UNIVERSITY PARK, Pa. – Pela primeira vez, os genomas da girafa e do seu parente vivo mais próximo, o okapi recluso da floresta tropical africana, foram sequenciados – revelando as primeiras pistas sobre as alterações genéticas que levaram à evolução do pescoço excepcionalmente longo da girafa e à sua classificação recorde como a espécie terrestre mais alta do mundo. A investigação será publicada na revista científica Nature Communications, a 17 de Maio de 2016.
“A estatura da girafa, dominada pelo seu longo pescoço e pernas e uma altura total que pode atingir os 19 pés (~ 6 m), é um feito extraordinário de evolução que inspira admiração e admiração há pelo menos 8.000 anos – desde as famosas esculturas rupestres em Dabous, na República do Níger”, disse Douglas Cavener, do Penn State, que liderou a equipa de investigação com Morris Agaba do Instituto Africano de Ciência e Tecnologia Nelson Mandela, na Tanzânia.
Como é que a girafa conseguiu o seu pescoço comprido?
“As mudanças evolutivas necessárias para construir a estrutura imponente da girafa e equipá-la com as modificações necessárias para o seu sprinting de alta velocidade e as suas poderosas funções cardiovasculares têm permanecido uma fonte de mistério científico desde o século XIX, quando Charles Darwin se confundiu pela primeira vez com as origens evolutivas da girafa”, disse Cavener, um professor de biologia e o Verne M. Willaman Dean do Eberly College of Science na Penn State. O coração da girafa, por exemplo, deve bombear sangue a dois metros de altura a fim de fornecer um amplo fornecimento de sangue ao seu cérebro. Esta proeza é possível porque o coração da girafa evoluiu para ter um ventrículo esquerdo invulgarmente grande, e a espécie também tem uma pressão sanguínea duas vezes superior à de outros mamíferos.
Para identificar alterações genéticas susceptíveis de serem responsáveis pelas características únicas da girafa, incluindo sprints que podem atingir 37 milhas por hora (60 km/h), Cavener e Agaba compararam as sequências de codificação genética da girafa e do okapi a mais de 40 outros mamíferos, incluindo a vaca, ovelha, cabra, camelo, e humano. “As sequências genéticas do Okapi são muito semelhantes às da girafa porque o okapi e a girafa divergiram de um antepassado comum apenas há 11 a 12 milhões de anos – relativamente recentemente numa escala de tempo de evolução”, disse Cavener. “Apesar desta estreita relação evolutiva, o okapi parece mais uma zebra e falta-lhe a altura imponente da girafa e a sua impressionante capacidade cardiovascular. Por estas duas razões, a sequência genómica do Okapi fornece um poderoso ecrã que utilizámos para identificar algumas das alterações genéticas únicas da girafa”
Utilizando uma bateria de testes comparativos para estudar as sequências genómicas da girafa e do okapi, os cientistas descobriram 70 genes que mostravam múltiplos sinais de adaptações. “Estas adaptações incluem substituições únicas de amino-ácido-sequência que são previstas para alterar a função proteica, divergência de sequência proteica, e selecção natural positiva”, disse Cavener. Mais de metade dos 70 genes codificam as proteínas que são conhecidas por regular o desenvolvimento e fisiologia do sistema esquelético, cardiovascular e nervoso – apenas o tipo de genes previstos como necessários para conduzir o desenvolvimento das características únicas da girafa.
entre as descobertas da equipa de investigação estão vários genes conhecidos quer para regular o desenvolvimento do sistema cardiovascular, quer para controlar a pressão sanguínea, estão entre os genes que mostram múltiplos sinais de adaptação na girafa. Alguns destes genes controlam tanto o desenvolvimento cardiovascular como o desenvolvimento esquelético, sugerindo a intrigante possibilidade de que a estatura da girafa e o sistema cardiovascular turboalimentado tenham evoluído em conjunto através de alterações num pequeno número de genes.
Os cientistas também descobriram pistas genéticas para a evolução do pescoço e pernas longas da girafa, que têm o mesmo número de ossos que o pescoço e pernas de humanos e outros mamíferos. “Para atingir o seu extraordinário comprimento, as vértebras cervicais e os ossos das pernas da girafa evoluíram para serem grandemente alargados”, disse Cavener. “São necessários pelo menos dois genes – um gene para especificar a região do esqueleto para crescer mais e outro gene para estimular um maior crescimento”. Entre os 70 genes que a investigação da equipa revelou serem marcadamente diferentes na girafa, os cientistas identificaram genes que são conhecidos por regular ambas as funções.
“O mais intrigante destes genes é o FGFRL1, que tem um aglomerado de substituições de aminoácidos exclusivos da girafa que se encontram na parte da proteína que liga os factores de crescimento do fibroblasto – uma família de reguladores envolvidos na regulação de muitos processos, incluindo o desenvolvimento embrionário”, disse Cavener. Esta via fibroblasto-factor de crescimento desempenha um papel crucial no controlo do desenvolvimento, começando no desenvolvimento inicial do embrião e estendendo-se através da fase de crescimento ósseo após o nascimento da girafa. Em humanos e também em ratos, defeitos esqueléticos e cardiovasculares graves estão associados a mutações debilitantes neste gene.
Os cientistas também identificaram quatro genes homeobox – do tipo envolvido no desenvolvimento das estruturas corporais – que são conhecidos por especificarem as regiões da coluna vertebral e das pernas. Cavener especula, “A combinação de alterações nestes genes homeobox e o gene FGFRL1 pode fornecer dois dos ingredientes necessários para a evolução do pescoço e pernas longas da girafa”
Agaba primeiro notou um grupo de genes que regulavam o metabolismo e o crescimento que eram divergentes na girafa em comparação com o okapi. Um destes genes codifica o receptor de ácido fólico, que é uma vitamina B essencial necessária para o crescimento e desenvolvimento normal. Outros genes metabólicos que os cientistas descobriram terem sido significativamente alterados na girafa são os envolvidos no metabolismo dos ácidos gordos voláteis que são gerados pela fermentação das plantas ingeridas – a principal fonte de energia para a girafa e outros ruminantes como gado bovino e caprino. A girafa tem uma dieta invulgar de folhas e sementes de acácia, que são altamente nutritivas mas também são tóxicas para outros animais. Os cientistas especulam que os genes responsáveis pela metabolização das folhas de acácia podem ter evoluído na girafa a fim de contornar esta toxicidade.
Cavener e Agaba, ambos geneticistas experimentais, dizem estar ansiosos por testar a função de alguns dos genes identificados que acreditam poder ser responsáveis pelas características únicas da girafa. A sua equipa de investigação está actualmente a testar o efeito potencial das diferenças únicas do gene FGFRL1 da girafa, introduzindo estas alterações em ratos utilizando os novos métodos de edição de genes CRISPR. A substituição do gene FGFRL1 da girafa por um rato não se espera que faça um rato de pescoço comprido. No entanto, os cientistas esperam ver como o gene FGFRL1 da girafa pode afectar o crescimento diferencial da coluna vertebral e das pernas dos ratos que é preditivo das características únicas da girafa.
“Esperamos que a publicação do genoma da girafa e pistas sobre a sua biologia única chamem a atenção para esta espécie à luz do recente declínio precipitado das populações de girafas”, disse Cavener. “Embora a situação do elefante – o companheiro mais curto da girafa na savana africana – tenha recebido a quota-parte de atenção dos leões, as populações de girafas diminuíram 40% nos últimos 15 anos devido à caça furtiva e perda de habitat (http://www.giraffeconservation.org). A este ritmo de declínio, o número de girafas na natureza descerá abaixo dos 10.000 até ao final deste século. Algumas subespécies de girafas já estão à beira da extinção”
Além de Agaba e Cavener, outros membros da equipa de investigação incluem Edson Ishengoma do Instituto Africano de Ciência e Tecnologia Nelson Mandela; Webb C. Miller, Barbara C. McGrath, Chelsea Hudson, Oscar C. Bedoya Reina, Aakrosh Ratan, Rico Burhans, Rayan Chikhi, Paul Medvedev, Craig A. Praul, Lan Wu-Cavener, e Brendan Wood of Penn State; Heather Robertson do Zoológico de Nashville; e Linda Penfold do White Oak Conservancy.sta investigação recebeu apoio financeiro do Penn State, Penn State’s Huck Institutes of the Life Sciences, e do Nelson Mandela African Institute for Science and Technology.
Um okapi, mostrando as suas pernas visivelmente curtas e pescoço curto em comparação com a girafa
Uma girafa macho adulto
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Girafa masculina
Girafa e cientista Doug Cavener face aface (a cabeça da girafa tem cerca de 3X o tamanho da cabeça do cientista
Uma girafa fêmea grávida
Uma girafa masculina com o pescoço esticado até alimentar-se de folhas de árvoresMasai girafa macho adulto comendo folhas de acácia no Parque Nacional de Mikumi, Tanzânia. Crédito fotográfico: Doug Cavener
Uma girafa jovem/div>