05 - DERIVA GENÉTICA

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DERIVA GENÉTICA
De acordo com o dicionário Houaiss, deriva, substantivo feminino, é o desvio de rota de um navio ou de uma aeronave causado por ventos ou correntes, e a expressão à deriva quer dizer sem governo, ao sabor dos acontecimentos. O termo deriva genética também tem um significado científico específico: é o nome dado à flutuação puramente casual nas frequências alélicas de uma população ao longo do tempo, devida a um efeito de amostragem. 
Para entender porque isto ocorre, devemos lembrar que o conjunto de genes de uma geração não é simplesmente uma cópia exata da geração precedente, mas sim uma amostra, que está sujeita a erros estatísticos, qual uma loteria genética. O norte-americano Sewall Wright (1889-1988), um dos pais da genética de populações e da síntese evolutiva moderna, foi o primeiro a chamar a atenção para esse fenômeno. Ele verificou que, quando o tamanho da população é pequeno (como no caso das tribos indígenas e isolados genéticos) ou diminui muito por epidemias ou guerra, podem ser observadas variações importantes nas frequências alélicas de uma geração para outra por causa da deriva genética.
 A deriva genética é um processo evolutivo importante nas seguintes situações: 
I) Populações pequenas 
Nas populações de reprodução sexuada (como a nossa) em que o indivíduo que recebe dos pais um cromossomo X e um Y é macho, enquanto aquele que recebe dois cromossomos X é fêmea, a probabilidade de um filho ser macho ou fêmea é 50%. No entanto existem famílias que só têm filhas. Nestas, o cromossomo Y desapareceu enquanto o X atingiu frequência de 100%, isto é, se fixou naquela família. Isto acontece porque o número de filhos é pequeno, e por um simples acaso, só nasceram filhas. Se o casal tivesse um grande número de filhos como certos animais, provavelmente teria nascido filhos homens. Estas modificações ao acaso são devidas à deriva genética. 
Em pequenas populações as modificações nas frequências dos genótipos dependem mais da deriva genética do que da seleção natural. Por exemplo, Freire-Maia e seus colaboradores verificaram que na ilha de Lençóis, próxima do litoral do Maranhão, onde em 1972 viviam 307 pessoas, nasceram 18 com uma forma de albinismo autossômico recessivo. Três faleceram e cinco emigraram de lá, e dez permaneceram (aproximadamente 3% da população = 1:33 indivíduos). Na população em geral esta forma de albinismo ocorre numa frequência média de 1:10.000 indivíduos, ou seja, a frequência de albinos na ilha de lençóis era 300 vezes maior que na população geral. Nesta ilha as taxas de mortalidade e de fertilidade entre os albinos eram iguais à dos membros normais, apesar de viverem apenas 1° de latitude abaixo do equador, sob uma radiação solar extremamente grande, e de que os albinos têm uma viabilidade bem menor sob a ação do sol porque muitos morrem prematuramente de câncer de pele. Em suma naquela população, o gene para albinismo funciona como normal, não sofrendo ação da seleção natural. 
Fig.1. Mapa de trecho do norte do Brasil mostrando a ilhas dos lençóis ao norte do maranhão (A)
Salzano, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, verificou que entre os índios caingangues, a deriva age sobre uma forma de albinismo e daltonismo.
II) Populações grandes que se reduzem temporariamente. 
Muitas populações ficam com seu tamanho muito reduzido durante períodos de seca (plantas) ou de escassez alimentar (animais) ou durante invernos rigorosos, voltando a crescer nos períodos mais favoráveis. Estes períodos desfavoráveis são comparáveis a um gargalo de garrafa que a população tem de atravessar, comprimindo-se para tanto. Nestes períodos, em que a população fica reduzida a uns poucos indivíduos, a composição genética da população se reduz por deriva genética perdendo muito dos genes existentes. Quando ela volta a crescer, fica geneticamente diferente do período anterior. Este fenômeno é conhecido como efeito de gargalo de garrafa. 
Fig. 2. Efeito do gargalo de garrafa
Assim, em 1947, Spencer verificou que numa população de drosófilas a frequência do gene Stubble era muito alta. Nessas moscas ocorriam grandes flutuações no número de indivíduos, consistindo os pais de uma população de verão os poucos indivíduos que conseguiram sobreviver no inverno. Uma vez que o gene Stubble parece não afetar o valor adaptativo das moscas, a explicação para o fato de ele ter atingido alta frequência parece ser a deriva genética.
III) Colonização de novos habitats. 
Suponha uma população humana em equilíbrio para os tipos sanguíneos ABO que tenha 36% de indivíduos do tipo O, 45% de tipo A, 13% de tipo B e 6% de AB. Suponhamos que esta população seja constituída de 1.000.000 de habitantes. Então, temos 360.000 do tipo O, 450.000 do tipo A, 130.000 do tipo B e 60.000 do tipo AB. Imaginemos que 50 casais (100 pessoas) do tipo A, heterozigotos (IAi), saiam desta população e vão viver em uma região distante, despovoada. Nessas l00 pessoas, a frequência do alelo i e do IA são igualmente 50% cada um. Após colonizarem a nova região, a população cresce atingindo também 1.000.000 de pessoas, só que todas serão do tipo A e O. Não haverá nesta população nenhum indivíduo do tipo B. Assim teremos uma população diferente geneticamente da original, porque seus fundadores não eram representativos da população de origem. Mayr denominou este fenômeno de Principio do Fundador, definindo-o como "o início de novas populações a partir de indivíduos que não representam bem a composição genética da população original". 
Por exemplo, na Oceania, pássaros da espécie “olho-de-prata” (Zosterops lateralis) originárias de grandes ilhas, como a Tasmânia que migraram para as ilhas da Nova Zelândia e Norfolk para fundar novas. Estudos com microssatélites mostraram que a diversidade genética foi diminuindo à medida que os pássaros migravam de uma ilha para outra. Quanto mais afastadas são as ilhas colonizadas, mais provável é que tenham sido colonizadas por poucos indivíduos. São exatamente nestas ilhas mais afastadas que as populações são mais diferenciadas. Quanto menor o número de indivíduos colonizadores, maior a probabilidade de serem diferentes geneticamente resultando em populações mais diferentes. 
O princípio do fundador fornece a explicação mais plausível para os casos onde um determinado alelo, muitas vezes deletério, ocorre com alta frequência em um grupo pequeno isolado, e é encontrado com muita raridade nas outras partes do mundo. Um exemplo deste caso é a alta frequência de tirosinose encontrada no nordeste do Canadá. A tirosinose ou tirosinemia é uma doença genética, autossômica recessiva, caracterizada por problemas hepáticos, vômitos, diarreias, problemas renais, que geralmente levam à morte do afetado. Sua freqüência varia entre 1/100.000 a 1/600.000, exceto em um isolado de Quebec(Canadá), onde ela atinge 1/13.000. Estudos genéticos demonstraram que um dos fundadores da região que vieram da França para o Canadá no século 17 era heterozigoto para este alelo, explicando sua alta frequência em algumas populações daquele país. 
Outro exemplo é a incidência relativamente alta do gene autossômico recessivo que determina a pentosúria congênita entre os judeus Ashkenazi. Este defeito se deve à deficiência da enzima xilulose redutase que converte a xilulose em xilitol, causando um acúmulo de xilulose no sangue que é excretado na urina. Entre os judeus de Israel, cujos ancestrais vieram do leste europeu, a frequência de pentosuria (xilocetosuria) foi estimada em 1/5.000, o que dá uma frequência gênica de 1,4%. Esta anomalia não foi encontrada entre os judeus de Israel que se originaram de outro lugar. Nos EUA, este defeito genético também ocorre em frequência elevada entre os judeus cujos ancestrais são provenientes do leste Europeu, mas é raríssima em outras populações. 
(a)
 
Fig. 3. Zosterops lateralis (a). História da migração da ave (b). Queda da diversidade genética por efeito do fundador (c).
IV) Características neutras. 
Aquelas características que não afetamo valor adaptativo dos indivíduos são adaptativamente neutras e não sofrem seleção natural, tendo sua frequência governada pela deriva genética casual, independente do tamanho da população. Se uma mutação causa a produção de uma substância fisiologicamente equivalente à substância normal, ela não deve alterar as propriedades adaptativas do indivíduo, porque a nova substância terá o mesmo efeito que a antiga. Assim, por exemplo, existem mutações que causam substituições de aminoácidos em moléculas de enzimas sem alterar suas propriedades enzimáticas. Se a substituição alterar a carga elétrica da enzima, ela poderá ser separada da enzima inalterada por eletroforese. Enzimas com sequências diferentes de aminoácidos que realizam a mesma função são denominadas isoenzimas ou isozimas. Segundo alguns autores as isozimas são adaptativamente neutras e suas frequências numa população dependem apenas da taxa de mutação e do tamanho da população. 
DERIVA GENÉTICA e SELEÇÃO NATURAL 
Na maioria das populações a deriva genética interage com a seleção natural. A interação entre deriva genética e seleção natural foi muito bem demonstrada por Warwick Kerr e Sewall Wright em 1954 estudando populações de Drosophila. Eles estudaram 96 populações de laboratório de Drosophila melanogaster contendo moscas “forked” (cerdas bifurcadas) e moscas de cerdas normais, e 108 populações da mesma espécie contendo moscas “Bar” (olho em barra) e moscas de olhos normais. Cada uma das 204 populações foi iniciada com quatro casais e frequência gênica de 50% de cada alelo. Em cada geração eles tomavam quatro casais ao acaso dentre os nascidos e transferiam para um novo frasco. Deste modo, as populações tinham somente 8 indivíduos. Em populações grandes, normalmente as moscas “Bar” e “forked” tendem a ser eliminadas da população por terem menor valor adaptativo que as normais, sendo que o valor adaptativo das moscas de olho “Bar” é menor que das “forked”. No entanto, nas populações mantidas pequenas o resultado variou conforme a população. 
Após 16 gerações, em 29 das 96 populações contendo moscas “forked”, o gene para cerdas normais foi eliminado, em 41 o gene “forked” foi eliminado e 26 tinham os dois tipos. Nas 108 populações com moscas “Bar”, 95 delas só tinham moscas normais, três tinham somente moscas “Bar” e 10 continham os dois tipos. Este experimento demonstra que em populações pequenas, o efeito da seleção natural não é sempre o mesmo, podendo acontecer que os genes desvantajosos se tornem maioria, se por acaso, todos os sobreviventes só contiverem aquele gene. 
DERIVA GENETICA E EVOLUÇÃO HUMANA
A humanidade não é um aglomerado único de pessoas em que a reprodução se dê ao acaso (panmixia), mas é composta de uma miríade de subpopulações aninhadas, de forma que o tamanho efetivo dos grupos reprodutivos humanos é pequeno, mesmo hoje. Apesar da vasta mobilidade humana na era do jato, ainda temos tendência a viver e morrer no mesmo local em que nascemos e também a casar com alguém da nossa mesma cidade. Não é nada surpreendente, então, que pessoas de uma mesma região geográfica sejam mais geneticamente parecidas do que pessoas de regiões distantes. Ademais, a população mundial não foi sempre grande como agora. Pelo contrário, o número de pessoas em nosso passado evolucionário flutuou consideravelmente durante a pré-história, chegando a números muito pequenos em várias ocasiões. Essas reduções demográficas extremas são tecnicamente chamadas de “efeitos de gargalo”. 
Brevíssima história evolucionária da humanidade 
A humanidade moderna emergiu uma única vez, na África, há aproximadamente 200 mil anos, e permaneceu isolada naquele continente durante dois terços de sua história. Alguns dados sobre esses 140 mil anos de solidão, baseados na sequencia completa do DNA mitocondrial de cerca de 600 africanos, foram publicados no American Journal of Human Genetics de maio de 2008 pela equipe do Projeto Geográfico da National Geographic Society. 
Os dados revelam um quadro de pequenos grupos humanos nômades, caçadores-coletores, vagando isolados pela ampla extensão territorial do continente africano. Há 70 mil anos uma seca prolongada quase causou a extinção do Homo sapiens. Restaram apenas cerca de 2.000 pessoas para reconstruir a humanidade – um fenomenal gargalo populacional. Com a melhora das condições climáticas, a reexpansão foi rápida. 
Fig. 4. Entre 60 mil e 50 mil anos atrás, um pequeno grupo de humanos migrou da África e povoou sequencialmente, o sudeste asiático, a Oceania, o restante da Ásia, a Europa e, finalmente, ao redor de 15 mil anos atrás, as Américas. Todos os humanos que vivem fora da África são descendentes desse pequeno contingente de pessoas
Entre 60 mil e 50 mil anos atrás, um pequeno grupo de humanos abandonou seu lar no leste africano e arriscou-se mundo afora. Esses pioneiros, estimados em menos de mil pessoas, aparentemente seguiram por via costeira, bordejando o Golfo Pérsico e a costa da Índia até chegar ao sudeste asiático (ver mapa acima). Todos os humanos não africanos são descendentes desse pequeno contingente – um fantástico “efeito fundador”. Aqueles mil transformaram-se em 7 bilhões! 
Fig 5. O gráfico mostra a relação entre a variabilidade populacional humana (medida pela técnica de polimorfismos de nucleotídeos) e a distância por terra, em quilômetros, do local da população até Adis Abeba na Etiópia. Existe uma significativa correlação negativa (-0,91) indicativa de efeitos fundadores seriais no povoamento da Terra. Modificado de Li et al., Science 319:1100-4, 2008.
Do sudeste asiático, os humanos conquistaram sucessivamente a Oceania, o restante da Ásia, a Europa e, finalmente, as Américas. Cada uma dessas ramificações da humanidade foi baseada na metástase de um pequeno grupo humano se aventurando ou sendo forçado a mudar-se para novos territórios. 
Mesmo agora, dezenas de milhares de anos após esses eventos, ainda encontramos no DNA da humanidade atual as indeléveis pegadas de efeitos fundadores seriados: a diversidade de populações humanas cai em proporção direta com a distância geográfica da África (ver figura). Isso é exatamente o que prediz a teoria da deriva genética, desenvolvida pelo geneticista americano Sewall Wright (1889-1988) nas décadas de 1930 e 1940.
Questões
O que se entende por deriva genética?
O que se entende por efeito de gargalo de garrafa?
O que se entende por princípio do fundador?
O que se entende por características neutras?
O falcão das ilhas Maurício (leste da África) sofreu uma redução no tamanho da população devido à destruição da floresta nativa. Em 1974 a população era constituída de apenas 4 indivíduos. Sob proteção, a população cresceu até 500 aves em 1997. Medidas de variabilidade genética utilizando microssatélites mostraram que a variabilidade genética em pele de animais conservados em museu era 2,3 vezes maior do que a atual. Como se explica esta redução na variação genética se a população é suficientemente grande?
A comunidade Valongo em Porto Belo, Santa Catarina, foi iniciada com 7 escravos fugitivos e um branco na década de 1880. Atualmente a comunidade é representada por 74 indivíduos. Estudos genéticos revelaram que nesta população o gene que codifica a enzima Butirilcolinesterase apresenta 2 alelos: alelo A com frequência de 73% e U com frequência de 27%. A frequência do alelo A nesta comunidade é a mais alta já registrada e é 50 vezes mais alta do que entre os africanos do sul do Saara na África. Como se explica isto?