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Co-optação gênica (recrutamento)

1990
  • Susumu Ohno
  • Joram Piatigorsky
  • Graeme Wistow
Laboratory scene depicting gene co-option in evolutionary genetics research.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

A co-optação gênica, ou recrutamento gênico, é o processo evolutivo no qual um gene ou rede de genes é empregado para uma nova função, frequentemente em um contexto de desenvolvimento diferente. Este é um mecanismo primário para a evolução de novas características sem a necessidade de criação de novos genes. Por exemplo, as cristalinas, proteínas estruturais transparentes do cristalino do olho, foram co-optadas de enzimas metabólicas.

A co-optação gênica é uma poderosa ilustração da evolução como uma "inventora", e não como uma engenheira. Em vez de projetar novos componentes do zero, ela reaproveita os já existentes. O mecanismo molecular frequentemente envolve alterações nos elementos cis-regulatórios (CREs) de um gene. Uma mutação em um CRE pode fazer com que um gene, que antes era expresso apenas no fígado, passe a ser expresso em células da pele em desenvolvimento, por exemplo. Se esse novo padrão de expressão conferir alguma vantagem, ele pode ser selecionado. A proteína em si não precisa mudar inicialmente; sua nova localização e contexto lhe conferem uma nova função.

The case of lens crystallins is a classic example. Research in the 1980s by Piatigorsky and Wistow showed that many crystallin proteins were either identical or closely related to common metabolic enzymes like lactate dehydrogenase and argininosuccinate lyase. These enzymes were already present in cells and happened to have properties—stability and solubility at high concentrations—that made them suitable for forming a transparent, refractive lens. A regulatory mutation led to their massive over-expression in the developing eye, co-opting them for a new structural role. Another famous example is the co-option of the Distal-less gene, used for appendage development, to pattern eyespots on butterfly wings.

UNESCO Nomenclature: 2411
Evolução

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • A teoria da evolução por duplicação de genes de Susumu Ohno
  • O conceito de exaptação por Stephen Jay Gould e Elisabeth Vrba
  • o modelo de Jacob-Monod de regulação gênica (o operon)
  • avanços no sequenciamento de proteínas e bioquímica
  • descoberta de elementos cis-regulatórios

Aplicações

  • Explicando a origem de novas estruturas biológicas como penas, membros e olhos.
  • Entender como o veneno das serpentes evoluiu a partir de enzimas digestivas.
  • biologia sintética, for engineering novel functions into existing genetic circuits
  • Desenvolvimento de medicamentos, através da compreensão de como as proteínas podem ter múltiplas funções (trabalho extra).
  • traçando a história evolutiva de características complexas

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • engineering bacteria to perform new metabolic tasks by co-opting existing enzymes into new pathways
  • designing ‘smart’ cancer therapies that co-opt a tumor’s own proteins for a cytotoxic function
  • creating biosensors by linking the regulatory element of one pathway to the protein product of another
  • developing self-repairing materials by co-opting genes for wound healing into structural biomaterials
  • engineering plants to produce pharmaceuticals in their leaves by co-opting metabolic enzymes
  • creating novel vaccines by expressing viral antigens using the cell’s own highly-expressed ‘housekeeping’ genes
  • designing logic gates in synthetic biology using co-opted transcription factors
  • developing new methods for bioremediation by recruiting microbial enzymes to break down novel pollutants
  • creating artificial tissues with new properties by forcing the expression of co-opted structural proteins
  • identifying potential drug targets by searching for ‘moonlighting’ proteins with unknown secondary functions
Relacionado a: co-optação gênica, recrutamento, exaptação, cristalina, evolução, características novas, regulação gênica, elementos cis-regulatórios, distal-less, evo-devo.

Contexto histórico

Co-optação gênica (recrutamento)

1983
1987
1990
1990
1990
1997
2000
1979
1983
1988
1990
1990
1997
2000
2008

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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