muitos vírus de plantas são helicoidais, incluindo o TMV. Vírus icosaédricos têm formas quase esféricas, como as do poliovírus ou herpesvírus. Vírus envelopados têm membranas derivadas da célula hospedeira que envolve os capsídeos. Os vírus animais, como o HIV, são freqüentemente envolvidos. Vírus principais infectam bactérias e têm uma cabeça semelhante a vírus icosaédricos e uma cauda em forma de vírus helicoidal.

Muitos vírus usam algum tipo de glicoproteína para se anexar às células hospedeiras por meio de moléculas na célula chamada receptores virais . Para esses vírus, a fixação é necessária para posterior penetração na membrana celular, somente após a penetração é que o vírus pode completar sua replicação dentro da célula. Os receptores usados ​​pelos vírus são moléculas normalmente encontradas na superfície das células e têm suas próprias funções fisiológicas. Parece que os vírus simplesmente evoluíram para fazer uso dessas moléculas para sua própria replicação. Por exemplo, o HIV usa a molécula CD4 nos linfócitos T como um de seus receptores (Figura 21.4). CD4 é um tipo de molécula chamada molécula de adesão celular, que funciona para manter diferentes tipos de células imunes próximas umas das outras durante a geração de uma resposta imune de linfócitos T.

Um dos vírions mais complexos conhecidos, o bacteriófago T4 (que infecta o Escherichia coli) bactéria, tem uma estrutura de cauda que o vírus usa para se ligar às células hospedeiras e uma estrutura de cabeça que abriga seu DNA.

O adenovírus, um vírus animal sem envelope que causa doenças respiratórias em humanos, usa picos de glicoproteína que se projetam de seus capsômeros para se anexar às células hospedeiras. Os vírus sem envelope também incluem aqueles que causam poliomielite (poliovírus), verrugas plantares (papilomavírus) e hepatite A (vírus da hepatite A).

Os vírions envelopados, como o vírus influenza, consistem em ácido nucléico (RNA no caso da influenza) e proteínas do capsídeo rodeado por um envelope de bicamada fosfolipídica que contém proteínas codificadas pelo vírus. As glicoproteínas incorporadas no envelope viral são usadas para se anexar às células hospedeiras. Outras proteínas do envelope são as proteínas da matriz que estabilizam o envelope e freqüentemente desempenham um papel na montagem dos vírions da progênie. Varicela, HIV e caxumba são outros exemplos de doenças causadas por vírus com envelopes. Devido à fragilidade do envelope, os vírus sem envelope são mais resistentes a mudanças de temperatura, pH e alguns desinfetantes do que os vírus com envelope.

No geral, a forma do vírion e a presença ou ausência de um envelope nos dizem pouco sobre a doença que o vírus pode causar ou quais espécies ele pode infectar, mas ainda são meios úteis para iniciar a classificação viral (Figura 21.5).

Conexão Visual

Qual das seguintes afirmações sobre a estrutura do vírus é verdadeira?

  1. Todos os vírus são encerrados em uma membrana viral.
  2. O capsômero é composto por pequenas subunidades de proteínas chamadas capsídeos.
  3. O DNA é o material genético de todos os vírus.
  4. As glicoproteínas ajudam o vírus a se ligar à célula hospedeira.

Tipos de ácido nucléico

Ao contrário de quase todos os organismos vivos que usam DNA como material genético, os vírus podem usar DNA ou RNA. O núcleo do vírus contém o genoma - o conteúdo genético total do vírus. Os genomas virais tendem a ser pequenos, contendo apenas os genes que codificam proteínas que o vírus não consegue obter da célula hospedeira. Este material genético pode ser de fita simples ou dupla. Também pode ser linear ou circular. Enquanto a maioria dos vírus contém um único ácido nucléico, outros têm genomas divididos em vários segmentos. O genoma do RNA do vírus influenza é segmentado, o que contribui para sua variabilidade e evolução contínua, e explica por que é difícil desenvolver uma vacina contra ele.

Em vírus de DNA, o DNA viral direciona as proteínas de replicação da célula hospedeira para sintetizar novas cópias do genoma viral e para transcrever e traduzir esse genoma em proteínas virais. As doenças humanas causadas por vírus de DNA incluem varicela, hepatite B e adenovírus. Os vírus DNA sexualmente transmissíveis incluem o vírus do herpes e o vírus do papiloma humano (HPV), que tem sido associado ao câncer cervical e verrugas genitais.

Os vírus de RNA contêm apenas RNA como seu material genético. Para replicar seus genomas na célula hospedeira, os vírus de RNA devem codificar suas próprias enzimas que podem replicar o RNA em RNA ou, nos retrovírus, em DNA. Esses Enzimas de polimerase de RNA são mais propensos a cometer erros de cópia do que as DNA polimerases e, portanto, costumam cometer erros durante a transcrição. Por esse motivo, as mutações em vírus de RNA ocorrem com mais freqüência do que em vírus de DNA. Isso faz com que eles mudem e se adaptem mais rapidamente ao hospedeiro. As doenças humanas causadas por vírus de RNA incluem influenza, hepatite C, sarampo e raiva. O vírus HIV, que é transmitido sexualmente, é um retrovírus de RNA.

O desafio da classificação de vírus

Como a maioria dos vírus provavelmente evoluiu de ancestrais diferentes, os métodos sistemáticos que os cientistas usaram para classificar as células procarióticas e eucarióticas não são muito úteis. Se os vírus representam “resquícios” de organismos diferentes, mesmo a análise genômica ou de proteína não é útil. Por que?, Porque os vírus não têm sequência genômica comum que todos compartilham. Por exemplo, a sequência 16S rRNA tão útil para a construção de filogenias procariotas não tem utilidade para uma criatura sem ribossomos! Os biólogos usaram vários sistemas de classificação no passado. Os vírus foram inicialmente agrupados por morfologia compartilhada. Mais tarde, os grupos de vírus foram classificados pelo tipo de ácido nucléico que continham, DNA ou RNA, e se seu ácido nucléico era de fita simples ou dupla. No entanto, esses métodos de classificação anteriores agrupavam os vírus de maneira diferente, porque se baseavam em diferentes conjuntos de caracteres do vírus. O método de classificação mais comumente usado hoje é chamado de esquema de classificação de Baltimore e é baseado em como o RNA mensageiro (mRNA) é gerado em cada tipo particular de vírus.

Sistemas de classificação anteriores

Os vírus contêm apenas alguns elementos pelos quais podem ser classificados: o genoma viral, o tipo de capsídeo e a estrutura do envelope dos vírus com envelope. Todos esses elementos foram usados ​​no passado para classificação viral (Tabela 21.1 e Figura 21.6). Os genomas virais podem variar quanto ao tipo de material genético (DNA ou RNA) e sua organização (fita simples ou dupla, linear ou circular e segmentada ou não segmentada). Em alguns vírus, proteínas adicionais necessárias para a replicação estão associadas diretamente ao genoma ou contidas no capsídeo viral.

  • RNA
  • DNA
  • Vírus da raiva, retrovírus
  • Herpesvírus, vírus da varíola
  • De fita simples
  • Fita dupla
  • Vírus da raiva, retrovírus
  • Herpesvírus, vírus da varíola
  • Linear
  • Circular
  • Vírus da raiva, retrovírus, herpesvírus, vírus da varíola
  • Papilomavírus, muitos bacteriófagos
  • Não segmentado: o genoma consiste em um único segmento de material genético
  • Segmentado: o genoma é dividido em vários segmentos
  • Vírus parainfluenza
  • Vírus da gripe

Os vírus também podem ser classificados pelo design de seus capsídeos (Tabela 21.2 e Figura 21.7). Capsídeos são classificados como icosaédricos nus, icosaédricos envelopados, helicoidais envelopados, helicoidais nus e complexos.O tipo de material genético (DNA ou RNA) e sua estrutura (fita simples ou dupla, linear ou circular e segmentada ou não) são usados ​​para classificar as estruturas do núcleo do vírus (Tabela 21.2).

Classificação Capsid Exemplos
Icosaédrica nua Vírus da hepatite A, poliovírus
Envolto icosaédrico Vírus Epstein-Barr, vírus herpes simplex, vírus da rubéola, vírus da febre amarela, HIV-1
Helicoidal envolto Vírus da gripe, vírus da caxumba, vírus do sarampo, vírus da raiva
Helicoidal nua Vírus do mosaico do tabaco
Complexo com muitas proteínas, alguns têm combinações de estruturas icosaédricas e de cápside helicoidal Herpesvírus, vírus da varíola, vírus da hepatite B, bacteriófago T4

Classificação de Baltimore

O sistema de classificação de vírus mais comumente e atualmente usado foi desenvolvido pela primeira vez pelo biólogo vencedor do Prêmio Nobel David Baltimore no início dos anos 1970. Além das diferenças na morfologia e genética mencionadas acima, o esquema de classificação de Baltimore agrupa os vírus de acordo com como o mRNA é produzido durante o ciclo replicativo do vírus.

Os vírus do grupo I contêm DNA de fita dupla (dsDNA) como seu genoma. Seu mRNA é produzido por transcrição da mesma forma que o DNA celular, usando as enzimas da célula hospedeira.

Os vírus do grupo II têm DNA de fita simples (ssDNA) como genoma. Eles convertem seus genomas de fita simples em um intermediário de dsDNA antes que a transcrição para mRNA possa ocorrer.

Os vírus do grupo III usam dsRNA como seu genoma. As fitas se separam e uma delas é usada como molde para a geração de mRNA usando a RNA polimerase dependente de RNA codificada pelo vírus.

Os vírus do Grupo IV têm ssRNA como seu genoma com um polaridade positiva, o que significa que o RNA genômico pode servir diretamente como mRNA. Intermediários de dsRNA, chamados intermediários replicativos , são feitos no processo de cópia do RNA genômico. Múltiplos filamentos de RNA de comprimento total de polaridade negativa (complementar ao RNA genômico de fita positiva) são formados a partir desses intermediários, que podem então servir como modelos para a produção de RNA com polaridade positiva, incluindo tanto o RNA genômico de comprimento total quanto os mRNAs virais mais curtos.

Os vírus do grupo V contêm genomas de ssRNA com polaridade negativa, o que significa que sua sequência é complementar ao mRNA. Tal como acontece com os vírus do Grupo IV, os intermediários de dsRNA são usados ​​para fazer cópias do genoma e produzir mRNA. Nesse caso, o genoma de fita negativa pode ser convertido diretamente em mRNA. Além disso, fitas de RNA positivas de comprimento total são feitas para servir como modelos para a produção do genoma de fita negativa.

Os vírus do Grupo VI têm genomas de ssRNA diplóides (duas cópias) que devem ser convertidos, usando a transcriptase reversa da enzima, em dsDNA. O dsDNA é então transportado para o núcleo da célula hospedeira e inserido no genoma do hospedeiro. Então, o mRNA pode ser produzido pela transcrição do DNA viral que foi integrado ao genoma do hospedeiro.

Os vírus do Grupo VII têm genomas parciais de dsDNA e fazem intermediários de ssRNA que atuam como mRNA, mas também são convertidos de volta em genomas de dsDNA pela transcriptase reversa, necessária para a replicação do genoma.

As características de cada grupo na classificação de Baltimore estão resumidas na Tabela 21.3 com exemplos de cada grupo.


Perguntas de revisão

Qual é a diferença entre micro e macroevolução?

  1. A microevolução descreve a evolução de pequenos organismos, como insetos, enquanto a macroevolução descreve a evolução de grandes organismos, como pessoas e elefantes.
  2. A microevolução descreve a evolução de entidades microscópicas, como moléculas e proteínas, enquanto a macroevolução descreve a evolução de organismos inteiros.
  3. A microevolução descreve a evolução dos organismos em populações, enquanto a macroevolução descreve a evolução das espécies ao longo de longos períodos de tempo.
  4. A microevolução descreve a evolução dos organismos ao longo de suas vidas, enquanto a macroevolução descreve a evolução dos organismos ao longo de várias gerações.

A genética populacional é o estudo de:

  1. como forças seletivas mudam as frequências de alelos em uma população ao longo do tempo
  2. a base genética de características de toda a população
  3. se as características têm uma base genética
  4. o grau de endogamia em uma população

Qual das seguintes populações não está em equilíbrio de Hardy-Weinberg?

  1. uma população com 12 indivíduos homozigotos recessivos (yy), 8 indivíduos homozigotos dominantes (YY) e 4 indivíduos heterozigotos (Yy)
  2. uma população em que as frequências dos alelos não mudam ao longo do tempo
  3. p 2 + 2pq + q 2 = 1
  4. uma população em seleção natural

Uma das colônias Amish originais surgiu de um navio de colonos que veio da Europa. O capitão do navio, que tinha polidactilia, uma característica dominante rara, foi um dos colonos originais. Hoje, vemos uma frequência muito maior de polidactilia na população Amish. Este é um exemplo de:


Resumo da Seção

Os vírus são entidades acelulares minúsculas que geralmente só podem ser vistas com um microscópio eletrônico. Seus genomas contêm DNA ou RNA - nunca os dois - e eles se replicam usando as proteínas de replicação de uma célula hospedeira. Os vírus são diversos, infectando arquéias, bactérias, fungos, plantas e animais. Os vírus consistem em um núcleo de ácido nucleico rodeado por um capsídeo de proteína com ou sem um envelope lipídico externo. A forma do capsídeo, a presença de um envelope e a composição do núcleo ditam alguns elementos da classificação dos vírus. O método de classificação mais comumente usado, a classificação de Baltimore, categoriza os vírus com base em como eles produzem seu mRNA.