Contribuição genética para o comportamento de Eucariotos unicelulares aos humanos modernos

A história evolutiva do sistema nervoso e suas implicações para o comportamento humano estão repletas de muitos questionamentos ainda sem respostas, mesmo após os resultados do projeto do genoma humano e a melhoria extraordinária dos métodos de nova geração; tanto para nossa quanto para outras espécies modelos. Sendo assim, a busca por respostas configura-se em um tópico não só instigante, como tremendamente desafiador. Genes associados aos neurotransmissores são encontrados em uma diversidade de eucariotos sem sistema nervoso central, estimulando a indagação sobre quando o complexo sistema nervoso apresentaria o arquétipo biológico para a sua emergência. Ademais, além da presença de um primitivo sistema nervoso desde a origem dos cnidários, são os hominíneos - primatas bípedes dotados de cérebros grandes - que mostram de maneira mais marcante como os comportamentos criativos, inovadores e aprendidos emergem como armas adaptativas poderosas para enfrentar as adversidades e desafios impostos pelo ambiente natural e social. Nesta tese procurou-se contribuir com respostas a estas e outras questões. Para isso, buscou-se por sinais de forças evolutivas que estariam atuando no genoma, em particular em genes associados com comportamentos adaptativos; desde a origem dos eucariotos unicelulares até o Homo sapiens. Dentre as várias abordagens utilizadas, nós fizemos uso de análises populacionais na busca dos mecanismos evolutivos por trás da manutenção de polimorfismos compartilhados (trans-específicos) por humanos arcaicos e modernos, presentes em genes associados com traços comportamentais complexos, os quais incluem “pensamento criativo” e “comportamento inovador”. Mostramos, por exemplo, que alguns desses polimorfismos estão sendo mantidos por pelo menos 400-275 mil (provavelmente por seleção balanceadora), como aqueles associados às doenças psiquiátricas, e que também fazem parte de um repertório genético que sobrepõem-se ao sistema imunológico. Essa variabilidade pode ter desempenhado um papel tanto sobre a plasticidade imunológica, quanto comportamental; dotando as espécies do gênero Homo com uma extraordinária capacidade adaptativa comportamental em diferentes nichos ecológicos e contextos sociais. Em uma outra abordagem, utilizando 238 genomas de eucariotos, mostramos que uma parte representativa dos ortólogos de genes de neurotransmissores já estava presentes no ancestral comum de todos os eucariotos. Curiosamente, o sistema dopaminérgico foi identificado como o mais representado na raiz dos eucariotos. Ainda, foi possível observar que desde a origem dos peixes não há inovações de ortologia, quando utilizamos a rede humana como parâmetro, sugerindo que a última rodada de duplicação completa do genoma no ancestral comum dos teleósteos provavelmente impulsionou a evolução da rede de neurotransmissores, ou mesmo foi a grande causa para a evolução da complexidade do sistema nervoso observada nesses organismos. Nossa ultima abordagem analisa as relações entre as diferentes taxas de mutações dentro da ordem dos primatas e traços de história de vida; como diversidade comportamental, de estratégia reprodutiva, tempo de geração, massa corporal e outros. Diferentemente dos valores observados em chimpanzés (Pan troglodytes), que replicaram estimativas anteriores, aqui identificamos que humanos e gorilas não apresentariam taxas de mutações constantes considerando a razão entre cromossomo X/cromossomos autossômicos. Este dado sugere, que, para o estudo da evolução do fenótipo de comportamento sexual, os chimpanzés seriam um bom modelo do putativo ancestral dos grandes macacos. Além disso, é provável que a competição espermática em gorilas e humanos pode ter sido muito mais intensa no passado do que atualmente. Além do mais, comparando os diferentes traços de histórico de vida dos primatas encontramos uma relação inversa entre as taxas de substituição nos cromossomos autossômicos e a razão entre idades de amadurecimento das fêmeas e machos, proporção de tamanho testicular, razão entre tempo de gestação e intervalo de nascimentos, e razão entre tempo de gestação e expectativa média de vida, mesmo quando controlada pelo método de análise filogenética independente de contrastes. Finalmente, mostramos dados preliminares sobre a variabilidade genética em genes ligados ao comportamento em Sapajus libidinosus, uma espécie de macaco do Novo Mundo caracterizada pelo uso inovador de ferramentas e aprendizagem social.The evolutionary history of the nervous system and its implications on human behavior is still full of questions, even in the face of the results from human genome project, and extraordinary new advances in the next generation methods; considering either for humans and other species. Thus, seeking to answer these questions is an exciting and challenging topic to study. Genes associated with neurotransmitters are found in a diversity of eukaryotes without a central nervous system, stimulating the inquiry into when the complex nervous system would have emerged. Nonetheless, beyond the presence of a primitive nervous system since the origin of cnidarians, the hominins are those which markedly demonstrate how creative, innovative, and learning behaviors make allow them to trespass natural and social challenges. In this present thesis we sought to contribute to the understanding of these issues. Initially, we searched for signs of evolutionary forces acting on genome, particularly on genes associated with adaptive behaviors; since the origin of unicellular eukaryotes to Homo sapiens. Among several used approaches used, we made use of population analyses searching for evolutionary mechanisms behind the maintenance of shared polymorphisms (trans-specific) between archaic and modern humans for genes associated with complex behavioral traits, which include "creative thinking" and " innovative behavior ". We were capable to demonstrate that, for example, some of these polymorphisms maintained by at least 400-275 thousand years (probably by balancing selection), such as those associated with psychiatric diseases, are also part of a genetic repertoire that overlaps those observed for immune system. This variability may have played a role in both immunological and behavioral plasticity; endowing species of the genus Homo with extraordinary adaptive behavioral capacity in different ecological niches and social contexts. In another approach, using 238 eukaryotic genomes, we showed that a representative part of neurotransmitter orthologs were already present in the common ancestor of all eukaryotes. Interestingly, the dopaminergic system was identified as the most represented system in the root of eukaryotes. It was also possible to observe that since the origin of fishes there were no orthological innovations when we use the human network as a parameter, suggesting that the last round of whole genome duplication in the common ancestral genome of teleosts probably boosted the evolution of the neurotransmitter network, or even were the cause of its complexity observed in these organisms. Our final approach analyzes the relationships between different mutation rates within the order of primates and life history traits; such as behavioral diversity, reproductive strategy, generation time, body mass and others. Differently from the values observed in chimpanzees (Pan troglodytes), which replicated previous estimations, we identified that humans and gorillas would not have kept a constant mutation rate considering the X-to-Autosomal ratio. This data suggests that chimpanzees would be a good model for the evolutionary studies of the sexual behavior, as a putative ancestral of the great apes. In addition, it is likely that sperm competition in gorillas and humans may have been much more intense in the past than currently. Moreover, comparing the different traits of primates’ life history, we found an antagonistic relationship between autosomal mutation rate and the ratio between females-to-males sexual maturity, proportion of testicular size, ratio between gestation time and interval of births, and the ratio between gestation time and life expectancy, even after controlling by the phylogenetically independent contrast analysis method. Finally, we show a preliminary data on genetic variability in behavioral genes in the Sapajus libidinous, a species of New World monkey characterized by innovative use of tools and social learning

FOXP in tetrapoda : intrinsically disordered regions, short linear motifs and their evolutionary significance

The FOXP subfamily is probably the most extensively characterized subfamily of the forkhead superfamily, playing important roles in development and homeostasis in vertebrates. Intrinsically disorder protein regions (IDRs) are protein segments that exhibit multiple physical interactions and play critical roles in various biological processes, including regulation and signaling. IDRs in proteins may play an important role in the evolvability of genetic systems. In this study, we analyzed 77 orthologous FOXP genes/proteins from Tetrapoda, regarding protein disorder content and evolutionary rate. We also predicted the number and type of short linear motifs (SLIMs) in the IDRs. Similar levels of protein disorder (approximately 70%) were found for FOXP1, FOXP2, and FOXP4. However, for FOXP3, which is shorter in length and has a more specific function, the disordered content was lower (30%). Mammals showed higher protein disorders for FOXP1 and FOXP4 than non-mammals. Specific analyses related to linear motifs in the four genes showed also a clear differentiation between FOXPs in mammals and non-mammals. We predicted for the first time the role of IDRs and SLIMs in the FOXP gene family associated with possible adaptive novelties within Tetrapoda. For instance, we found gain and loss of important phosphorylation sites in the Homo sapiens FOXP2 IDR regions, with possible implication for the evolution of human speech

FOXP in Tetrapoda: Intrinsically Disordered Regions, Short Linear Motifs and their evolutionary significance

Abstract The FOXP subfamily is probably the most extensively characterized subfamily of the forkhead superfamily, playing important roles in development and homeostasis in vertebrates. Intrinsically disorder protein regions (IDRs) are protein segments that exhibit multiple physical interactions and play critical roles in various biological processes, including regulation and signaling. IDRs in proteins may play an important role in the evolvability of genetic systems. In this study, we analyzed 77 orthologous FOXP genes/proteins from Tetrapoda, regarding protein disorder content and evolutionary rate. We also predicted the number and type of short linear motifs (SLIMs) in the IDRs. Similar levels of protein disorder (approximately 70%) were found for FOXP1, FOXP2, and FOXP4. However, for FOXP3, which is shorter in length and has a more specific function, the disordered content was lower (30%). Mammals showed higher protein disorders for FOXP1 and FOXP4 than non-mammals. Specific analyses related to linear motifs in the four genes showed also a clear differentiation between FOXPs in mammals and non-mammals. We predicted for the first time the role of IDRs and SLIMs in the FOXP gene family associated with possible adaptive novelties within Tetrapoda. For instance, we found gain and loss of important phosphorylation sites in the Homo sapiens FOXP2 IDR regions, with possible implication for the evolution of human speech

História evolutiva da subfamília FOXP : análise evolutiva molecular e estrutural em tetrápodes

A família gênica Forkhead P {FOXP) tem sido alvo de muitos estudos envolvendo evolução do cérebro e comportamento animal. Destacam-se particularmente as investigações com o gene FOXP2, que indicam que mudanças neste gene estariam associadas com a evolução da vocalização em algumas espécies de mamíferos, incluindo o Homo sapiens. Recentemente, estudos de desordem intrínseca de proteínas (IDPs) tem ganhado ênfase no contexto evolut ivo, visto que uma correlação posit iva entre regiões de desordem e altas taxas evolutivas tem sido observada. Através de um conjunto de abordagens que inclui predizer o conteúdo de desordem e os motivos lineares de interação, bem como as taxas evolutivas, buscamos desvendar a historia evolutiva dos genes da subfamília FOXP. Concentramos nossas análises sobre regiões desordenadas das proteínas FOXPl, FOXP2, FOXP3 e FOXP4 encontradas em 77 espécies de tetrápodes. Tais regiões proteicas são normalmente negligenciadas em estudos dessa natureza, pois se localizam fora de seus tra dicionais domínios conservados, normalmente associados à função principal da proteína. Sít ios apontados estando sob seleção positiva e relaxamento da restrição seletiva mostraram-se hotspots importantes para mudanças que podem impactar na capacidade de interação das proteínas. Encontramos que os maiores valores de w são mais prevalentes em regiões desordenadas que em ordenadas. Ainda, alto e similar valor de desordem (70%) foi encontrado nas 77 proteínas ortólogas de FOXPl , FOXP2, e FOXP4, indicando a manutenção de um "padrão geral" sobre um longo tempo evolutivo. Portanto, a variabilidade tanto de aminoácidos quanto de motivos lineares dentro das regiões de desordem foi marcante. A proteína FOXP3 apresentou menor nível de desordem (30%), mas signif icante sinal de seleção positiva em alguns sítios. Composição idênt ica de resíduo de aminoácido e/ou motivos lineares em espécies filogeneticamente distantes, indica clara convergência molecular, provavelmente associada a pressões seletivas similares. Sucessivamente, nossos achados mostraram uma clara diferença na composição de motivos lineares entre mamíferos e não mamíferos, dando suporte para a importância dos estudos de evolução da interatividade proteica para as compreensões de características taxa-específicas.Forkhead Family P (FOXP) has been target of many studies about brain and behavior evo lution among species. FOXP2 receives special attention in academic society, due associations with vocalízation evolution in mammals, including Homo sapiens. Recently, intrinsically disorder proteins studies have gained emphasis in the evolutionary context, as positive correlation between disorder regions and higher evolutionary rate has been observed. Through a set of approaches, including disorder and linear motif predictions, as well as estimate evolutionary rates, we aimed to unveil the evolutionary history of FOXP subfamily genes. We focused our ana lysis over disordered regions of FOXPl, FOXP2, FOXP3 and FOXP4 proteins retrieved in 77 tetrapods. Such protein regions are usually neglected in studies of this nature, for being localized out of the traditional conserved domains, usua lly associated with the main function of the protein. Sites indicated as under relaxation of selective constrains or positive selection have shown to be important hotspots for changes that can impact in protein interaction capability. Higher w va lues are prevalent in disordered regions than in ordered ones. Still, high and similar disorder proportion (~70%) was found among 77 orthologues proteins of FOXPl, FOXP2 and FOXP4, indicating general pattern of disorder maintenance, along tetrapod's evolutionary tree. However, amino acid and linear motifs variability within disordered regions was observed. FOXP3 protein presented lower disorder leveis (~30%), when compared with other paralogues, but signal of positive selection was observed in some sites. ldentical composition of amino acid residues and/or linear motifs is, probably, associated with similar selective pressure. Successively, ou r results showed clear differences in linear motif composition between mammals and non-mammals, supporting the importance of evolutionary studies on protein interaction for the understanding of taxa-specifics characteristics

Contribuição genética para o comportamento de Eucariotos unicelulares aos humanos modernos

A história evolutiva do sistema nervoso e suas implicações para o comportamento humano estão repletas de muitos questionamentos ainda sem respostas, mesmo após os resultados do projeto do genoma humano e a melhoria extraordinária dos métodos de nova geração; tanto para nossa quanto para outras espécies modelos. Sendo assim, a busca por respostas configura-se em um tópico não só instigante, como tremendamente desafiador. Genes associados aos neurotransmissores são encontrados em uma diversidade de eucariotos sem sistema nervoso central, estimulando a indagação sobre quando o complexo sistema nervoso apresentaria o arquétipo biológico para a sua emergência. Ademais, além da presença de um primitivo sistema nervoso desde a origem dos cnidários, são os hominíneos - primatas bípedes dotados de cérebros grandes - que mostram de maneira mais marcante como os comportamentos criativos, inovadores e aprendidos emergem como armas adaptativas poderosas para enfrentar as adversidades e desafios impostos pelo ambiente natural e social. Nesta tese procurou-se contribuir com respostas a estas e outras questões. Para isso, buscou-se por sinais de forças evolutivas que estariam atuando no genoma, em particular em genes associados com comportamentos adaptativos; desde a origem dos eucariotos unicelulares até o Homo sapiens. Dentre as várias abordagens utilizadas, nós fizemos uso de análises populacionais na busca dos mecanismos evolutivos por trás da manutenção de polimorfismos compartilhados (trans-específicos) por humanos arcaicos e modernos, presentes em genes associados com traços comportamentais complexos, os quais incluem “pensamento criativo” e “comportamento inovador”. Mostramos, por exemplo, que alguns desses polimorfismos estão sendo mantidos por pelo menos 400-275 mil (provavelmente por seleção balanceadora), como aqueles associados às doenças psiquiátricas, e que também fazem parte de um repertório genético que sobrepõem-se ao sistema imunológico. Essa variabilidade pode ter desempenhado um papel tanto sobre a plasticidade imunológica, quanto comportamental; dotando as espécies do gênero Homo com uma extraordinária capacidade adaptativa comportamental em diferentes nichos ecológicos e contextos sociais. Em uma outra abordagem, utilizando 238 genomas de eucariotos, mostramos que uma parte representativa dos ortólogos de genes de neurotransmissores já estava presentes no ancestral comum de todos os eucariotos. Curiosamente, o sistema dopaminérgico foi identificado como o mais representado na raiz dos eucariotos. Ainda, foi possível observar que desde a origem dos peixes não há inovações de ortologia, quando utilizamos a rede humana como parâmetro, sugerindo que a última rodada de duplicação completa do genoma no ancestral comum dos teleósteos provavelmente impulsionou a evolução da rede de neurotransmissores, ou mesmo foi a grande causa para a evolução da complexidade do sistema nervoso observada nesses organismos. Nossa ultima abordagem analisa as relações entre as diferentes taxas de mutações dentro da ordem dos primatas e traços de história de vida; como diversidade comportamental, de estratégia reprodutiva, tempo de geração, massa corporal e outros. Diferentemente dos valores observados em chimpanzés (Pan troglodytes), que replicaram estimativas anteriores, aqui identificamos que humanos e gorilas não apresentariam taxas de mutações constantes considerando a razão entre cromossomo X/cromossomos autossômicos. Este dado sugere, que, para o estudo da evolução do fenótipo de comportamento sexual, os chimpanzés seriam um bom modelo do putativo ancestral dos grandes macacos. Além disso, é provável que a competição espermática em gorilas e humanos pode ter sido muito mais intensa no passado do que atualmente. Além do mais, comparando os diferentes traços de histórico de vida dos primatas encontramos uma relação inversa entre as taxas de substituição nos cromossomos autossômicos e a razão entre idades de amadurecimento das fêmeas e machos, proporção de tamanho testicular, razão entre tempo de gestação e intervalo de nascimentos, e razão entre tempo de gestação e expectativa média de vida, mesmo quando controlada pelo método de análise filogenética independente de contrastes. Finalmente, mostramos dados preliminares sobre a variabilidade genética em genes ligados ao comportamento em Sapajus libidinosus, uma espécie de macaco do Novo Mundo caracterizada pelo uso inovador de ferramentas e aprendizagem social.The evolutionary history of the nervous system and its implications on human behavior is still full of questions, even in the face of the results from human genome project, and extraordinary new advances in the next generation methods; considering either for humans and other species. Thus, seeking to answer these questions is an exciting and challenging topic to study. Genes associated with neurotransmitters are found in a diversity of eukaryotes without a central nervous system, stimulating the inquiry into when the complex nervous system would have emerged. Nonetheless, beyond the presence of a primitive nervous system since the origin of cnidarians, the hominins are those which markedly demonstrate how creative, innovative, and learning behaviors make allow them to trespass natural and social challenges. In this present thesis we sought to contribute to the understanding of these issues. Initially, we searched for signs of evolutionary forces acting on genome, particularly on genes associated with adaptive behaviors; since the origin of unicellular eukaryotes to Homo sapiens. Among several used approaches used, we made use of population analyses searching for evolutionary mechanisms behind the maintenance of shared polymorphisms (trans-specific) between archaic and modern humans for genes associated with complex behavioral traits, which include "creative thinking" and " innovative behavior ". We were capable to demonstrate that, for example, some of these polymorphisms maintained by at least 400-275 thousand years (probably by balancing selection), such as those associated with psychiatric diseases, are also part of a genetic repertoire that overlaps those observed for immune system. This variability may have played a role in both immunological and behavioral plasticity; endowing species of the genus Homo with extraordinary adaptive behavioral capacity in different ecological niches and social contexts. In another approach, using 238 eukaryotic genomes, we showed that a representative part of neurotransmitter orthologs were already present in the common ancestor of all eukaryotes. Interestingly, the dopaminergic system was identified as the most represented system in the root of eukaryotes. It was also possible to observe that since the origin of fishes there were no orthological innovations when we use the human network as a parameter, suggesting that the last round of whole genome duplication in the common ancestral genome of teleosts probably boosted the evolution of the neurotransmitter network, or even were the cause of its complexity observed in these organisms. Our final approach analyzes the relationships between different mutation rates within the order of primates and life history traits; such as behavioral diversity, reproductive strategy, generation time, body mass and others. Differently from the values observed in chimpanzees (Pan troglodytes), which replicated previous estimations, we identified that humans and gorillas would not have kept a constant mutation rate considering the X-to-Autosomal ratio. This data suggests that chimpanzees would be a good model for the evolutionary studies of the sexual behavior, as a putative ancestral of the great apes. In addition, it is likely that sperm competition in gorillas and humans may have been much more intense in the past than currently. Moreover, comparing the different traits of primates’ life history, we found an antagonistic relationship between autosomal mutation rate and the ratio between females-to-males sexual maturity, proportion of testicular size, ratio between gestation time and interval of births, and the ratio between gestation time and life expectancy, even after controlling by the phylogenetically independent contrast analysis method. Finally, we show a preliminary data on genetic variability in behavioral genes in the Sapajus libidinous, a species of New World monkey characterized by innovative use of tools and social learning

Extroversão da arqueologia: estudo de caso no Colégio Sagrado Coração de Jesus

É sabida a importância do ensino da arqueologia nas escolas para que, através dela, os alunos tenham o conhecimento sobre ocupações de povos pretéritos e contemporâneos. Dessa forma é possível fazer um trabalho de ressignificação de suas identidades, ou fomentar as identidades já criadas. Bem como, assim que há a reapropriação do patrimônio arqueológico, os alunos passam a ser agentes de preservação. Tendo isso em vista, este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo de caso realizado no Colégio Sagrado Coração de Jesus, localizado no município de Rio Grande - RS. A partir do contato da professora Maria Andréia com o Laboratório de Ensino e Pesquisa de Arqueologia e Antropologia, a equipe formulou uma metodologia em que é apresentado aos alunos um pouco do que é a arqueologia, como o arqueólogo trabalha e qual seu papel social. Posteriormente, os alunos foram convidados a interagir com artefatos arqueológicos levados até o colégio. Com isso, buscamos estabelecer um diálogo entre o que é feito e exercido no curso de arqueologia da FURG e os alunos do colégio, esperando assim que estes últimos atuem como agentes multiplicadores de conhecimento

Homo sapiens, Homo neanderthalensis and the Denisova specimen : New insights on their evolutionary histories using whole-genome comparisons

After a brief review of the most recent findings in the study of human evolution, an extensive comparison of the complete genomes of our nearest relative, the chimpanzee (Pan troglodytes), of extant Homo sapiens, archaic Homo neanderthalensis and the Denisova specimen were made. The focus was on non-synonymous mutations, which consequently had an impact on protein levels and these changes were classified according to degree of effect. A total of 10,447 non-synonymous substitutions were found in which the derived allele is fixed or nearly fixed in humans as compared to chimpanzee. Their most frequent location was on chromosome 21. Their presence was then searched in the two archaic genomes. Mutations in 381 genes would imply radical amino acid changes, with a fraction of these related to olfaction and other important physiological processes. Eight new alleles were identified in the Neanderthal and/or Denisova genetic pools. Four others, possibly affecting cognition, occured both in the sapiens and two other archaic genomes. The selective sweep that gave rise to Homo sapiens could, therefore, have initiated before the modern/archaic human divergence

Oxytocin and arginine vasopressin systems in the domestication process

Domestication is of unquestionable importance to the technological revolution that has given rise to modern human societies. In this study, we analyzed the DNA and protein sequences of six genes of the oxytocin and arginine vasopressin systems (OXT-OXTR; AVP-AVPR1a, AVPR1b and AVPR2) in 40 placental mammals. These systems play an important role in the control of physiology and behavior. According to our analyses, neutrality does not explain the pattern of molecular evolution found in some of these genes. We observed specific sites under positive selection in AVPR1b ( = 1.429, p = 0.001) and AVPR2 ( = 1.49, p = 0.001), suggesting that they could be involved in behavior and physiological changes, including those related to the domestication process. Furthermore, AVPR1a, which plays a role in social behavior, is under relaxed selective constraint in domesticated species. These results provide new insights into the nature of the domestication process and its impact on the OXT-AVP system

Las Provincias : diario de Valencia: Año XLVIII Número 17272 - 1914 Enero 11

Abstract Oxytocin receptor (OXTR) and arginine vasopressin receptors (AVPR1a, AVPR1b, and AVPR2) are paralogous genes that emerged through duplication events; along the evolutionary timeline, owing to speciation, numerous orthologues emerged as well. In order to elucidate the evolutionary forces that shaped these four genes in placental mammals and to reveal specific aspects of their protein structures, 35 species were selected. Specifically, we investigated their molecular evolutionary history and intrinsic protein disorder content, and identified the presence of short linear interaction motifs. OXTR seems to be under evolutionary constraint in placental mammals, whereas AVPR1a, AVPR1b, and AVPR2 exhibit higher evolutionary rates, suggesting that they have been under relaxed or experienced positive selection. In addition, we describe here, for the first time, that the OXTR, AVPR1a, AVPR1b, and AVPR2 mammalian orthologues preserve their disorder content, while this condition varies among the paralogues. Finally, our results reveal the presence of short linear interaction motifs, indicating possible functional adaptations related to physiological and/or behavioral taxa-specific traits