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Fenótipo e o estudo em larga escala – Phenomics

Estabelecer uma relação entre genótipo e fenótipo é um dos principais objetivos e um dos maiores desafios da genética. Além de determinar quais sequências de DNA estão relacionadas com características específicas, a compreensão do papel de fatores ambientais na origem de características específicas, doenças e comportamento, também são um campo importante de estudo.

A palavra fenótipo refere-se simplesmente a uma característica observável. “Feno” significa ‘observar’, e tem origem na mesma raiz da palavra ‘fenômeno’. Assim, fenótipo refere-se a qualquer característica que possa ser observável, como cor do cabelo, da pele, presença ou ausência de alguma doença, entre outros. Frequentemente, os fenótipos são utilizados para observar a diferença das sequências de DNA entre os indivíduos com características diferentes, e representam a consequência das interações entre genótipo e meio ambiente.

O genótipo, por sua vez, é a combinação de alelos para um determinado gene. A diferença principal entre fenótipo e genótipo é que o genótipo é herdado dos progenitores, enquanto o fenótipo não.

As perspectivas e o entendimento da dinâmica das variações fenotípicas têm tomado forma durante as últimas décadas, acompanhando o avanço no entendimento do nosso código genético. Basicamente, entende-se que a base principal para variações fenotípicas através das gerações é o próprio processo de desenvolvimento.

Relação entre fenótipo, genótipo e meio ambiente

O início do entendimento da relação entre fenótipo, genótipo e meio ambiente se deu na primeira metade do século 20, quando diversos embriologistas e biólogos evolucionistas caracterizaram a relação entre o desenvolvimento e a evolução, e apesar de terem perspectivas diferentes de como isso acontecia, formaram uma base importante de ideias, especialmente sobre como o ambiente pode tanto ser um agente de seleção fenotípica, quanto um agente de desenvolvimento.

Basicamente, o fenótipo pode ser influenciado pelo genótipo, embora não exclusivamente. Outros fatores como alterações epigenéticas, por exemplo, podem influenciar em como o genótipo levará à manifestação de um determinado fenótipo. Os efeitos do meio ambiente sobre os humanos são complexos, e seu impacto pode variar consideravelmente conforme a constituição genética de cada indivíduo.

Nos últimos anos, muitos autores têm proposto que a caracterização fenotípica em larga escala (phenomics) é um complemento natural ao sequenciamento do genoma. Informações fenotípicas são necessárias para compreender quais variantes genômicas afetam o fenótipo, para entender a pleitropia e fornecer as informações necessárias para decifrar as causas de fenômenos complexos, incluindo saúde, doenças e aptidão evolutiva.

O impacto da evolução no fenótipo

A comparação entre o genoma completo de humanos e primatas próximos permitiu a identificação em larga escala de modificações na linhagem humana. Estima-se que a perda de função de alguns genes pode estar diretamente relacionada a evolução de traços especificamente humanos.

Diversos estudos de genômica comparativa têm identificado perdas gênicas específicas em humanos, e que estão relacionadas com a evolução fenotípica. Por exemplo, o gene humano MYH16, que é considerado um pseudogene, ou seja, não produz proteína funcional devido uma deleção no éxon 18. Essa deleção ocorreu na linhagem humana após a ramificação evolutiva entre humanos e chipanzés, e está relacionada com o aumento do tamanho do cérebro em humanos. Especula-se que o gene MYH16 sofreu um relaxamento da pressão seletiva, levando ao acúmulo de mutações e a consequente perda de função, sendo um exemplo interessante da associação entre inativação gênica e a aquisição de fenótipos especificamente humanos.

Outro exemplo interessante é a pressão seletiva positiva sofrida pelo gene ASPM na ramificação entre chipanzés e humanos, que também teve impacto no aumento significante do tamanho do cérebro em humanos ancestrais. Além da expressão diminuída desse gene ter sido detectada em primatas, o silenciamento desse gene em camundongos está relacionado à microcefalia, mostrando a importância da expressão do gene ASPM no processo evolutivo das alterações fenotípica do cérebro humano

Gêmeos monozigóticos: mesmo genótipo, diferentes fenótipos

O estudo de gêmeos monozigóticos talvez seja um dos melhores modelos para o entendimento de como o meio ambiente influencia na definição do fenótipo. Gêmeos monozigóticos são também chamados de gêmeos idênticos ou univitelinos, e têm origem a partir de um único óvulo, ou seja, compartilham o mesmo material genético. Mas e em relação ao fenótipo? Gêmeos monozigóticos compartilham as mesmas características fenotípicas?

Nos últimos anos, diversos estudos têm demonstrado que gêmeos monozigóticos apresentam fenótipos bem distintos, como susceptibilidade a doenças, bem como características antropomórficas. Enquanto gêmeos monozigóticos são epigeneticamente indistinguíveis durante os primeiros anos de vida, gêmeos mais velhos apresentam diferenças significativas na distribuição do padrão de metilação, afetando seu perfil de expressão gênica e, consequentemente, seu fenótipo.

Estudos abordando o modelo de genótipo versus fenótipo em gêmeos tem ressaltado também diferenças importantes na manifestação de doenças como diabetes tipo 1, esclerose múltipla, artrite reumatoide, e outras importantes doenças autoimunes, demonstrando então que diferentes fenótipos podem ter origem a partir do mesmo genótipo.

Por que é importante entender a relação entre eles?

 A falta de conhecimento sobre a correlação genótipo-fenótipo é quase sempre citada como a maior barreira na prática clínica. Para compreender as funções biológicas, é essencial que se estabeleçam correlações entre mutações gênicas e fenótipo, a fim de mapear doenças genéticas e diversos outros fatores. Algumas doenças hereditárias apresentam características fenotípicas bem definidas, enquanto outras apresentam uma gama de alterações fenotípicas bem abrangentes, dificultando um diagnóstico preciso.

A terapia individualizada, que promete melhorar tanto a eficácia e quanto a segurança das drogas, ainda carece de estudos e maiores entendimentos da relação entre genótipo, resposta à drogas e fenótipo.

Como exemplo, temos as diversas enzimas necessárias para a metabolização de drogas, e essas enzimas estão sujeitas a diversas variações genéticas, resultando em diferentes fenótipos. Nesses casos, o fenótipo nada mais é do que a habilidade de metabolizar determinada droga, e que pode variar dependendo de a partir de qual gene codificante essa enzima é produzida, e a abordagem a partir de genotipagem e fenotipagem em conjunto são a melhor opção para identificar grandes diferenças na capacidade do metabolismo de drogas.

Para a indústria farmacêutica, principalmente, esse entendimento é a chave para determinar drogas e doses recomendadas para diferentes populações, tento um impacto importante na medicina de precisão e demonstrando o quanto é importante não nos basearmos somente no genótipo.  

Hoje existem diversos bancos de dados para auxiliar na busca e classificação de variantes genéticas para determinar diagnósticos complexos. Entre eles, o banco de dados Human Phenotype Ontology (HPO) foi desenvolvido com o objetivo principal de oferecer um conjunto de dados de fenótipos clínicos relevantes, anotações de fenótipos relacionados à doenças, e algorítimos para trabalhar esses dados. Os “termos HPO”, como são conhecidos, são essenciais na análise de variantes detectadas em exames como, por exemplo, sequenciamento do exoma e sequenciamento do genoma. Nesses exames, em particular, são detectadas inúmeras variantes, e a utilização dos termos HPO são fundamentais para filtras apenas as variantes que tem relação com o fenótipo do paciente. O banco de dados HPO estabelece uma relação entre fenótipos e genes conhecidamente relacionados, facilitando na chamada de variantes e no diagnóstico final.

Estudando e compreendendo o mapa genótipo-fenótipo

Por que não quantificar o fenômeno do fenótipo?Essa pergunta já foi feita para os genótipos, e por que não fazer essa mesma pergunta para o fenótipo? Tecnologias para fenotipagem em larga escala estão se tornando cada vez mais disponíveis, e abordagens de bioinformática e de análise tem permitido o uso de dados em alta dimensão. As características fenotípicas continuam sendo a ferramenta mais importante de predição de desfechos biológicos importantes, como aptidão, doenças e mortalidade.

Com a conclusão do sequenciamento do genoma humano, foi possível comparar o nosso código genético com primatas próximos, permitindo a identificação em larga escala de modificações genéticas na linhagem humana, incluindo substituições na sequência, novas isoformas de transcritos, e aquisição de sítios de modificação pós-translacionais. Uma das premissas principais da genômica é de que a herança é melhor estudada ao comparar uma lista de variantes genéticas que influenciam o fenótipo, mais do que estudando o fenótipo em si. No entanto, tem sido demonstrado por diversos estudos que o impacto das alterações genéticas no fenótipo é tão complexo, que abordagens partindo do fenótipo são mais elucidativos, especialmente em estudos sobre herdabilidade.

É importante lembrar que os fenótipos são igualmente, ou muitas vezes mais influenciados pelo meio ambiente do que as alterações genéticas em si. Assim, o fenótipo pode estar diretamente relacionado com o genótipo, mas não necessariamente. Os fenótipos são o que realmente importam para compreender um organismo, já que são as manifestações determinantes para diversos fatores. Devido à sua importância, acredita-se que o entendimento dos fenótipos trará cada vez mais benefícios para o entendimento de doenças, evolução e comportamento humano.

Referências:

– Oh HJ, Choi D, Goh CJ, Hahn Y. Loss of gene function and evolution of human phenotypes. BMB Rep. Jul;48(7):373-9. 2015.

– Félix MA. Phenotypic Evolution With and Beyond Genome Evolution. Curr Top Dev Biol. 2016;119:291-347. Epub. 2016.

– Stedman HH, Kozyak BW, Nelson A, Thesier DM, Su LT, Low DW, Bridges CR, Shrager JB, Minugh-Purvis N, Mitchell MA. Myosin gene mutation correlates with anatomical changes in the human lineage. Nature. Mar 25; 428(6981):415-8. 2004.

– Gurwitz D, Pirmohamed M. Pharmacogenomics: the importance of accurate phenotypes. Pharmacogenomics. Apr;11(4):469-70. 2010.

– Robinson PN, Köhler S, Bauer S, Seelow D, Horn D, Mundlos S. The Human Phenotype Ontology: a tool for annotating and analyzing human hereditary disease. Am J Hum Genet. 83(5):610-615. 2008.

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