A Evolução dos Cromossomos Sexuais em Chupadores de Árvore

Em muitos grupos de animais, certos cromossomos são chamados de Cromossomos Sexuais, que têm um papel chave na determinação do gênero de um indivíduo. Por exemplo, em algumas espécies, um tipo de cromossomo sexual (como o X ou Z) tende a manter muitos genes e permanece ativo, enquanto o outro tipo (como o Y ou W) pode perder genes e se tornar menos útil com o tempo. Esse processo pode gerar desafios para mudar esses cromossomos sexuais para novas versões.

Quando os tipos de cromossomos sexuais mudam, como de um sistema XY para um sistema ZW, às vezes aparecem indivíduos com dois cromossomos Y, o que dificulta essa transição se esses indivíduos não forem fortes e saudáveis. Essa ideia foi reforçada por vários estudos que comparam diferentes espécies, mostrando que muitas espécies com cromossomos sexuais mais antigos tendem a manter seus cromossomos sexuais estáveis por um longo tempo, incluindo em aves, insetos e mamíferos. No entanto, algumas exceções foram notadas onde isso não se aplica.

Por outro lado, também existem grupos que mantêm o mesmo tipo de cromossomos sexuais, o que pode permitir mudanças mais rápidas tanto na identidade quanto na função desses cromossomos. O grau exato em que os cromossomos sexuais precisam diferir para causar problemas e se isso afeta todos os cromossomos da mesma maneira ainda é incerto.

Excepcionalmente, casos em que cromossomos sexuais se fundem com cromossomos regulares podem levar à formação de novos cromossomos sexuais e podem renovar a paisagem genética ligada ao sexo. Tais fusões podem ter efeitos significativos sobre como os genes se comportam, seja alterando os próprios genes ou mudando como genes ligados funcionam durante a reprodução.

Acredita-se que diferentes fatores influenciem essas fusões, incluindo seleções que favorecem um gênero em detrimento do outro e fenômenos genéticos que ocorrem durante a formação das células reprodutivas. No entanto, ainda não está claro qual desses fatores desempenha um papel maior, e essa variação parece diferir entre diferentes grupos de animais. Identificar as mudanças no genoma que levam a esses eventos, junto com o que impulsiona essas mudanças, é importante para entender como os cromossomos sexuais evoluem.

Insetos oferecem uma ótima oportunidade para estudar como essas fusões afetam a evolução dos cromossomos sexuais. Muitos insetos mostram alterações frequentes em seus Genomas, indicando que fusões entre cromossomos regulares e sexuais podem acontecer com frequência, especialmente se houver algum benefício nisso. Enquanto muitos insetos exibem esses novos cromossomos sexuais, ainda não se sabe se a taxa dessas fusões se alinha com os padrões de mudança observados em todo o genoma.

Há evidências de que o Cromossomo X em insetos permanece estável por longos períodos. No entanto, a presença de novos cromossomos sexuais varia bastante entre diferentes grupos de insetos.

Para entender melhor como os cromossomos sexuais são estáveis ou mudam, estudamos os genomas de 13 espécies de pulgões. Esses insetos são conhecidos por suas formas e estruturas únicas. Comparado a outros grupos de insetos, a pesquisa sobre como os pulgões evoluem geneticamente tem sido menos extensa. Nos pulgões, o arranjo comum dos cromossomos sexuais mostra que as fêmeas têm dois cromossomos X, enquanto os machos têm um. No entanto, algumas espécies de pulgões também mostram arranjos diferentes com sistemas XY, sugerindo o surgimento de novos cromossomos Y ao longo do tempo. Os pulgões também têm números variados de cromossomos totais, indicando um rearranjo genético frequente.

Aqui, montamos um mapa genético detalhado para uma espécie de pulgão, Umbonia crassicornis, e geramos mapas genéticos para mais 12 espécies de pulgões. Isso nos permitiu explorar as ligações entre Fusões Cromossômicas e a evolução dos cromossomos sexuais. Queríamos ver se a estabilidade de longo prazo do cromossomo X encontrada em outros insetos também era verdadeira para os pulgões.

#Montagem do Genoma de Umbonia crassicornis

Criamos a primeira montagem genética detalhada para Umbonia crassicornis usando ferramentas genéticas avançadas. Isso resultou em um tamanho de genoma de 1,2 Gb. A maior parte desse genoma se encaixa em apenas algumas partes grandes, sugerindo que corresponde ao número de cromossomos encontrados nesta espécie. Na verdade, a maior parte deste mapa genético parece vir da fusão de dois cromossomos regulares em um.

#Identificando Sequências Ligadas ao X

Em seguida, usamos o genoma montado de Umbonia crassicornis para encontrar seu cromossomo X. Estudando as informações genéticas de espécimes machos e fêmeas, determinamos que o cromossomo 10 é o cromossomo X com base nos padrões esperados de cobertura genética entre os sexos.

Depois, coletamos informações genéticas das outras 12 espécies de pulgões, que também variam em seus arranjos cromossômicos. Usamos os mesmos métodos para identificar cromossomos ligados ao X e cromossomos regulares entre essas espécies. Comparando essas sequências com nosso mapa genético original, descobrimos que a maioria delas correspondia ao cromossomo X de Umbonia, apoiando a ideia de um cromossomo X conservado nos pulgões ao longo de milhões de anos de evolução.

#Fusões Cromossômicas em Calloconophora

No entanto, houve algumas diferenças. Em uma espécie de pulgão, Calloconophora, encontramos padrões claros indicando uma fusão entre um cromossomo sexual e um dos cromossomos regulares. Trabalhos genéticos confirmaram que Calloconophora tem tanto um cromossomo X quanto um Y, e o cromossomo X é notavelmente maior que o Y, sugerindo que provavelmente contém material de um cromossomo regular.

Essa fusão significa que Calloconophora mudou de um sistema ancestral para um novo sistema de determinação sexual com seus cromossomos neo-X e neo-Y. Com o tempo, a capacidade dos cromossomos de trocar material genético provavelmente diminuiu nesse novo sistema, o que pode levar a diferenças maiores entre os dois novos cromossomos.

#Testando a Conservação do X

Dada a conservação do cromossomo X ancestral nos pulgões, queríamos investigar como esse X se compara aos de outras famílias de insetos. Comparamos o cromossomo X de Umbonia crassicornis com os de um cigarrinha e um saltador de plantas e encontramos que o X ancestral também está presente nesses grupos. Isso adiciona evidências sugerindo que o cromossomo X permaneceu estável em uma variedade maior de insetos ao longo de extensos períodos de tempo.

#Conclusão

Nossas descobertas mostram que o cromossomo X permanece amplamente constante entre as espécies de pulgões, mesmo ao longo de milhões de anos. Também identificamos um caso onde uma fusão levou à formação de um novo sistema de cromossomos sexuais em Calloconophora. Este trabalho, combinado com genomas de insetos existentes, revela a homologia contínua do cromossomo X ancestral dos pulgões entre diferentes insetos, indicando sua conservação a longo prazo ao longo da evolução.

#Métodos

Para coletar nossas amostras, pegamos pulgões machos e fêmeas de vários locais. Assim que obtivemos as amostras, extraímos o DNA usando métodos padrão em nosso laboratório. Em seguida, sequenciamos o DNA usando tecnologia genética avançada para obter os dados necessários.

Para Umbonia crassicornis, montamos o genoma usando um indivíduo específico criado em laboratório e utilizamos métodos adicionais para melhorar a qualidade da montagem. Também empregamos técnicas avançadas para visualizar os cromossomos de certas espécies para confirmar características estruturais importantes.

Para nossa análise, procuramos padrões de cobertura genética que indicam a presença de cromossomos sexuais versus cromossomos regulares. Usamos recursos genéticos disponíveis e comparamos as sequências entre diferentes espécies para estabelecer conexões e validar nossas descobertas.

No geral, nosso projeto destaca a natureza dinâmica da evolução genética, particularmente em relação aos cromossomos sexuais, e abre novas avenidas para entender como esses elementos cruciais da biologia persistem e mudam ao longo do tempo no mundo dos insetos.