14 Genomas e Genômica

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Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 397 
As proteínas Hox têm uma sequência em comum 
lab 
pb 
Df d 
Ser 
Antp 
Ubx 
abd-A 
abd-B 
NNSGRTNFTNKQLTELEKEFHFNRYLTRARRIEIANTLQLNETQVKIWFQNRRMKQKKRV 
PRRLRTAYTNTQLLELEKEFHFNKYLCRPRRIEIAASLDLTERQVKVWFQNRRMKHKRQT 
PKRQRTAYTRHQILELEKEFHYNRYLTRRRRIEIAHTLVLSERQIKIWFQNRRMKWKKDN 
TKRQRTSYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEH 
RKRGRQTYTRYQTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKWKKEN 
RRRGRQTYTRYQTLELEKEFHTNHYLTRRRRIEMAHALCLTERQIKIWFQNRRMKLKKEI 
RRRGRQTYTRFQTLELEKEFHFNHYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMKLKKEL 
VRKKRKPYSKFQTLELEKEFLFNAYVSKQKRWELARNLQLTERQVKIWFQNRRMKNKKNS 
Sequência -RRGRT-YTR-QTLELEKEFHFNRYLTRRRRIEIAHALCLTERQIKIWFQNRRMK-KKE-
consenso Hélice 1 Hélice 2 Hélice 3 
Figura 13.8 Sequências de homeodomínios da mosca. Todos os oito genes Hox de Drosophila codificam proteínas que contêm um 
domínio altamente conservado de 60 aminoácidos, o homeodomínio, composto de três hélices O'.. As hélices 2 e 3 formam um motif hélice--
giro-hélice similarmente ao repressor Lac, Cro e outras proteínas de ligação ao DNA. Os resíduos comuns aos genes Hox estão sombreados 
em amarelo; os resíduos diferentes estão sombreados em vermelho; aqueles comuns aos subgrupos de proteínas estão sombreados em azul 
ou verde. [De 5. 8. Carrol/,}. K. Grenier e 5. D. Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design, 2nd ed. 
81ackwel/, 2005.] 
cidos. A sequência de aminoácidos do homeodomínio é mui-
to similar entre as proteínas Hox (Figura 13.8). 
Embora a descoberta de um motif proteico comum em 
cada uma das proteínas Hox tenha sido muito entusiasmante, 
análises posteriores da estrutura do homeodomínio revela-
ram que ela forma um motif hélice-giro-hélice comum ao 
repressor Lac, ao repressor À, à Cro e às proteínas regulado-
ras a2 e a 1 dos Zoei de tipos reprodutivos de leveduras. Essa 
similaridade sugeriu imediatamente (e, subsequentemente, 
mostrou) que as proteínas Hox são proteínas de ligação ao 
DNA sequência-específicas, e exercem seus efeitos controlan-
do a expressão de genes nos segmentos em desenvolvimento 
e apêndices. Assim, os produtos desses genes notáveis funcio-
nam por meio de princípios que já são conhecidos dos Capí-
tulos 11 e 12, ligando-se a elementos reguladores de outros 
genes para ativar ou reprimir sua expressão. Veremos que 
isso também é verdade para outros genes toolkit: uma fração 
significativa desses genes codifica fatores de transcrição que 
controlam a expressão de outros genes. 
Mensagem. Muitos genes too/kit codificam fatores de trans-
crição que regulam a expressão de outros genes. 
Vamos ver como as proteínas Hox e outras proteínas toolkit 
orquestram a expressão gênica no desenvolvimento um pou-
co mais adiante. Primeiro, há uma grande descoberta a des-
crever, e ela revela que o que aprendemos dos genes Hox tem 
implicações gerais para o reino animal. 
Grupos de genes Hox controlam o 
desenvolvimento na maioria dos animais 
Quando o homeoboxe foi descoberto em genes Hox de moscas, 
houve dúvida se essa característica era alguma peculiaridade 
desses bizarros genes de mosca ou estava mais amplamente 
distribuída, em outros insetos ou animais segmentados, por 
exemplo. Para abordar essa possibilidade, os pesquisadores 
procuraram homeoboxes nos genomas de outros insetos, bem 
como de minhocas, sapos, vacas e até mesmo humanos. Eles 
encontraram muitos homeoboxes em cada um desses geno-
• • mas amma1s. 
As similaridades nas sequências homeoboxe de espé-
cies diferentes foram surpreendentes. Em mais de 60 dos 
aminoácidos do homeodomínio, algumas proteínas Hox de 
camundongos e sapos eram idênticas às sequências das mos-
cas em até 59 das 60 posições (Figura 13.9). Tendo em vista 
A proteína Hox de Drosophila e a de vertebrados mostram marcantes similaridades 
Mosca Dfd 
Anfíbio Hox4 
Camundongo HoxB4 
Humano HoxB4 
PKRQRTAYTRHQILELEKEFHYNRYLTRRRRIEIAHTLVLSERQIKIWFQNRRMKWKKDN KLPNTKNVR 
TKRSRTAYTRQQVLELEKEFHFNRYLTRRR~EIAH,SLGLTERQIKIWFQNRRMKWKKD RLPNTKTRS 
PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRVEIAHWLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH KLPNTKIRS 
PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRVEIAHWLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH KLPNTKIRS 
Galinha HoxB4 PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRVEIAHSLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH KLPNTKIRS 
Sapo HoxB4 ~RSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRVEIAHTL!RLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH KLPNTKIKS 
Fugu HoxB4 PKRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRVEIAHTLCLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH KLPNTKVRS 
Peixe-zebra HoxB4 2\KRSRTAYTRQQVLELEKEFHYNRYLTRRRRVEIAHTL!RLSERQIKIWFQNRRMKWKKDH KLPNTKIKS 
Figura 13.9 As sequências do homeodomínio da proteína Deformed de Drosophila e de vários genes da proteína Hox do grupo 4 em 
vertebrados são muito similares. Os resíduos em comum estão sombreados em amarelo. Os resíduos divergentes estão sombreados em ver-
melho; os resíduos comuns a subgrupos de proteínas estão sombreados em azul. As regiões flanqueadoras C-terminais muito similares fora 
do homeodomínio estão sombreadas em verde. [De 5. 8. Carrol/,}. K. Grenier e 5. D. Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular Genetics 
and the Evolution of Animal Design, 2nd ed. 8/ackwell, 2005. ] 
398 Introdução à Genética 
as grandes distâncias evolutivas entre esses animais, mais 
de 500 milhões de anos desde que tiveram um ancestral 
comum, a amplitude da similaridade das sequências indica 
uma pressão muito forte para manter a sequência do homeo-
domínio. 
A existência dos genes Hox com homeoboxes em todo o 
reino animal foi totalmente inesperada. Por que tipos dife-
rentes de animais teriam os mesmos genes reguladores não 
era óbvio, motivo pelo qual os biólogos ficaram surpresos 
com os resultados quando foi examinada a organização e a 
expressão de genes Hox em outros animais. Nos vertebrados, 
como o camundongo de laboratório, os genes Hox também 
estão aglomerados em quatro grandes complexos gênicos em 
quatro cromossomos diferentes. Cada grupo contém de 9 a 
11 genes Hox, um total de 39 genes Hox. Além disso, a ordem 
dos genes nos complexos Hox de camundongos é paralela à 
ordem de suas contrapartes mais relacionadas nos complexos 
Hox das moscas, bem como em cada um dos outros grupos 
Hox de camundongos (Figura 13.10a). Essa correspondência 
indica que os complexos Hox de insetos e vertebrados estão 
relacionados, e que alguma forma de complexo Hox existiu 
em seu distante ancestral comum. Os quatro complexos Hox 
em camundongos surgiram por duplicações de complexos 
Hox inteiros (talvez de cromossomos inteiros) nos ancestrais 
dos vertebrados. 
Por que tais animais diferentes têm esses conjuntos de 
genes em comum? Seus ancestrais comuns indicam que os 
genes Hox têm algum papel fundamental no desenvolvimento 
da maioria dos animais. Esse papel é aparente pelas análises 
de como os genes Hox são expressos em animais diferentes. 
Nos embriões dos vertebrados, genes Hox adjacentes tam-
bém são expressos em domínios adjacentes ou parcialmente 
superpostos ao longo do eixo anteroposterior do corpo. Além 
disso, a ordem dos genes Hox nos complexos corresponde à 
ordem da cabeça à cauda das regiões do corpo nas quais os 
genes são expressos (Figura 13.10b). 
Os padrões de expressão dos genes Hox dos vertebrados 
sugeriram que eles também especificam a identidade das 
regiões corpóreas, e subsequentes análises de mutantes do 
gene Hox levantaram essa sugestão. Por exemplo, as muta-
ções nos genes Hoxa11 e Hoxd11 causam a transformação 
homeótica das vértebras sacrais em vértebras lombares 
(Figura 13.11). Assim, como na mosca, a perda ou ganho de 
função dos genes Hox em vertebrados causa a transforma-
ção da identidade de estruturas serialmente repetidas. Tais 
resultados foram obtidos em várias classes, incluindo mamí-
feros, aves, anffbios e peixes. Além disso, os grupos de genes 
Hox foram mostrados governando a padronização de outros 
insetos e dispostos em regiões ao longo do eixo anteroposte-
rior em anelídeos, moluscos, nematódeos, vários artrópodes, 
A ordem dos genes Hox é paralela à das partes do corpo nas quaiseles são expressos 
(a) 
Camundongo 
Hoxa 
Camundongo 
Hoxb 
a-1 
b-1 
a-2 a-3 a-4 
b-2 b-3 b-4 
Camundongo -------
a-5 a-6 a-7 a-9 a-10 a-11 a-13 
b-5 b-6 b-7 b-8 b-9 b-13 
Hoxc c-4 c-5 c-6 c-8 c-9 c-10 c-11 c-12 c-13 
~~;~ndongo __ d_ 1 ----il=:J~f--------11DH 1 r 1 1 1 1 H l-d-3 d-4 d-8 d-9 d-10 d-11 d-12 d-13 
(b) 
Embrião de camundongo 
Figura 13.1 O Como os das moscas-das-frutas, os genes Hox de vertebrados são organizados em grupos e expressos ao longo do eixo 
anteroposterior. (a) No camundongo, quatro complexos dos genes Hox, compreendendo 39 genes no total, estão presentes em quatro cro-
mossomos d iferentes. Nem todo gene é representado em cada complexo. A lguns foram perdidos no curso da evolução. (b) Os genes Hox são 
expressos em domínios distintos ao longo do eixo anteroposterior do embrião de camundongo. As cores representam os grupos d iferentes de 
genes mostrados na parte a. [Oe 5. 8 . Carrol/, "Homeotic Genes and the Evolution of Arthropods and Chordates'~ Nature 376, 1995, 479-485.J 
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 399 
cordados primitivos, platelmintos e outros animais. Portanto, 
apesar das enormes diferenças na anatomia, a posse de um ou 
mais grupos de genes Hox que estão dispostos em regiões ao 
longo do eixo corpóreo principal é uma característica comum, 
fundamental, de pelo menos todos os animais bilaterais. De 
fato, as lições surpreendentes dos genes Hox mostraram o que 
se tornou uma tendência geral entre os genes toolkit; isto é, a 
maioria desses genes é comum a animais diferentes. 
Eixo -: 
1 
dorsoventral 
Eixo 
Dorsal 
1 
1 
1 
Ventral 
A relação entre os eixos corpóreos embrionário e adulto. 
Mensagem. Apesar das grandes diferenças anatômicas, muitos 
genes too/kit são comuns a uma ampla gama de diferentes ramos 
de animais. 
Façamos agora um inventário do resto do instrumental 
. " . . para ver que outros pr1nc1p1os gerais emergem. 
13.3 Definição da too/kit 
Os genes Hox talvez sejam os membros toolkit mais bem 
conhecidos, mas formam uma pequena família em um grupo 
muito grande de genes necessários para o desenvolvimento 
dos números apropriados, formas, tamanhos e tipos de parte 
do corpo. Pouco se sabia sobre outras toolkit até finais da 
década de 1970 e início de 1980, quando Christine Nüsslein-
Volhard e Eric Wieschaus, que trabalhavam no Max Planck 
Institute em Tübingen, Alemanha, encontraram os genes 
necessários para a formação da organização segmentar do 
embrião e da larva de Drosophila. 
Até seus esforços, a maioria dos trabalhos com o desen-
volvimento da mosca enfocava fenótipos em adultos viáveis 
e não em embriões. Nüsslein-Volhard e Wieschaus perce-
beram que os tipos de genes que eles estavam procuran-
do eram provavelmente letais para os embriões ou larvas 
em mutantes homozigotos. Assim, eles criaram um esque-
ma para procurar genes que são necessários no zigoto (o 
produto da fertilização; Figura 13.12, embaixo). Eles tam-
bém desenvolveram triagens para identificar os genes com 
produtos que funcionam no zigoto, antes que o genoma 
zigótico seja ativado, e são necessários para a padronização 
adequada do embrião. Os genes com produtos transmiti-
dos pela fêmea para o zigoto são chamados de genes de 
efeito materno. Os fenótipos mutantes de genes de efeito 
materno estrito dependem apenas do genótipo da fêmea 
(Figura 13.12, em cima) . 
Nessas triagens, foram identificados genes que eram 
necessários para produzir o número e o padrão apropriados 
dos segmentos larvares, suas três camadas de tecidos ( ecto-
derma, mesoderma e endoderma) e padronizar os detalhes 
finos da anatomia animal. O poder das triagens genéticas 
Os genes Hox regulam a identidade de estruturas serialmente repetidas em vertebrados 
(a) Tipo selvagem (b) Hoxa11+/Hoxa11; 
Hoxd11-1Hoxd11-
(e) Hoxa11-1Hoxa11 ; 
Hoxd11-1 Hoxd11-
Figura 13.11 As morfologias das diferentes regiões da coluna vertebral são regu ladas pelos genes Hox. (a) No camundongo, seis vérte-
bras lombares formam-se logo anteriores às vértebras sacrais (números em vermelho). (b) Em camundongos sem a função de posterioridade 
do gene Hoxd11 e com uma cópia funcional do gene Hoxa 11, formam-se sete vértebras lombares e uma vértebra sacra! é perdida. (c) 
Em camundongos sem a função de ambos, Hoxa 11 e Hoxd11, formam-se oito vértebras lombares e duas vértebras sacrais são perdidas. 
[Fotografias por cortesia da Ora. Anne Boulet, HHMI, University of Utah; de S. 8. Carrol,}. K. Grenier e S. D. Weatherbee, From DNA to Diversity: 
Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design, 2nd ed. Blackwel/, 2005.] 
400 Introdução à Genética 
Triagens genéticas para genes de desenvolvimento 
de efeito materno e necessários no zigoto 
GENES MATERNOS NECESSÁRIOS 
Genitores Prole 
mi+ o x mi+ ~ ---+ mim, mi+, +I+ todos normais 
mim o x mi+ ~ ---+ mim, mi+ 
+I+, mi+, ou mim o x mim~ ---+ mi+, mim 
GENES NECESSÁRIOS NO ZIGOTO 
Genitores 
mi+ o x mi+~ ~ mi+, +I+ 
mim 
todos normais 
todos 
fenótipos 
mutantes 
Prole 
normal 
fenótipo 
mutante 
Figura 13.12 As triagens genéticas identificam se um produto 
gênico funciona no ovócito ou no zigoto. Os fenótipos da prole 
dependem do (em cima) genótipo materno para genes de efeito 
materno ou (embaixo) do genótipo da prole (zigótico) para genes 
zigoticamente necessários (m, mutante; +, tipo selvagem). 
era sua natureza sistemática. Saturando cada cromossomo 
da mosca (exceto o pequeno quarto cromossomo) com muta-
ções induzidas quimicamente, os pesquisadores conseguiram 
identificar a maioria dos genes que eram necessários para a 
construção da mosca. Por seus esforços pioneiros, Nüsslein-
Volhard, Wieschaus e Lewis dividiram o Prêmio Nobel de 
1995 de Fisiologia ou Medicina. 
A característica mais notável dos mutantes recém-iden-
tificados foi que eles apresentavam defeitos impressionan-
tes, mas bem definidos, na organização ou padronização do 
embrião. Isto é, a larva morta não era uma carcaça amor-
fa, mas exibia defeitos de padronização específicos e, com 
frequência, acentuados. O corpo da larva de Drosophila tem 
várias características em que o número, a posição ou o padrão 
podem servir como marcos para diagnosticar ou classificar as 
anomalias nos animais mutantes. Cada locus podia, portanto, 
ser classificado de acordo com o eixo corpóreo que é afetado e 
o padrão de defeitos causados pelas mutações. Os cruzamen-
tos revelam se o locus é ativo no ovócito materno ou zigoto. 
Cada classe de genes parece representar etapas diferentes 
no refinamento progressivo do plano corpóreo embrionário, 
dos que afetam grandes regiões do embrião até aqueles com 
áreas mais limitadas de influência. 
Para qualquer gene toolkit, três informações são funda-
mentais para se compreender o funcionamento gênico: (1) 
o fenótipo mutante, (2) o padrão da expressão gênica e (3) a 
natureza do produto gênico. O estudo exaustivo de algumas 
dezenas de genes levou a um quadro detalhado de como cada 
eixo do corpo é estabelecido e subdividido em segmentos ou 
camadas germinativas. 
Eixos anteroposterior e dorsoventral 
Algumas dúzias de genes são necessárias para a organização 
apropriada do eixo corpóreo anteroposterior do embrião da 
mosca. Os genes são agrupados em cinco classes distintas, com 
base em sua área de influência no padrão embrionário. 
• A primeira classe estabelece o eixo anteroposterior e con-
siste nos genes de efeito materno. Um membro impor-
tante dessa classe é o gene Bicoid. Os embriões de mães 
mutantes Bicoid não apresentam a região anterior do cor-
po (Figura 13.13), significando que o gene é necessário 
para o desenvolvimento dessa região. 
As três classes seguintes são genes zigoticamente ati-
vos necessários para o desenvolvimento de segmentos do 
embrião. 
• A segunda classe contém os genes gap. Cada um desses 
genes afeta a formação de um bloco contíguo de segmen-
tos; as mutações nos genes gap levam a grandes espaços 
na segmentação (Figura 13.14, à esquerda) . 
• A terceira classeconstitui os genes de regra dos pares, 
que atuam com uma periodicidade de segmento duplo. 
Os mutantes de regras dos pares são partes que faltam de 
cada par de segmentos, mas genes diferentes de regra dos 
pares afetam partes diferentes de cada segmento duplo. 
Por exemplo, o gene even-skipped afeta um grupo de li-
mites segmentares, e o gene odd-skipped afeta o conjunto 
complementar de limites (Figura 13.14, no meio). 
• A quarta classe consiste nos genes de polaridade segmen-
tar, que afetam a padronização dentro de cada segmento. 
Os mutantes dessa classe apresentam defeitos na polarida-
de e no número de segmentos (Figura 13.14, à direita). 
A quinta classe de genes determina o destino de cada 
segmento. 
• A quinta classe inclui os genes Hox já discutidos; os mutan-
tes Hox não afetam o número de segmentos, mas alteram 
o aspecto de um ou mais segmentos. 
Figura 13.13 O gene de efeito materno Bicoid (bcd) afeta a parte 
anterior da larva em desenvolvimento. Essas fotomicrografias são de 
larvas de Drosophila que foram preparadas para mostrar seus rígidos 
exoesqueletos. Estruturas densas, como as bandas de dentículos seg-
, ' 
mentares, aparecem em branco. (A esquerda) Uma larva normal. (A 
direita) Uma larva de um mutante homozigoto bcd fêmea. As estru-
turas da cabeça e torácica anterior estão faltando. [Oe e. H. Nüss/ein-
Vo/hard, G. Frohnhõfer e R. Lehmann, "Determination of Anteroposterior 
Po!arity in Drosophi/a '~ Science 238, 1987, 1678.] 
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 401 
Os mutantes de genes de segmentação são as partes que faltam nos segmentos 
Gap Regra dos pares Polaridade segmentar 
.. ----:...: · 
·I:.--~ . 
·z.~· 
Krüppel 
knirps 
. ------- --~ 
·: :-- : :· /;- Çç:>' 
. . . . . .. .. 
even-skipped 
-,,----, . . . 
-~- ~ 
_/ · ·~· --- ---, 
paired 
. ·-- ... . . 
_J. ___ --
-.... ~ . _.,. . . 
.. -------
- ~ --
--- ----- ··· / 
.. --- --- / 
. .. ......... . . 
. ........ . 
odd-skipped 
--- ----· ·- -
. . ---::s.: 
------~ - -
runt 
. -- .. 
. ,. .... .. . . . . 
-,.. .... - . . 
gooseberry 
... ..... ... 
. . . - . . . -------
---- .. ~ 
.. -- ----. . _/ / 
.. . ·-- _/ ~ 
.. · ··- _/ / 
. . .. . . . . -. . ~ 
-
. . -.. . . -. 
...... ... 
--- ----- -
-- ---- --
. .. .. --. 
patched 
Figura 13.14 Classes de mutantes de gene de segmentação de Drosophila. Esses diagramas mostram mutantes gap, regra dos pares e 
polaridade segmentar. Os trapézios em vermelho são as bandas densas de exoesqueleto vistas na Figura 13.13. O limite de cada segmento 
é ind icado por uma linha pontilhada. O diagrama da esquerda de cada par mostra uma larva do tipo selvagem, e o d iagrama da direita 
mostra o padrão formado em determinado mutante. As regiões sombreadas em rosa nos diagramas do tipo selvagem indicam os domínios 
da larva que estão faltando ou foram afetados no mutante. 
Expressão dos genes too/kit 
Para compreender a relação entre genes e o fenótipo mutante, 
precisamos conhecer a cronologia e a localização dos padrões 
de expressão gênica e a natureza molecular dos produtos 
gênicos. Os padrões de expressão dos genes toolkit corres-
pondem nitidamente a seus fenótipos, pois são precisamente 
correlacionados com as partes do corpo em desenvolvimento 
que estão alteradas nos mutantes. Cada gene é expresso em 
uma região que pode ser mapeada em coordenadas especí-
ficas ao longo do eixo do embrião. Por exemplo, a proteína 
Bicoid de efeito materno é expressa em um padrão graduado 
que emana do polo anterior do embrião inicial, a seção do 
embrião que falta nos mutantes (Figura 13.15a). Similarmen-
te, as proteínas gap são expressas em blocos de células que 
correspondem a futuras posições dos segmentos que estão fal-
tando nos respectivos mutantes do gene gap (Figura 13.15b). 
As proteínas de regra dos pares são expressas em padrões de 
faixas: uma faixa transversa é expressa a cada dois segmentos, 
em um total de sete faixas cobrindo os 14 futuros segmentos 
corpóreos (a posição e a periodicidade das faixas correspon-
dem à periodicidade de defeitos nas larvas mutantes), como 
mostrado na Figura 13.15c. Muitos genes de polaridade seg-
mentar são expressos em faixas de células dentro de cada 
segmento, 14 faixas no total, correspondendo a 14 segmentos 
corporais (Figura 13.15d). Note que os domínios da expressão 
gênica tornam-se progressivamente mais refinados à medida 
que o desenvolvimento continua: os genes são expressos pri-
meiro em grandes regiões (proteínas gap), então em faixas 
de três a quatro células de largura (proteínas de regra dos 
pares) e, a seguir, em faixas de uma a duas células de largura 
(proteínas de polaridade segmentar). 
Além do que aprendemos sobre os padrões espaciais da 
expressão dos genes de desenvolvimento, a ordem de expres-
são desses genes ao longo do tempo é lógica. A proteína Bicoid 
de efeito materno aparece antes das proteínas gap zigóticas, 
que são expressas antes do aparecimento dos padrões de sete 
faixas das proteínas de regra dos pares que, por sua vez, pre-
cedem os padrões de 14 faixas das proteínas de polaridade 
segmentar. A ordem de expressão gênica e o refinamento pro-
gressivo dos domínios no embrião revelam que a produção 
do plano corpóreo é um processo gradativo, com importantes 
subdivisões do corpo ocorrendo primeiro e, então, refinadas 
402 Introdução à Genética 
Figura 13.15 Os padrões de expressão de genes too/kit correspon-
dem a fenótipos mutantes. Os embriões de Drosophila foram corados 
com anticorpos para (a) a proteína Bicoid de origem materna, (b) a 
proteína gap Krüppel, (c) a proteína de regra dos pares Hairy e (d) 
a proteína de polaridade segmentar Engrailled e visualizados por 
métodos imunoenzimáticos (corados em marrom) (a) ou por imuno-
fluorescência (corados em verde) (b-d). Cada proteína está local izada 
nos núcleos em regiões do embrião que são afetadas por mutações 
nos respectivos genes. [Fotomicrografias por cortesia de (a) Ruth Leh-
mann e (b-d) James Langeland.] 
expressão de outros genes toolkit. Por exemplo, nos embriões 
de mães mutantes Bicoid, a expressão de vários genes gap é 
alterada, bem como a expressão dos genes de regra dos pares 
e de polaridade segmentar. Esse achado sugere que a proteína 
Bicoid de algum modo (direta ou indiretamente) influencia 
a regulação dos genes gap. 
até ser estabelecido um padrão fino. A ordem de ação gênica 
sugere, ainda, que a expressão de um grupo de genes pode 
controlar a expressão dos grupos de genes seguintes. 
Outro indício de que a expressão de um grupo de genes 
poderia controlar a expressão de sucessivos grupos de genes 
vem do exame dos produtos proteicos. A inspeção da sequência 
proteica Bicoid revela que ela contém um homeodomínio, 
correlato mas distinto dos das proteínas Hox. Assim, Bicoid 
tem as propriedades de um fator de transcrição de ligação 
ao DNA. Cada gene gap também codifica um fator de trans-
crição, como cada gene de regra dos pares, vários genes de 
polaridade segmentar e, como descrito antes, todos os genes 
Hox. Esses fatores de transcrição incluem representantes da 
maioria das fanu1ias conhecidas de proteínas de ligação ao 
DNA sequência-específicas; assim, embora não haja restrição 
quanto a que fanu1ias podem pertencer, muitas proteínas 
toolkit de ação precoce são fatores de transcrição. As que 
não são fatores de transcrição tendem a ser componentes 
de vias de sinalização (Tabela 13.1). Essas vias, mostradas 
genericamente na Figura 13.16, medeiam processos de sina-
lização induzidos por ligantes entre células, e seu produto 
Um indício de que essa progressão é, de fato, o que ocorre 
vem da análise dos efeitos das mutações nos genes toolkit na 
Tabela 13.1 Exemplos de genes do eixo A-P de Drosophila que contribuem para a formação de padrão. 
Símbolo 
gênico Nome do gene 
hb-z hunchback-zygotic 
Kr Krüppel 
kni knirps 
eve even-skipped 
ftz fushitarazu 
opa odd-paired 
prd paired 
en engrailed 
wg wingless 
hh hedgehog 
ptc patched 
lab"labial 
Dfd Deformed 
Antp Antennapedia 
Ubx Ultrabithorax 
Função da proteína 
Fator de transcrição - proteína zinc-finger 
Fator de transcrição - proteína zinc-finger 
Fator de transcrição - proteína do tipo receptor 
de esteroide 
Fator de transcrição - proteína homeodomínio 
Fator de transcrição - proteína homeodomínio 
Fator de transcrição - proteína zinc-finger 
Fator de transcrição - proteína PHOX 
Fator de transcrição - proteína homeodomínio 
Sinalização da proteína WG 
Proteína de sinalização HH 
Proteína transmembrana 
Fator de transcrição - proteína homeodomínio 
Fator de transcrição - proteína homeodomínio 
Fator de transcrição - proteína homeodomínio 
Fator de transcrição - proteína homeodomínio 
Papel(éis) no desenvolvimento 
inicial 
Gene gap 
Gene gap 
Gene gap 
Gene de regra dos pares 
Gene de regra dos pares 
Gene de regra dos pares 
Gene de regra dos pares 
Gene de polaridade segmentar 
Gene de polaridade segmentar 
Gene de polaridade segmentar 
Gene de polaridade segmentar 
Gene de identidade segmentar 
Gene de identidade segmentar 
Gene de identidade segmentar 
Gene de identidade segmentar 
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 403 
Via típica de transdução de sinal 
Extracelular 
_ _l lJULllULU 
Membrana celular 
Citoplasma 
TF inativo 
Ativação da 
cascata de 
fosforilação 
Ativação ou translocação 
do fator de transcrição 
para o núcleo 
TF ativo TF ativo 
Membrana nuclear 
Núcleo 
Ligação a sequências reguladoras de ação eis 
TF 
Acentuador Promotor 
Figura 13.16 A maioria das vias de sinalização opera por lógica simi lar, mas tem componentes proteicos e mecanismos de transdução 
de sinal diferentes. A sinalização começa quando um ligante liga-se a um receptor de membrana, levando à l iberação ou ativação de 
proteínas intracelulares. A ativação do receptor em geral leva à modificação de fatores de transcrição (TF) inativos. Os fatores de transcrição 
modificados são translocados para o núcleo celu lar, onde se ligam a sequências de DNA reguladoras de ação eis ou a proteínas de ligação 
ao DNA e regulam o nível de transcrição do gene-alvo. [De 5. 8. Carrol!,}. K. Crenier e 5. D. Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular 
Cenetics and the Evolution of Animal Design. 2nd ed. 81ackwel/, 2005. J 
geralmente leva à ativação gênica ou repressão. Assim, a 
maioria das proteínas toolkit, seja direta (como fatores de 
transcrição) ou indiretamente (como componentes de vias 
de sinalização), afeta a regulação gênica. 
Mensagem. Muitas proteínas too/kit são fatores de transcrição 
ou componentes de vias de transdução de sinal mediadas por 
ligante. 
Os mesmos princípios aplicam-se à formação do eixo cor-
póreo dorsoventral e do eixo anteroposterior. O eixo dorso-
ventral também é subdividido em regiões. Vários genes de 
efeito materno, como o dorsal, são necessários para estabele-
cer essas regiões em posições distintas do lado dorsal (alto) 
em relação ao lado ventral (baixo) do embrião. Os mutan-
tes dorsais são "dorsalizados" e não têm estruturas ventrais 
(como o mesoderma e o sistema nervoso). Diversos genes 
que são ativados no zigoto também são necessários para a 
subdivisão do eixo dorsoventral. 
O produto do gene de efeito materno dorsal é um fator 
de transcrição - a proteína Dorsal, que se expressa em um 
gradiente ao longo do eixo dorsoventral, com seu mais alto 
nível de acúmulo em células ventrais (Figura 13.17a). O 
gradiente estabelece sub-regiões de concentração diferen-
te da proteína Dorsal. Em cada sub-região, um conjunto 
diferente de genes zigóticos expressos define as regiões 
que dão origem a camadas teciduais particulares, como o 
mesoderma e o neuroectoderma (a parte do ectoderma que 
origina o sistema nervoso ventral), conforme mostrado na 
Figura 13.17b. 
O controle genético do desenvolvimento é, então, funda-
mentalmente uma questão de regulação gênica no espaço e 
no tempo. Como o ato de ligar e desligar genes toolkit cons-
trói a forma animal? E como isso é coreografado durante o 
desenvolvimento? Para responder a essas perguntas, exami-
naremos as interações entre as proteínas toolkit da mosca e 
os genes em maiores detalhes. Os mecanismos que veremos 
para o controle da expressão de genes toolkit no embrião de 
404 Introdução à Genética 
Drosophila surgiram como modelos para a regulação espacial 
da expressão gênica no desenvolvimento animal em geral. 
13.4 Regulação espacial da 
- A e expressao genica no 
desenvolvimento 
Vimos que os genes toolkit são expressos em relação a coor-
denadas no embrião. Mas como as coordenadas espaciais do 
embrião em desenvolvimento funcionam como instruções 
para os genes, para ligá-los ou desligá-los em padrões pre-
cisos? Conforme descrito nos Capítulos 11 e 12, o controle 
fisiológico da expressão gênica em bactérias e eucariotos 
simples é governado, em última instância, por proteínas de 
ligação ao DNA sequência-específicas que agem em elemen-
tos reguladores de ação eis (p. ex., operadores e elementos de 
sequência de ativação antecedente, ou UAS). Similarmente, 
o controle espacial da expressão gênica durante o desenvol-
vimento é amplamente governado pela interação de fatores 
de transcrição com elementos reguladores de ação eis. Entre-
tanto, o controle espacial e temporal da regulação gênica no 
desenvolvimento de um embrião multicelular tridimensional 
requer a ação de mais fatores de transcrição em elementos 
reguladores mais numerosos e mais complexos de ação eis. 
Para definir uma posição em um embrião, tem de haver 
informação reguladora capaz de distinguir essa posição das 
regiões adjacentes. Se representarmos um embrião tridi-
mensional como um globo, então a informação posicional 
deve ser especificada indicando a longitude (local ao longo 
do eixo anteroposterior), a latitude (local ao longo do eixo 
dorsoventral) e a altitude ou profundidade (posição nas 
camadas germinativas) . Ilustraremos os princípios gerais de 
como as posições da expressão gênica são especificadas com 
três exemplos, que devem ser pensados apenas como algu-
mas ilustrações do grande número de interações regulatórias 
que coordenam o desenvolvimento da mosca e do animal. 
O desenvolvimento é um contínuo no qual cada padrão de 
atividade gênica tem uma base causal precedente. Todo o 
processo inclui dezenas de milhares de interações regulató-
rias e produtos. 
Enfocaremos algumas conexões entre os genes em níveis 
diferentes de hierarquias que determinam o plano corpóreo 
Figura 13.17 Os domínios de expressão dos genes 
de padrão do eixo dorsoventral correspondem a camadas 
específicas de futuros tecidos. (a) A proteína Dorsal de 
origem materna é expressa em um gradiente, com a maior 
concentração de Dorsal nos núcleos de células ventrais 
(embaixo, na foto). (b) Expressão dos quatro genes zigóti-
cos de padrão do eixo dorsoventral revelada pela hibridi-
zação in situ com RNA. Nessa visão lateral, são revelados 
os domínios dos genes decapentaplegic (amarelo), musc/e 
segment homeobox (vermelho), intermediate neurob/asts 
defective (verde) e ventral neurob/asts defective (azul). 
[Fotografias por cortesia de (a) Michael Levine e (b) David 
Kosman, Bill McGinnis e Ethan Bier.] 
segmenta! básico, e os pontos nodais onde genes importantes 
integram vários estímulos reguladores e respondem produ-
zindo expressões gênicas mais simples. 
Gradientes maternos e ativação gênica 
A proteína Bicoid é um fator de transcrição do tipo homeo-
domínio, que é traduzido do mRNA depositado no zigoto e 
situado no polo anterior. Como o embrião inicial de Droso-
phila é um sincício, sem membranas celulares que possam 
impedir a difusão de moléculas proteicas, Bicoid pode se 
difundir pelo citoplasma. Essa difusão estabelece um gra-
diente de concentração proteica (Figura 13.18a): a proteína 
Bicoid é muito concentrada na extremidade anterior, e essa 
concentração diminui gradualmente à medida que a dis-
tância dessa extremidade aumenta, até haver muito pouca 
proteína Bicoidalém do meio do embrião. Esse gradiente de 
concentração dá informação posicional sobre a localização ao 
longo do eixo anteroposterior. Uma alta concentração signifi-
ca a extremidade anterior, e a menor concentração significa 
a metade, e assim por diante. Portanto, um modo de garantir 
que um gene seja ativado em um só local ao longo do eixo 
é correlacionar a expressão gênica ao nível de concentração. 
Seria o caso dos genes gap, que devem ser ativados em regiões 
específicas ao longo do eixo. 
Vários genes zigóticos, incluindo os genes gap, são regula-
dos por níveis diferentes da proteína Bicoid. Por exemplo, o 
gene hunchback é um gene gap ativado no zigoto na metade 
anterior do embrião. Essa ativação ocorre pela ligação dire-
ta da proteína Bicoid a três sítios 5' do promotor do gene 
hunchback. Bicoid liga-se aos sítios cooperativamente, isto é, a 
ligação de uma molécula de proteína Bicoid a um sítio facilita 
a ligação de outras moléculas Bicoid a sítios vizinhos. , 
E possível ver como a ativação de hunchback depende do 
gradiente de concentração fazendo-se alguns testes in vivo, os 
quais requerem a ligação de sequências reguladoras do gene 
a um gene repórter (um gene codificador de uma enzima, 
como o gene LacZ ou a proteína verde fluorescente da água-
viva), a introdução do construto de DNA na linhagem ger-
minativa da mosca e o monitoramento da expressão repórter 
na prole do embrião de moscas transgênicas (Figura 13.19). 
Embora as sequências do tipo selvagem 5' do gene hunchback 
sejam suficientes para ativar a expressão repórter na metade 
anterior do embrião, as deleções dos sítios de ligação a Bicoid 
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 405 
Os genes gap são ativados por proteínas específicas 
fornecidas por via materna 
(a) 
Gradiente Bicoid 
(b) 
Proteínas Bicoid 
~o 
~ 
Elemento regulador 
de ação 5' eis 
hunchback com 
sítios de ligação Bicoid 
o o 
Q 
...... 
I 
gene 
repórter 
.. 
Expressão hunchback 
Expressão repórter 
Figura 13.18 A proteína Bicoid ativa a expressão zigótica do gene 
hunchback. (a) A expressão da proteína Bicoid é graduada ao longo 
do eixo anteroposterior. O gene gap hunchback é expresso na metade 
anterior do zigoto. (b) A proteína Bicoid (azul) liga-se a três sítios 5' 
do gene hunchback. Quando esse DNA 5' é colocado antecedendo 
um gene repórter, a expressão do gene repórter recapitula o padrão 
da expressão hunchback (em cima, à direita). Entretanto, a deleção 
progressiva de um, dois ou todos os três sítios de ligação à Bicoid 
ou leva a uma expressão mais restrita do gene repórter ou a suprime. 
Essas observações mostram que o nível e o padrão da expressão 
hunchback são controlados por Bicoid, por sua ligação a sequências 
reguladoras de DNA hunchback. 
nesse elemento regulador de ação eis reduzem ou abolem a 
expressão repórter (Figura 13.18b). Mais de um sítio Bicoid 
deve ser ocupado para gerar uma delimitação da expressão 
repórter, o que indica que um limiar de concentração da 
proteína Bicoid é necessário para ocupar vários sítios antes 
que a expressão gênica seja ativada. Um gene gap com pou-
cos sítios de ligação não será ativado em locais com menor 
concentração da proteína Bicoid. 
Cada gene gap contém elementos reguladores de ação eis 
com disposições diferentes de sítios de ligação, os quais podem 
ter afmidades diferentes pela proteína Bicoid. Consequente-
mente, cada gene gap é expresso em um único domínio dis-
tinto no embrião, em resposta a níveis diferentes de Bicoid e 
outros gradientes de fatores de transcrição. Um tema similar 
é encontrado na padronização do eixo dorsoventral: os ele-
mentos reguladores de ação eis contêm números diferentes 
de arranjos de sítios de ligação para Dorsal e outros fatores de 
transcrição dorsoventral. Em consequência, são ativados genes 
em domínios discretos ao longo do eixo dorsoventral. 
Mensagem. A resposta dependente de concentração dos genes 1 
a estímulos graduados é uma característica crucial da regulação 
gênica no embrião inicial de Drosophila. Os elementos regu-
ladores de ação eis que controlam respostas distintas contêm 
números e arranjos diferentes de sítios de ligação de fatores de 
transcrição. 
Desenho das faixas: integração dos 
impulsos de proteínas gap 
A expressão de cada gene de regra dos pares em sete faixas 
é o primeiro sinal da organização periódica do embrião e 
futuro animal. Como tais padrões periódicos são gerados a 
partir de uma informação prévia aperiódica? Antes da análise 
molecular da regulação do gene da regra dos pares, vários 
modelos foram criados para explicar a formação das faixas. 
Todos consideraram as sete faixas como resultados idênti-
cos em resposta a estímulos idênticos. Entretanto, o modo 
real pelo qual os padrões de alguns genes de regra dos pares 
importantes são codificados e gerados é uma faixa por vez. A 
solução para o mistério da geração de faixas destaca um dos 
mais importantes conceitos quanto ao controle espacial da 
regulação gênica em animais em desenvolvimento, ou seja, 
os elementos reguladores de ação eis de genes individuais 
são controlados independentemente. 
A principal descoberta foi que cada uma das sete faixas que 
constituem os padrões de expressão dos genes de regra dos 
pares even-skipped e hairy é controlada independentemente. 
Consideremos a segunda faixa expressa pelo gene even-skipped 
(Figura 13.20a). Essa faixa fica dentro de uma região larga de 
expressão hunchback e nas bordas das regiões de expressão de 
duas outras proteínas gap, Giant e Krüppel (Figura 13.20b). 
Assim, dentro da área da futura faixa, existirão grandes quan-
tidades de proteína Hunchback e pequenas quantidades das 
proteínas Giant e Krüppel. Haverá também uma certa concen-
tração de proteína Bicoid de efeito materno. Nenhuma outra 
faixa do embrião conterá essas proteínas nessas proporções. A 
formação da faixa 2 é controlada por um elemento regulador 
de ação eis específico, um acentuador que contém um número 
de sítios de ligação para essas quatro proteínas (Figura 13.20c). 
Assim, o padrão periódico total das sete faixas é a soma dos 
diferentes conjuntos de estímulos em elementos regulado-
res de ação eis separados. A análise detalhada do elemento 
regulador de ação eis eve faixa 2 revelou que a posição dessa 
"simples" faixa é controlada por não menos de quatro fatores 
de transcrição distribuídos aperiodicamente, incl11indo uma 
, A , 
protema materna e tres protemas gap. 
Especificamente, o elemento eve faixa 2 contém vários sítios 
para a proteína materna Bicoid e as proteínas gap Hunchba-
ck, Giant e Krüppel (Figura 13.20d). A análise mutacional de 
diferentes combinações dos sítios de ligação revelou que Bicoid 
e Hunchback ativam a expressão do elemento eve faixa 2 em 
uma ampla região. As proteínas Giant e Krüppel são repres-
sores que afinam os limites da faixa apenas a algumas célu-
las de largura. O elemento eve faixa 2 atua, então, como um 
406 Introdução à Genética 
Análise de elementos reguladores de ação eis com genes repórter 
Gene too/kit 
A B e 
Promotor Região codificadora 
Elementos reguladores de ação eis 
Fragmentos de DNA regulador 
de ação eis isolados. 
A B e 
' 
Fragmentos clonados no DNA vetor 
com promotor geral e gene repórter. 
Fragmentos 
quecontêm ~ 
A, B ou C f 
Promotor Gene repórter 
Injetar construtos recombinantes nos 
embriões hospedeiros (tornar transgênico 
por inserção na linhagem germinativa); 
analisar a expressão espacial do gene 
repórter corando enzimas ou por 
fluorescência. 
Figura 13.19 Os toei de too/kit frequente-
mente contêm múltiplos elementos regulado-
res independentes de ação eis que controlam a 
expressão gênica em lugares d iferentes ou em 
épocas d iferentes durante o desenvolvimento 
ou ambos (p. ex., A, B, C, aqui). Esses ele-
mentos são identificados por sua capacidade, 
quando colocados em eis a um gene repórter 
e inseridos novamente em um genoma hos-
pedeiro, de controlar o padrão, a cronologia 
ou o nível,ou todos os três, da expressão do 
gene repórter. Neste exemplo, cada elemen-
to deflagra um padrão diferente de expressão 
gênica em um embrião de mosca. A maioria 
dos genes repórter codifica enzimas ou proteí-
nas fluorescentes que podem ser faci lmente 
v isualizadas. 
• 
Embriões de mosca 
interruptor genético, integrando várias atividades de proteínas 
reguladoras para produzir uma faixa de três a quatro células 
de largura no embrião. Os acentuadores para outras faixas 
contêm diferentes combinações de sítios de ligação. 
Mensagem. A regulação dos elementos reguladores de ação 
eis por combinações de ativadores e repressores é um tema 
comum na regulação espacial da expressão do gene. Os padrões 
complexos de estímulos são frequentemente integrados para pro-
duzir padrões mais simples de respostas. 
Diferenciação dos segmentos: 
integração dos estímulos Hox 
A atividade combinada e sequencial de efeito materno, gap, 
regra dos pares e proteínas de polaridade segmentar estabele-
ce o plano corpóreo segmentado básico do embrião e da larva. 
Como são estabelecidas as identidades segmentares diferentes 
pelas proteínas Hox? Esse processo tem dois aspectos. Primei-
ro, os genes Hox expressam-se em domínios diferentes ao longo 
do eixo anteroposterior. A expressão do gene Hox é amplamen-
te controlada por proteínas de segmentação, em especial as 
proteínas gap, por mecanismos similares aos já descritos (bem 
como alguma regulação cruzada por proteínas Hox de outros 
genes Hox). A regulação de genes Hox não será considerada 
em profundidade aqui. O segundo aspecto do controle Hox da 
identidade segmentar é a regulação dos genes-alvo por proteí-
nas Hox. Examinaremos um exemplo que ilustra bem como 
uma característica importante do plano corpóreo da mosca é 
controlada mediante a integração de muitos estímulos por um 
único elemento regulador de ação eis. 
Os membros pareados, partes da boca e antenas de Dro-
sophila desenvolvem-se a partir de pequenas populações de 
Capítulo 13 I Controle Genético do Desenvolv imento 407 
(a) 
(b) 
r 
(/) 
Q) ..... 
o 
"O 
co 
::i 
C> 
Q) ..... 
Q) 
"O 
o lB, 
co ..... -e: 
Q) 
(.) 
e: 
o 
I 
I , 
' ' 
, .. 
I ~ 
' ' ' ' 
Eve faixa 2 
I 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
1 1 
: 1 
' ' 1 
-- Proteína Bicoid 
-- Proteína Giant 
-- Proteína Hunchback 
-- Proteína Krüppel 
- - - Proteína Eve 
faixa 2 
ü Posição ao longo do embrião --+ 
(e) gene eve 
Acentuador das 
faixas 3, 7 
Acentuador Codificador 
da faixa 2 
1 
,_ __ Acentuador das faixas 4, 6 Acentuador das faixas 1, 5 
1 DNA 
1 • 
1 1 
-4 +8 
(d) elemento eve faixa 2 
Kr5Gt3 Gt2 
Kr4 Gt1 Kr3 
Repressores -1 .550 o~ ~ D ~D-1.010 
Ativadores 0 0 o o 0 0 
Bcd-5 Bcd-4 Bcd-3 Bcd-2 Hb-3 Bcd-1 
Figura 13.20 Regulação de uma faixa de regra dos pares: controle combinatório de um elemento regulador de ação eis independente. (a) A 
regulação do elemento regulador de ação eis eve faixa 2 controla a formação da segunda faixa da expressão de eve no embrião inicial, apenas 
uma das sete faixas da expressão de eve. (b) A faixa forma-se nos domínios das proteínas Bicoid e Hunchback e na borda das proteínas gap 
Giant e Krüppel. Bcd e Hb são ativadores e Gt e Kr são repressores da faixa. (e) O elemento eve faixa 2 é apenas um dos vários elementos 
reguladores de ação eis do gene eve, dos quais cada um controla partes diferentes da expressão eve. O elemento eve faixa 2 engloba cerca de 
1 a 1,7 kb antecedentes à transcrição da unidade eve. (d) No elemento eve faixa 2 existem vários sítios de ligação para cada fator de transcri-
ção (os repressores são mostrados acima do elemento; os at ivadores, embaixo). O produto dessa combinação de ativadores e repressores é a 
expressão da estreita faixa eve. [De}. Gerhart e M . Kirshner, Cel/s, Embryos, and Evolution. 8/ackwel/ Science, 7997.] 
cerca de 20 células. Estruturas diferentes desenvolvem-se de 
segmentos diferentes da cabeça e do tórax, enquanto o abdo-
me não tem membros. O primeiro sinal de desenvolvimento 
dessas estruturas é a ativação de genes reguladores dentro de 
pequenos grupos de células, que são chamados de primórdios 
de apêndices. A expressão do gene Distal-less (Dll) marca o 
início do desenvolvimento dos apêndices. Esse gene é um dos 
alvos importantes dos genes Hox, e sua função é necessária 
para o desenvolvimento subsequente das partes distais de 
cada um desses apêndices. Os pequenos grupos de células 
que expressam Distal-less surgem em vários segmentos da 
cabeça e em cada um dos três segmentos torácicos, mas não 
no abdome (Figura 13.21a). 
Como a expressão Distal-less é restrita a segmentos mais 
anteriores? Reprimindo sua expressão no abdome. Várias 
linhas de evidência revelaram que o gene Distal-less é repri-
mido por duas proteínas Hox, as proteínas Ultrabithorax e 
Abdominal-A, funcionando em colaboração com duas proteí-
nas de segmentação. Note, na Figura 13.6, que o Ultrabitho-
rax é expresso nos segmentos abdominais de um a sete, e 
408 Int rodução à Genética 
Proteínas Hox reprimem a formação de apêndices no abdome 
(a) 
011 (vermelho) reprimido em A 1-A8 
(b) Ubr 
AB A? A6 
AS A4 
T1 T2 T3 
A1 
011 desreprimido em A 1 
(e) Ubr, abd-A-
AB A? 
Md Mx A1 
011 desreprimido em A 1-A? 
Figura 13.21 A ausência de membros no abdome é controlada pelos genes Hox. (a) A expressão do gene Oista/-/ess (OI~ (vermelho) marca 
a posição de apêndices futuros; a expressão do gene Hox Ultrabithorax (roxo) marca a posição dos segmentos abdominais A1 até A7, e a 
expressão do gene engrailed (azul) marca a posição posterior de cada segmento. (b) Representação esquemática do embrião Ubx- mostrando 
que a expressão de OI/ (círculos vermelhos) é desreprimida no segmento A 1. (e) Representação esquemática do embrião Ubx- abd-A- mos-
trando que a expressão de OI/ (círculos vermelhos) é desreprimida nos primeiros sete segmentos abdominais. [(a) Fotomicrografia de Dave 
Kosman, Ethan Bier, e Bill McGinnis; (b e e) baseadas em B. Gebelein, D. }. McKay e R. 5. Mann, "Direct lntegration of Hox and 5egmentation Gene 
Inputs During Drosophila Development'; Nature 431, 2004, 653- 659.] 
Abdominal-A é expresso nos segmentos abdominais dois 
a sete, superpondo-se a todos, menos o primeiro segmen-
to coberto por Ultrabithorax. Nos embriões mutantes Ultra-
bithorax, a expressão de Distal-less expande-se ao primeiro 
segmento abdominal (Figura 13.21 b) e, nos embriões duplos 
mutantes Ultrabithorax/Abdominal-A, a expressão deDistal-less 
estende-se pelos primeiros sete segmentos abdominais (Figu-
ra 13.21c), indicando que ambas as proteínas são necessárias 
para a repressão da expressão de Distal-less no abdome. 
O elemento regulador de ação eis responsável pela expres-
são de Distal-less no embrião foi identificado e caracterizado 
em detalhe (Figura 13.22a). Ele contém dois sítios de ligação 
para as proteínas Hox. Se esses dois sítios de ligação forem 
mutados, de modo que as proteínas Hox não possam ligar-
se, a expressão de Distal-less será desreprimida no abdome 
(Figura 13.22b). Várias proteínas adicionais colaboram com 
as proteínas Hox na repressão de Distal-less. Duas são proteí-
nas codificadas por genes de polaridade de segmento, Sloppy-
paired (Slp) e Engrailed (En). As proteínas Sloppy-paired e 
Engrailed são expressas em faixas que marcam os compar-
timentos anterior e posterior de cada segmento, respectiva-
mente. Cada proteína também se liga ao elemento regulador 
Figura 13.22 Integração dos estímulos das proteínas Hox e dos 
estímulos de segmentação por um elemento regulador de ação eis. (a, 
à esquerda) Um elemento regulador de ação eis do gene OI/ controla a 
repressão da expressão de OI/ no abdome por um conjunto de fatores 
de transcrição. (a, à direita) A expressão de OI/ (vermelho) estende-se 
ao tórax, mas não ao abdome em um embrião do tipo selvagem. (b-f) 
Mutações nos respectivos sítios de ligação mostram desrepressão de OI/ 
em vários padrões no abdome. Os sítios de ligação são:Slp, Sloppy-
paired; Hox1 e Hox2, Ultrabithorax e Abdominal-A; Exd, Extradenticle; 
En, Engrailed; Hth, Homothorax. [Baseada em dados de B. Gebelein, D. 
}. McKay e R. 5. Mann, "Direct lntegration of Hox and 5egmentation Gene 
Inputs During Drosophila Development'; Nature 431, 2004, 653- 659.] 
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 409 
Proteínas Hox e proteínas de polaridade segmentar controlam a localização de apêndices 
ELEMENTO REGULADOR DE AÇÃO CIS EXPRESSÃO DE GENE REPÓRTER 
(a) Tipo selvagem 
• Slp 1 Hox1 Exd En Hth Hox2 
T1 T2 
T3 A1 
Reprimido em A 1- A? 
AS 
(b) Mutações Hox 
~-----'-~X...._.~-------~X"'""""" __ _ 
A3 
Md -;M:;:x~-=-L~b ~T~1L_::T::!2 ~Ti:3--;A~1 
Desreprimido em A 1- A? 
AS A? 
(e) Mutação Slp 
. X j ~--_,, 
~- ------- A3 
T1 T2 T3 A1 
Desreprimido em aA 1- aA? 
Desreprimido em pA 1- pA? 
AS A? 
(e) Mutações Slp, En 
X X A3 
T1 T2 T3 A1 
Desreprimido em A 1- A? 
(f) Mutações Exd, Hth 
X X A3 . 
Lb T1 T2 T3 A
1 
Desreprimido em A 1- A? 
410 Introdução à Genética 
de ação eis Distal-less. Quando o sítio de ligação Sloppy-paired 
é mutado no elemento regulador de ação eis, a expressão do 
gene repórter é desreprimida nos compartimentos de seg-
mentos abdominais (Figura 13.22c). Quando o sítio de ligação 
de Engrailed está mutado, a expressão do repórter é desre-
primida nos compartimentos posteriores de cada segmento 
abdominal (Figura 13.22d). Quando os sítios de ligação de 
ambas as proteínas estão mutados, a expressão do gene repór-
ter é desreprimida em ambos os compartimentos de cada 
segmento abdominal, do mesmo modo que quando os sítios 
de ligação Hox estão mutados (Figura 13.22e). Duas outras 
proteínas, chamadas de Extradenticle e Homothorax, que são 
amplamente expressas em cada segmento, também se ligam 
ao elemento regulador de ação eis Distal-"less e são necessárias 
para a repressão transcricional no abdome (Figura 13.22f). 
Assim, duas proteínas Hox e quatro outros fatores de 
transcrição ligam-se a um trecho de 57 pares de bases e 
atuam juntos para reprimir a expressão Distal-less e, por-
tanto, a formação de apêndices no abdome. A repressão da 
expressão Distal-less é uma demonstração clara de como as 
proteínas Hox regulam a identidade segmentar e o número , 
de reiteradas estruturas corpóreas. E também uma boa ilus-
tração de como diversos estímulos reguladores convergem 
e atuam combinatoriamente em elementos reguladores de 
ação eis. Nesse caso, a presença de sítios de ligação Hox não 
é suficiente para a repressão transcricional: são necessárias 
interações colaborativas e cooperativas entre várias proteínas 
para reprimir completamente a expressão no abdome. 
Mensagem. A regulação combinatória e cooperativa da trans-
crição gênica impõe maior especificidade nos padrões espaciais 
de expressão gênica e permite sua maior diversidade. 
Embora a diversidade evolutiva não tenha sido explicita-
mente abordada neste capítulo, a presença de vários elemen-
tos independentes reguladores de ação eis para cada gene 
toolkit tem profundas implicações para a evolução da forma. 
Especificamente, a modularidade desses elementos permite 
mudanças em um aspecto da expressão gênica independente 
de outras funções gênicas. A evolução da regulação gênica é 
importante na evolução do desenvolvimento da morfologia. 
Voltaremos a esse tópico no Capítulo 20. 
13.5 Regulação pós-transcricional 
da expressão gênica no 
desenvolvimento 
Embora a regulação transcricional seja um meio importante 
de restringir a expressão dos produtos gênicos para definir 
áreas durante o desenvolvimento, não é um meio exclusivo 
de fazer isso. A recomposição alternativa do RNA também 
contribui para a regulação gênica e, assim, para a regulação 
da tradução do mRNA em proteínas e microRNA (miRNA). 
Em cada caso, as sequências reguladoras no RNA são reco-
nhecidas por fatores de recomposição, proteínas de ligação 
ao mRNA ou miRNA, e controlam a estrutura do produto 
proteico, sua quantidade ou a localização onde a proteína é 
produzida. Veremos um exemplo de cada tipo da interação 
reguladora no nível do RNA. 
Recomposição do RNA e determinação 
do sexo em Drosophila 
Uma decisão fundamental para o desenvolvimento nos orga-
nismos de reprodução sexuada é a especificação do sexo. Nos 
animais, o desenvolvimento de muitos tecidos segue vias 
diferentes, dependendo do sexo do animal em questão. Em 
Drosophila, foram identificados muitos genes que controlam 
a determinação do sexo pela análise de fenótipos mutantes nos 
quais a identidade sexual é alterada ou ambígua. 
O gene doublesex ( dsx) tem um papel central no sentido de 
controlar a identidade sexual do tecido somático (linhagem 
não germinativa). As mutações nulas em dsx fazem com que 
machos e fêmeas se desenvolvam como intersexos interme-
diários, que perderam as diferenças distintas entre os teci-
dos masculinos e femininos. Embora a função de dsx seja 
necessária em ambos os sexos, diferentes produtos gênicos 
são produzidos pelo locus em sexos diferentes. Nos machos, 
o produto é uma isoforma específica maior, DsxM, que con-
tém uma única região C-terminal de 150 aminoácidos não 
encontrada na isoforma DsxF específica das fêmeas que, em 
vez disso, contém uma sequência única de 30 aminoácidos 
na carboxila terminal. Cada forma da proteína Dsx é um fator 
de transcrição de ligação ao DNA que, aparentemente, liga-
se às mesmas sequências de DNA. Entretanto, as atividades 
das duas isoformas diferem: DsxF ativa alguns genes-alvo nas 
fêmeas que DsxM reprime nos machos. 
As formas alternativas da proteína Dsx são geradas pela 
recomposição alternativa do RNA transcrito primário de dsx. 
Assim, nesse caso, a escolha dos sítios de corte precisa ser 
regulada para produzir mRNA finais que codificam proteí-
nas diferentes. Os vários fatores genéticos que influenciam 
a expressão de Dsx e a determinação do sexo foram identifi-
cados por mutações que afetam o fenótipo sexual. 
Um regulador importante é o produto do gene transformer 
(tra) . Enquanto as mutações nulas em tra não têm efeito nos 
machos, as moscas fêmeas XX que têm mutações tra são trans-
formadas no fenótipo masculino. A proteína Tra é um fator 
de recomposição alternativa que afeta as escolhas de corte 
no RNA transcrito de dsx. Na presença de Tra (e uma proteí-
na correlata Tra-2), ocorre uma recomposição que incorpora 
o éxon 4 do gene dsx ao transcrito dsxF final (Figura 13.23), 
mas não os éxons 5 e 6. Os machos não têm Tra; logo, essa 
recomposição não ocorre, e os éxons 5 e 6 são incorporados ao 
transcrito dsxM, mas não ao éxon 4 (Figura 13.23). 
A proteína Tra explica como formas alternativas de Dsx são 
expressas, mas como a expressão da própria Tra é regulada 
para diferir em fêmeas e machos? O próprio RNA de tra é 
recomposto alternativamente. Nas fêmeas, o fator de recom-
posição codificado pelo gene Sex-"lethal (Sxl) está presente. Esse 
fator de recomposição liga-se ao RNA de tra e impede o evento 
da recomposição que, de outro modo, iria incorporar um éxon 
que contém um códon de fim. Nos machos, não é feita nenhu-
ma proteína Tra, pois esse códon de fim está presente. 
Capítulo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 411 
Uma cascata de recomposição alternativa regula a determinação do sexo em Drosophila 
Fêmea Pré-mRNA Macho 
Recomposição 
específica Sex-lethal Recomposição 
default ,.--,.---
AAA ... ~ _de_fe_A m_ea_, l 1 1 1 2 1 )l__._I 4_.l_ l._s .__I ...._l 6 ........ 1 ........ 17__..l__._I a ........ 1---+ 11 1 2 !' 4 l s l 6 l 71 8 ~AAA 
Exon masculino 
1 2 4 5 6 7 8 -
,...., Códon de fim 
Letal de sexo 
transformer 
1 3 4 - AAA+----- 1 3 4 1 2 3 4 -AAA 
- .\ 
~ 
--~,,,.-- Tra-2 
Códon de fim 
Transformer 
doub/esex 
1 2 3 4 ~ AAA ~--- L.__1 _._I __J_l_2___.____.__3___J_JI l.___4 _._I ...... t __ @ ___ _.___,. --)o 1 2 3 AAA 
Fêmea Doublesex 
Reprime genes masculinos 
e ativa genes femininos. 
t 
Desenvolvimento feminino 
Macho Doublesex 
Reprime genes 
femininos. 
Desenvolvimentomasculino 
Figura 13.23 Três pré-mRNA de genes importantes para a determinação do sexo em Drosophila são alternativamente recompostos. A via 
específica das fêmeas é mostrada à esquerda e a via específica dos machos é mostrada à direita. Os pré-mRNA são idênticos em ambos os 
sexos e mostrados no meio. No macho, nos mRNA sex-/ethal e transformer, existem códons de fim que terminam a tradução. Essas sequências 
são removidas por recomposição para produzir proteínas funcionais na fêmea. As proteínas Transformer e Tra-2, então, recompõem o pré-
mRNA de doub/esex da fêmea para produzir a isoforma específica da fêmea da proteína Dsx, que difere da isoforma específica do macho 
pela recomposição alternativa de vários éxons. [De 5. 5. Gilbert, Oevelopmenta/ Biology, 7th ed. Sinauer, 2003.] 
A produção da proteína Sex-lethal é, por sua vez, regulada 
tanto pela recomposição do RNA quanto por fatores que alteram 
o nível da transcrição. O nível da transcrição de Sxl é controlado 
por ativadores no cromossomo X e repressores nos autossomos. 
Nas fêmeas, a ativação de Sxl prevalece e a proteína S:xl é pro-
duzida, regulando a recomposição do RNA de tra e fazendo um 
feedback para regular a recomposição do próprio RNA de Sxl. 
Nas fêmeas, um códon de fim é recomposto, de modo que a pro-
dução da proteína S:xl possa continuar. Entretanto, nos machos, 
em que nenhuma proteína S:xl está presente, o códon de fim 
ainda está presente no RNA transcrito não recomposto de Sxl, 
e nenhuma proteína S:xl pode ser produzida. 
Essa cascata de recomposição de RNA específico de sexo 
em D. melanogaster ilustra um modo pelo qual o genótipo 
específico de cromossomo sexual leva a formas diferentes de 
proteínas reguladoras que se expressam em um sexo e não no 
outro. Curiosamente, a regulação genética da determinação do 
sexo difere muito entre as espécies animais, pois o genótipo 
sexual pode levar à expressão diferencial de genes reguladores 
por vias bem diferentes. Entretanto, as proteínas relacionadas 
à Dsx têm papéis na diferenciação sexual em uma ampla gama 
de animais, incluindo os humanos. Assim, embora existam 
muitos modos para gerar a expressão diferencial de fatores 
de transcrição, uma família de proteínas similares parece estar 
subjacente a grande parte da diferenciação sexual. 
Regulação da tradução do mRNA e 
linhagem celular no e. elegans 
Em muitas espécies animais, o desenvolvimento do embrião 
envolve a repartição de células ou grupos de células em linha-
gens discretas, que darão origem a tecidos distintos no adulto. 
Esse processo é mais bem compreendido no verme nematódeo 
C. elegans, no qual o animal adulto é composto apenas de cerca 
de 1.000 células somáticas (das quais um terço é representado 
por células nervosas) e um número similar de células germina-
tivas na gônada. A estrutura simples, o rápido ciclo de vida e a 
transparência do e. elegans o tornaram um poderoso modelo 
para a análise do desenvolvimento (veja o boxe Organismo-
modelo Caenorhabditis elegans, adiante). Todas essas linhagens 
412 Introdução à Genética 
Organismo-modelo Caenorhabditis elegans 
O Nematódeo Caenorhabditis elegans como 
Modelo para Decisões do Destino de 
Linhagens Celulares 
Nos últimos 20 anos, os estudos com o nematódeo Cae-
norhabditis elegans (veja o Diagrama 1) aumentou muito 
nossa compreensão sobre o controle genético das decisões 
Faringe 
Oviduto 
de linhagens celulares. A transparência e a simples cons-
trução desse animal levaram Sydney Brenner a prosseguir 
com seu uso como um organismo-modelo. O verme adulto 
contém cerca de 1.000 células somáticas, e os pesquisado-
res, liderados por John Sulston, cuidadosamente mape-
aram toda a série de decisões de células somáticas que 
produzem o animal adulto. 
Ânus 
Vulva 
Diagrama 1 Caenorhabditis elegans adulto hermafrod ita, mostrando vár ios órgãos. 
Algumas das decisões de linhagens, como a formação 
da vulva, foram modelos fundamentais para as chama-
das interações indutivas no desenvolvimento, em que a 
sinalização entre as células induz as mudanças do des-
(a) Tecido derivado das células 1 aria, 2aria e 3aria 
tino celular e a formação de órgãos (veja o Diagrama 2). 
Exaustivas triagens genéticas identificaram muitos com-
ponentes participantes na sinalização e na transdução de 
sinal na formação da vulva. 
ú tero 
1 aria 
::=::::.--:-::-3-.ª~'iª~~-========2=ª="ª::db::2=ª":.ª :::::====~;:::3~ª~'iª===---==== 
Hipoderme Vulva Hipoderme 
(b) Pedigrees das células 
célula 1 ª"ª da vulva célula 2aria da vulva célula 3aria da vulva 
1 r 
1 
1 r 
r 1 r 
N 
1 r a D a 
o 
Esquerda 
r Direita 
N Sem divisão 
a Anterior 
p Posterior 
Diagrama 2 Produção das linhagens celu lares da vu lvar. (a) As partes da anatomia vulvar que são ocupadas 
pelas chamadas células primárias (1 aria), secundárias (2ª';ª) e terciárias (3ªriª). (b) As linhagens ou heredogramas das 
célu las primárias, secundárias e terciárias diferem por seus padrões de divisão celular. 
Para algumas das divisões celulares embrionárias e lar-
várias, em part icular as que contribuem para o sistema 
nervoso do verme, uma célula genitora dá origem a duas 
células genitoras, das quais uma, então, sofre morte celu-
lar programada. A análise de mutantes em que a morte 
celular programada é aberrante, feita por Robert Horvitz, 
revelou muitos componentes das vias de morte celular 
programada comuns à maioria dos animais. Sydney Bren-
ner, John Sulston e Robert Horvitz dividiram o Prêmio 
Nobel de 2002 em Fisiologia ou Medicina por seu trabalho 
pioneiro baseado no e. elegans. 
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 413 
de células animais foram mapeadas em uma série de estudos 
sofisticados liderados por John Sulston no Medical Research 
Council (MRC) Laboratory em Cambridge, Inglaterra. Tria-
gens genéticas sistemáticas quanto a mutações que alteram 
ou estendem linhagens celulares forneceram muitas informa-
ções sobre o controle genético das decisões das linhagens. A 
genética do C. elegans foi especialmente importante na com-
preensão do papel da regulação pós-transcricional no RNA, e 
examinaremos aqui dois mecanismos: (1) controle da tradução 
por proteínas de ligação ao mRNA e (2) controle da expressão 
gênica por miRNA. 
Controle da tradução no embrião inicial 
Primeiro veremos como começa uma linhagem celular. Após 
duas divisões celulares, o embrião de C. elegans contém quatro 
células, chamadas de blastômeros. Cada célula começará uma 
linhagem distinta, e as descendentes das linhagens separa-
das terão destinos diferentes. Já nesse estágio, são observadas 
diferenças nas proteínas presentes nos quatro blastômeros. 
Pelo que já aprendemos, muitas dessas proteínas são toolkit 
que determinam quais genes serão expressos nas células 
descendentes. O que é surpreendente é que os mRNA que 
codificam algumas das proteínas toolkit dos vermes estão 
presentes em todas as células do embrião inicial. Entretanto, 
em uma célula específica, apenas alguns desses mRNA serão 
traduzidos em proteínas. Assim, no embrião de e. elegans, 
a regulação pós-transcricional é crítica para a especificação 
apropriada dos destinos celulares iniciais. Durante a primeira 
divisão celular, a polaridade dentro do zigoto leva à repar-
tição de moléculas reguladoras para células embrionárias 
específicas. Por exemplo, o gene glp-1 codifica uma proteína 
receptora transmembrana (relacionada ao receptor Notch de 
moscas e outros animais). Embora o mRNA de glp-1 esteja 
presente em todas as células do estágio de quatro células, a 
proteína GLP-1 é traduzida apenas nas duas células anterio-
res ABa e ABp (Figura 13.24a). Essa expressão localizada de 
Proteínas de ligação ao mRNA reprimem a tradução do mRNA 
para determinar as linhagens celulares 
(a) 
(b) Construto mRNA-gene repórter 
SCR do tipo selvagem 
lacZ 
SCR mutada 
lacZ 
(e) 
SCR 
glp-13' UTR 
SCR 
XX 
Mutações 
SCR do tipo selvagem em embrião glcr 
/acZ SCR 
Expressão repórter 
ABp 
ABa p
2 
EMS 
ABpABa 
EMS 
ABp 
ABa 
EMS 
Figura 13.24 Regulação da tradução e 
decisões de linhagem celular no embrião ini-
cial de C. elegans. (a) No estágio de quatro 
célu las do embrião de C. elegans, a proteína 
GLP-1 é expressa em duas células anteriores 
(verde-claro), mas não em outras célu las. A 
tradução do mRNA de glp-1 é regulada pela 
proteína GLD-1 nas células posteriores. (b) A 
fusão de glp-1 3' UTR ao gene repórter lacZ 
leva à expressão repórter nas células ABa e 
ABp do estágio de quatro células do embrião 
de C. elegans (sombreado, à direita). As muta-
ções em sítios de ligação GLD-1 na região de 
controle espacial (SCR) causam desrepressão e 
tradução nas l inhagens EMS e P2, bem como 
(c) perda da função de gld. [(a) Cortesia de 
Thomas Evans, University of Colorado Health 
Sciences Center. ] 
414 Introdução à Genética 
GLP-1 é crítica para o estabelecimento de destinos distintos. 
As mutações que abolem a função glp-1 no estágio de quatro 
células alteram os destinos das descendentes ABp e ABa. 
GLP-1 está localizada nas células anteriores, graças à 
repressão de sua tradução nas células posteriores. A repres-
são da tradução de GLP-1 exige sequências na 3' UTR do 
mRNA de glp-1 especificamente, uma região de 61 nucleotí-
dios chamada de região de controle espacial (SCR). A impor-
tância da SCR foi demonstrada ligando-se o mRNA transcrito 
de genes repórter para variantes diferentes da SCR. A deleção 
dessa região ou a mutação de sítios importantes dentro dela 
fazem com que o gene repórter seja expresso em todos os 
quatro blastômeros do embrião inicial (Figura 13.24b). 
Com base no controle transcricional já descrito, podemos 
supor que uma proteína liga-se à SCR para reprimir a tradu-
ção do mRNA de glp-1 . Para identificar essas proteínas repres-
soras, os pesquisadores isolaram proteínas que se ligam à 
SCR. Uma proteína, GLD-1, liga-se especificamente a uma 
região da SCR. Além disso, a proteína GLD-1 é enriquecida 
em blastômeros posteriores, nos quais a expressão de glp-1 
é reprimida. Finalmente, quando a expressão de GLD-1 é 
inibida usando-se RNA de interferência, a proteína GLP-1 é 
expressa nos blastômeros posteriores (Figura 13.24c). Essa 
evidência sugere que a GLD-1 é uma proteína repressora da 
tradução que controla a expressão de glp-1. 
A regulação espacial da tradução de GLP-1 é um exemplo 
do controle da tradução no desenvolvimento ou pela GLD-1. 
Muitos outros mRNA são regulados no nível de tradução, e a 
GLD-1 liga-se a outros mRNA-alvo nas células embrionárias 
e da linhagem germinativa. 
l Mensagem. Proteínas de ligação ao RNA sequência-especí-
ficas atuam por meio de sequências do RNA de ação eis para 
regular o padrão espacial da tradução da proteína. 
miRNA controla a cronologia do 
desenvolvimento em e. elegans 
e outras espécies 
O desenvolvimento é um processo ordenado, tanto em ter-
mos temporais quanto espaciais. O momento em que os even-
tos ocorrem é tão importante quanto onde acontecem. As 
mutações nos genes heterocrônicos de e. elegans foram fontes 
de percepção do controle da cronologia do desenvolvimen-
to. As mutações nesses genes alteram a época dos eventos 
na especificação do destino celular, fazendo com que esses 
eventos sejam reiterados ou omitidos. A investigação detalha-
da dos produtos de genes heterocrônicos levou à descoberta 
de um mecanismo inteiramente inesperado da regulação da 
expressão gênica, por meio de microRNA. 
Os primeiros membros dessa classe de moléculas regula-
doras foram descobertos em C. elegans RNA produzidos pelos 
genes lin-4 e let-7. O gene lin-4 controla a transição do pri-
meiro para o segundo estágio larvar; let-7 regula a transição 
dos destinos celulares dos últimos estágios larvares para o 
adulto. Nos mutantes let-7, por exemplo, os destinos das célu-
las larvares são reiterados no estágio adulto (Figura 13.25a). 
Um microRNA controla a cronologia 
do desenvolvimento 
{a) Tipo selvagem let-7 
V1-V4 V1-V4 
L1 
L2 
L3 
L4 
Adulto 
{b) 
lin-41 3' UTR 
let-7 
GUU A 
5'- UUAUACAACC CUACCUCA-3' 
3'-UGAUAUGUUGG GAUGGAGU-5' 
AU 
Figura 13.25 Normalmente, C. elegans desenvolve-se até adulto após 
quatro estágios de larva, e as linhagens de células hipodérmicas con-
cluem seu desenvolvimento em L4 (l inhagens de eclosão dupla nos tér-
minos das linhagens V1-V4). (a) Nos mutantes let-7, a transição do estágio 
de larva L4 para adulto é retardada e as linhagens celulares de células 
hipodérmicas laterais M são reiteradas. (b) let-7 codifica um miRNA que 
é complementar a sequências em 3' UTR no m RNA de lin-4 7. 
Em contrapartida, o aumento de dosagem do gene let-7 cau-
sa especificação precoce dos destinos adultos nos estágios 
larvares. 
Nem let-7 nem lin-4 codificam proteínas. Let-7 codifica um 
RNA final com 22 nucleotídios, regulado temporalmente e 
processado a partir de um precursor de aproximadamente 70 
nucleotídios. ORNA final é complementar a sequências nas 
regiões 3' não traduzidas de vários genes regulados durante 
o desenvolvimento, e a ligação de miRNA a essas sequências 
impede a tradução desses transcritos gênicos. Um desses 
genes-alvo, lin-41, também afeta a transição de larva para 
adulto. Os mutantes lin-41 causam a especificação precoce 
dos destinos celulares dos adultos, sugerindo que o efeito da 
hiperexpressão de let-7 deve-se, pelo menos em parte, a um 
efeito da expressão de lin-41. O mRNA de Zet-7 liga-se ao RNA 
de lin-41 in vitro em vários sítios complementares imperfeitos 
(Figura 13.25b) . 
O papel de miRNA no desenvolvimento de C. elegans 
estende-se bem além desses dois genes. Várias centenas de 
miRNA já foram identificados, e demonstrou-se que muitos 
genes-alvo são regulados pelo miRNA. Além disso, a desco-
berta dessa classe de RNA reguladores levou a pesquisas de 
tais genes em outros genomas e, em geral, centenas de genes 
de miRNA candidatos foram detectados em genomas ani-
mais, inclusive os de humanos. 
Surpreendentemente, o gene de miRNA let-7 é ampla-
mente conservado e encontrado em Drosophila, ascídios, 
moluscos, anelídeos e genomas de vertebrados (inclusive o 
humano) . O gene lin-41 também é conservado, e as evidên-
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 415 
cias sugerem que as interações reguladoras let-7-lin41 tam-
bém controlam os eventos temporais no desenvolvimento em 
, . 
outras especres. 
A descoberta da regulação do miRNA nos genes de desen-
volvimento e do âmbito do repertório de miRNA é um tan-
to recente. Os geneticistas e outros biólogos ficaram muito 
entusiasmados quanto aos papéis dessa classe de moléculas 
reguladoras no desenvolvimento e na fisiologia, o que levou 
a novas pesquisas intensas e rápidas nessa área. 
13.6 De moscas a dedos, penas e 
placas do assoalho: os muitos 
papéis de genes too/kit 
----" 
Vimos que as proteínas toolkit e os RNA reguladores têm 
múltiplos papéis no desenvolvimento. Por exemplo, lem-
bre que, na mosca, a proteína illtrabithorax reprime a 
formação de membros no abdome e promove o desen-
volvimento das asas posteriores no tórax. Similarmente, 
Sloppy-paired e Engrailed participam da geração da or-
ganização segmentar básica do embrião e colaboram com 
as proteínas Hox para suprimir a formação de membros. 
Esses papéis são apenas alguns dos muitos desempenha-
dos por esses genes toolkit em todo o curso do desen-
volvimento da mosca. A maioria deles funciona em mais 
de uma época e lugar, podendo influenciar a formação 
ou os padrões de muitas estruturas diferentes que são 
formadas em partes diferentes do corpo da larva ou do 
adulto. Aqueles que regulam a expressão gênica podem 
regular diretamente alguns a centenas de genes diferen-
tes. A função de uma proteína (ou RNA) toolkit é quase 
sempre dependente do contexto, daí o motivo pelo qual 
a analogia com a caixa de ferramentas é tão apropriada. 
Como em uma caixa de ferramentas de um carpinteiro, 
um conjunto comum de ferramentas pode ser usado para 
fazer muitas estruturas. 
Para ilustrar mais nitidamente esseprincípio, veremos o 
papel de uma proteína toolkit no desenvolvimento de muitas 
características dos vertebrados, incluindo algumas presen-
tes nos humanos. Essa proteína é homóloga nos vertebrados 
àquela do gene hedgehog de Drosophila. O gene hedgehog 
foi primeiro identificado por Nüsslein-Volhard e Wieschaus 
como um gene de polaridade segmentar. Ele foi caracterizado 
como codificador de uma proteína sinalizadora secretada por 
células em Drosophila. 
À medida que aumentaram as evidências de que os genes 
toolkit são comuns em diferentes ramos de animais, a desco-
berta e a caracterização desses genes na mosca, como o hed-
gehog, tornaram-se uma base comum para a caracterização 
de genes em outros grupos, particularmente os vertebrados. 
A clonagem de genes homólogos baseada na similaridade de 
sequências (veja o Capítulo 14) foi uma via rápida para a iden-
tificação dos genes toolkit nos vertebrados. A aplicação dessa 
estratégia ao gene hedgehog ilustra o poder e os benefícios de 
usar uma homologia para descobrir genes importantes. Vários 
homólogos distintos de hedgehog foram isolados do peixe-ze-
bra, de camundongos, galinhas e seres humanos. No espírito 
da nomenclatura do gene de Drosophila, os três homólogos de 
vertebrados foram denominados Sonic hedgehog (personagem 
de videogame), Indian hedgehog e Desert hedgehog. 
Um dos primeiros meios de caracterização dos papéis 
potenciais desses genes no desenvolvimento foi examinar 
onde eles são expressos. Viu-se que o Sonic hedgehog (Shh) 
expressa-se em várias partes do desenvolvimento de gali-
nhas e outros vertebrados. Mais curiosa foi sua expressão 
na parte posterior do broto dos membros em desenvolvi-
mento (Figura 13.26a) . Essa parte do broto dos membros 
foi considerada por décadas como a zona de polarização de 
atividade (ZPA), porque é um organizador responsável por 
estabelecer a polaridade anteroposterior do membro e de 
O gene Sonic hedgehog tem 
múltiplos papéis 
(a) 
(b) 
• 
• • • • • • • • • • • •• • • • • • • • •• •• •• • •••••• • • . . J ' ... ,, .,, . . ,,, . ' '•' ,,. ' ,. ,, ',,,, 
Figura 13.26 O gene Shh é expresso em muitas partes diferentes 
do embrião de galinha em desenvolvimento (indicadas pela colora-
ção escura), incluindo (a) a zona de polarização de atividade em cada 
um dos dois brotos dos membros em desenvolvimento e o longo tubo 
neural, e (b) os brotos das penas em desenvolvimento. O mRNA de 
Shh é visualizado por hibridização in situ. [Fotomicrografia por cortesia 
de (a) Cliff Tabin e (b) Matthew Harris e John Fallon. ) 
416 Introdução à Genética 
seus dedos (veja a Figura 13.26b). Para testar se o Shh pode 
ter um papel na função da ZPA, Cliff Tabin e colaboradores, 
na Harvard Medical School, fizeram com que a proteína Shh 
se expressasse na região anterior dos brotos dos membros 
de galinha em desenvolvimento. Eles observaram o mesmo 
efeito que o transplante de ZPA, a indução de dedos extras 
com polaridade reversa. Seus resultados foram uma incrível 
evidência de que Shh era o morfógeno há muito procurado 
produzido pela ZPA. 
Shh também se expressa em outros curiosos padrões em 
galinha e outros vertebrados. Por exemplo, Shh é expres-
sa nos brotos das penas em desenvolvimento, onde tem o 
papel de estabelecer o padrão e a polaridade da formação 
de penas (veja a Figura 13.26b), bem como no tubo neural 
em desenvolvimento dos embriões de vertebrados, em uma 
região chamada de placa do assoalho (veja a Figura 13.26a) . Os 
experimentos subsequentes mostraram que a sinalização Shh 
dessas células da placa do assoalho é crítica para a subdivisão 
dos hemisférios cerebrais e subdivisão do olho em desenvol-
vimento nos lados esquerdo e direito. Quando a função do 
gene Shh é eliminada por mutação no camundongo, esses 
hemisférios e regiões do olho não se separam, e o embrião 
resultante é ciclópico, com um olho central e um único pro-
sencéfalo (ele também não tem membros). 
Os impressionantes e diversos papéis de Shh são um exem-
plo bem ilustrativo dos diferentes papéis desempenhados pelos 
genes toolkit em diferentes locais e épocas no desenvolvimento. 
Os resultados da sinalização Shh são diferentes em cada caso: 
a via de sinalização Shh irá induzir a expressão de um gru-
po de genes no membro em desenvolvimento, um conjunto 
diferente no broto das penas e, ainda, outro na placa do asso-
alho. Como tipos diferentes de células e tecidos são capazes 
de responder diversamente à mesma molécula sinalizadora? 
O resultado da sinalização Shh depende do contexto fornecido 
por outros genes toolkit que estão agindo ao mesmo tempo. 
Mensagem. A maioria dos genes too/kit desempenha múltiplos 
papéis em tecidos e tipos de célu las diferentes. A especificidade 
de sua ação é determinada pelo contexto dado por outros genes 
too/kit que atuam em combinação com eles. 
13.7 Desenvolvimento e doença 
A descoberta de toolkits para o desenvolvimento de moscas, 
vertebrados e humanos também teve um profundo efeito no 
estudo das bases genéticas das doenças humanas, particular-
mente defeitos congênitos e câncer. Identificou-se um grande 
número de mutações em genes toolkit que afetam o desenvol-
vimento humano e a saúde. Enfocaremos aqui alguns exem-
plos que ilustram como a compreensão do funcionamento e 
da regulação dos genes em modelos animais foi traduzida em 
uma compreensão melhor da biologia humana. 
Polidactilia 
Uma síndrome relativamente comum em seres humanos é 
o desenvolvimento de dedos extras, parciais ou completos, 
nas mãos e pés. Tal condição, chamada de polidactilia, surge 
em cerca de 5 a 17 de cada 10.000 nativivos. Nos casos mais 
marcantes, a condição ocorre tanto nas mãos quanto nos pés 
(Figura 13.27). A polidactilia é comum nos vertebrados, em 
gatos, galinhas, camundongos e outras espécies. 
A descoberta do papel da Shh nos padrões dos dedos 
levou os geneticistas a investigarem se o gene Shh foi altera-
do em humanos com polidactilia e em outras espécies. De 
fato, algumas mutações de polidactilia são mutações no gene 
Shh. Elas estão em um elemento regulador de ação eis, longe 
da região gênica codificadora, que controla a expressão de 
Shh no desenvolvimento do broto dos membros. Os dedos 
extras são induzidos pela expressão de Shh em uma parte 
do membro em que o gene não é normalmente expresso. As 
mutações nos elementos reguladores de ação eis têm duas 
propriedades importantes, distintas das mutações nas regiões 
codificadoras. Primeiro, como afetam a regulação em eis, os 
fenótipos em geral são dominantes. Segundo, como apenas 
um dos vários elementos reguladores de ação eis pode ser 
afetado, outras funções do gene podem ser completamente 
normais. A polidactilia pode ocorrer sem nenhum dos pro-
blemas colaterais do desenvolvimento. As mutações codifi-
cadoras em Shh, entretanto, contam uma história diferente, 
como veremos na próxima seção. 
Figura 13.27 Essa pessoa tem seis dedos em cada mão e sete dedos em cada pé devido a uma mutação regu ladora no gene Sonic 
hedgehog. (Fotografias por cortesia do Dr. Robert Hill, MRC Human Genetics Unit, Edinburgh, Scotland; de L. A. Lettice et ai., "Disruption of a 
Long-Range Cis-Acting Regulator for Shh Causes Preaxial Polydactyly'~ Proc. Natl. Acad. Sei. USA 99, 2002, 7548.] 
Capítu lo 13 I Controle Genético do Desenvolvimento 417 
Holoprosencefal ia 
Mutações na região codificadora do Shh também já foram 
identificadas. As alterações consequentes na proteína Shh 
estão associadas a uma síndrome chamada de holoprosencefa-
lia, na qual ocorrem anormalidades no tamanho do cérebro, 
na formação do nariz e em outras estruturas da linha média. 
Essas anomalias parecem ser contrapartes menos graves dos 
defeitos do desenvolvimento observados em camundongos 
mutantes homozigotos Shh. De fato, as crianças afetadas 
vistas em clínicas são heterozigotas. Uma cópia de um gene 
normal Shh parece ser insuficiente para o desenvolvimento 
da linha média normal (o gene é haploinsuficiente). Os fetos 
humanos homozigotos para