Domínios proteicos e substituições de aminoácidos associados com a evolução da massa cerebral em primatas
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Francisco Pereira Lobo, Fabrício Rodrigues dos Santos, Gustavo Campos e Silva Kuhn, Maria Cátira Bortolini
Resumo
Primatas compreendem uma ordem de mamíferos conhecidos por sua capacidade cognitiva, um fenótipo complexo que resulta, ao menos parcialmente, de uma massa cerebral maior do que a esperada, dada sua massa corporal. Este fenótipo é recorrentemente descrito por valores numéricos que visam caracterizar a direção e intensidade de sua variação. Dois estimadores são frequentemente utilizados em vertebrados para medir a variação da massa cerebral observada, dada a massa corporal: o quociente de encefalização (EQ) e os resíduos da massa cerebral. A massa cerebral dos primatas apresenta enorme variação, abrangendo mais de três ordens de grandeza, e este fenótipo é herdável, ou seja, definido geneticamente. A genômica comparativa consiste em analisar características genotípicas entre espécies para nos ajudar a compreender a história evolutiva de diversos fenótipos. Uma abordagem recorrente na genômica comparativa é a busca por relações de correlação entre genótipos e fenótipos. Ao realizar análises desta natureza, é imprescindível considerar a relação filogenética entre as espécies, pois as observações são dependentes do padrão de ancestralidade compartilhada entre cada par de espécies. Outra metodologia possível é a procura por substituições individuais de aminoácidos compartilhadas entre as espécies com os diferentes valores dos fenótipos avaliados. Neste trabalho, integramos dados genômicos, fenotípicos e filogenéticos para identificar domínios proteicos e funções biológicas cuja expansão esteja associada com a variação da massa cerebral em primatas. Procuramos também por substituições de aminoácidos compartilhadas entre os primatas com maiores valores de EQ. Para tal, obtivemos, a partir de genomas de primatas disponíveis publicamente, proteomas não-redundantes anotados e de alta qualidade, bem como informação sobre a história evolutiva e as massas corporal e cerebral do grupo. Tais dados foram integrados para procurar correlações entre a frequência dos termos de anotação e os valores de EQ e dos resíduos. Entre os domínios significativamente associados ao EQ ou aos resíduos, destacamos o domínio FAM72, com alta expressão em células tronco neuronais. Outro domínio notável é o Olduvai, com expansão marcante no número de cópias nos humanos e implicado no aumento do tamanho cerebral nesta linhagem. Quanto às funções biológicas, diversas delas estão relacionadas com o metabolismo de proteínas. Há ainda domínios e funções que carecem de informação para entender sua possível relação com a massa cerebral. Entre os genes nos quais existem substituições convergentes compartilhadas pelas espécies com maiores EQ (e não pelas demais), houve enriquecimento de funções como neuron projection morphogenesis, neuron differentiation e generation of neurons. Em suma, este estudo traz informações sobre alterações genéticas associadas ao tamanho cerebral de primatas contribuindo para uma maior compreensão dos fundamentos moleculares da encefalização em nossa linhagem.
Abstract
Primates form an order of mammals known for their cognitive abilities, a complex phenotype that results, at least partially, from a larger-than-expected brain mass given their body mass. This phenotype is frequently described using numerical values that aim to characterize the direction and intensity of its variation. Two frequently used estimators are the encephalization quotient (EQ) and the residuals of brain mass. Brain mass in primates exhibits enormous variation, spanning more than three orders of magnitude, and this phenotype is a heritable trait, therefore defined genetically. Comparative genomics is the comparison of genotypic traits across species to identify similarities and differences and it helps us understand the evolutionary history of various traits. A common approach in this field is searching for correlations between genotypes and phenotypes within certain groups. When conducting such analysis it is advisable to take into account the phylogenetic relationships between species, given that they share common ancestry and are not independent entities ─ an assumption often made in many statistical analyses. Another possible methodology is the search for individual amino acid substitutions shared among species with the highest values of the evaluated phenotypes. In this study, we integrated genomic, phenotypic, and phylogenetic data to identify both protein domains and biological functions whose expansion is associated with the variation in brain mass among primates. We also searched for amino acid substitutions shared among primates with higher EQ values. To achieve this, we obtained high-quality, non-redundant annotated proteomes from publicly available primate genomes, along with information on the evolutionary history and body/brain masses of the group. These data were integrated to investigate correlations between annotation term frequencies and EQ and residual values. Among the domains significantly associated with EQ or residuals, we highlight the FAM72 domain, which is highly expressed in neural stem cells. Another notable domain is Olduvai, which shows a marked expansion in copy number in humans and has been implicated in brain size increase in this lineage. Regarding biological functions, several are related to protein metabolism. There are also domains and functions for which further information is needed to understand their potential relationship with brain mass. Among the genes in which convergent substitutions are shared by species with higher EQ (but not by others), we found an enrichment of functions such as neuron projection morphogenesis, neuron differentiation, and generation of neurons. In summary, this study provides insights into genetic factors associated with primate brain size, contributing to a better understanding of the molecular foundations of encephalization in our lineage.
Assunto
Genômica, Primatas, Encéfalo, Evolução Biológica
Palavras-chave
Genômica comparativa, Evolução do cérebro de primatas, Encefalização