biologia do desenvolvimento 5edicao - Gilbert

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Biologia do
Desenvolvimento
Q U I N T A E D I Ç Ã O
Biologia do
Desenvolvimento
Q U I N T A E D I Ç Ã O
Scott F. Gilbert
Swarthmore College
Tradução e Revisão
Adolfo Max Rothschild
Zuleika Rothschild
Francisco A. de Moura Duarte
Maria Helena Corrêa Marques
A capa
FOTOGRAFIA DA CAPA: O mRNA para o Fator 8 de Crescimento
Fibroblástico pode ser detectado pela hibridização in situ da montagem
total usando RNA marcado quimicamente que é complementar a
essa mensagem. No embrião de pinto de 3 dias, a mensagem do Fgf8
é encontrada no ectoderma mais distal dos brotos dos membros, no
limite entre o cérebro posterior e o cérebro intermediário, nos somitos,
nos arcos branquiais do pescoço e na cauda em desenvolvimento. O
FGF8 é importante para diversos processos desenvolvimentais e
desempenha papéis críticos no crescimento dos membros e na
padronização do desenvolvimento do cérebro. Capítulos 3, 7 e 18.
(Fotografia cortesia de E. Laufer, C.-Y. Yeo e C. Tabin.)
FOTOGRAFIA DA CONTRACAPA: Fotografia de um embrião de pinto
de 20-21 dias nos estágios de “pipping” (bicando a casca internamente)
e pré-eclosão. Note o revestimento peridérmico proeminente na
extremidade do bico (dente do ovo), usado pelo pinto para fazer
buracos na casca do ovo, a qual se tornou mais fina e mais quebradiça,
como uma conseqüência da utilização de minerais pelo embrião para
seu crescimento esquelético. Esse estágio desenvolvimental marca a
transição do embrião em um pinto que respira ar. Capítulos 1 e 5.
(Fotografia do International Poultry Journal, cortesia de R. Tuan.)
As páginas de título
PÁGINA ESQUERDA: A expressão gênica gera limites nos discos imagi-
nais da Drosophila. Os discos grandes e pequenos dentro da larva da
mosca formam as asas e os halteres, respectivamente, no adulto. Nes-
se estágio, a proteína Apterous (vermelho) é expressa somente nos
compartimentos dorsais; a proteína Cubitus interruptus (azul) mar-
ca os compartimentos anteriores (mas não os posteriores) (uma linha
formando esse limite pode ser observada). A coloração verde (origi-
nária da proteína Vestigial) no interior demarca o limite entre o mem-
bro livre e a articulação ligando-o à parede torácica. Capítulo 19. (Fo-
tografia cortesia de J. Williams, S. Paddock e S. Carroll.)
PÁGINA DIREITA: Expressão do gene paraxis no embrião de pinto no
estágio de 6 somitos. Hibridização in situ da montagem total usando
RNA marcado com “digoxygenin” complementar a uma porção da
mensagem paraxis do pinto mostra a expressão desse gene durante a
formação do somito. A proteína Paraxis é importante no estabeleci-
mento da estrutura desses grupos mesodérmicos. Capítulos 2 e 9.
(Montagem fotográfica cortesia de R. Tuan.)
Do original: Developmental biology,
Fifth Edition
Copyrigth ® 1997 by Sinauer Associates,
Inc.
Dados Internacionais de Catalogação na
Publicação (CIP)
(Câmara Brasileira do livro, SP, Brasil)
_____________________________________
Gilbert, Scott F., 1949-
Biologia do desenvolvimento /
Scott F. Gilbert. --
5. ed. -- Ribeirão Preto, SP :
FUNPEC Editora, 2003.
Título original : Developmental biology
Vários tradutores e revisores.
Bibliografia.
ISBN 85-87528-61-0
1. Biologia do desenvolvimento I. Título.
03-4459 CDD-571.8
_____________________________________
Índices para catálogo sitemático:
1. Bilogia do Desenvolvimento: Ciências
da vida 571.8
Direitos para a língua portuguesa cedidos
pela Sinauer Associates, Inc. para a
Fundação de Pesquisas Científicas de
Ribeirão Preto que se reserva a
propriedade desta tradução.
Proibida a reprodução dos textos
originais, mesmo parcial e por
qualquer processo, sem autorização
da editora.
Para Daniel, Sarah, e David
Tabela de Conteúdos
Introdução ao desenvolvimento
animal 1
O objetivo da biologia do desenvolvimento 1
Os problemas da biologia do desenvolvimento 2
Os estágios do desenvolvimento animal 3
Nossa herança eucariótica 5
Desenvolvimento entre eucariotos unicelulares 6
Controle da Morfogênese no Desenvolvimento em
Acetabulária 6
Diferenciação em Ameboflagelados Naegleria 10
As Origens da Reprodução Sexual 12
Eucariotos coloniais: A evolução da diferenciação 16
As Volvocaceanas 16
Q Informações adicionais & Especulações
Sexo e Individualidade em Volvox 18
Diferenciação e Morfogênese em Dictyostelium 21
Q Informações adicionais & Especulações
Evidência e Anticorpos 25
Q Informações adicionais & Especulações
Como o Grex Sabe Qual Lado Está Para Cima 27
Padrões desenvolvimentais entre metazoários 28
Os Poríferos 29
Protostomatas e Deuterostomatas 30
PARTE I Introdução à Biologia do Desenvolvimento
1
Genes e desenvolvimento:
Introdução e técnicas 35
As origens embriológicas da teoria dos genes 35
Núcleo ou Citoplasma: Qual Controla a
Hereditariedade? 35
O Cromossomo X como uma Ponte Entre Genes e
Desenvolvimento 37
A cisão entre a embriologia e a genética 38
Primeiras tentativas da genética do desenvolvimento 39
Evidência para a equivalência genômica 40
Metaplasia 40
Clonagem de Anfibios: A Restrição da Potência
Nuclear 42
Clonagem de Anfíbios: A Pluripotência de Células
Somáticas 43
Q Informações adicionais & Especulações
Clonando Mamíferos por Prazer e Lucro 45
Sobre E.coli e elefantes: O modelo operon 47
Síntese diferencial de RNA 49
Hibridização de ácido nucléico 54
Clonagem de DNA genômico 55
Hibridização de DNA: entre e intra espécies 58
Seqüenciamento de DNA 59
Análise de mRNA através de bibliotecas de cDNA 61
Técnicas de localização de RNA 63
Hibridização In Situ 63
Transferências Northern 64
2
Tabela dos Conteúdos vii
Encontrando mensagens raras pela reação da polimerase
em cadeia 66
Determinando a função do gene: células e organismos
transgênicos 69
Técnicas de inserção de DNA novo em uma célula 69
Camundongos quiméricos 70
Experimentos com genes com endereçamento
(Gene targeting ou Knockout) 70
Determinando a função de uma mensagem: RNA antisense 73
Reinvestigação de velhos problemas com novos métodos 73
Uma conclusão e um alerta 75
Base celular da morfogênese:
Afinidade celular diferencial 79
Afinidade celular diferencial 80
O modelo termodinâmico de interações celulares 84
Q Informações adicionais & Especulações
Evidência para o modelo termodinâmico 87
A base molecular das adesões célula-célula 88
As classes de moléculas de adesão celular 88
Q Informações adicionais & Especulações
Anticorpos monoclonais e genética reversa 89
Moléculas de adesão celular 92
Identificando moléculas de adesão celular e seu
papel no desenvolvimento 92
Caderinas 92
CAMs da superfamília de imunoglobulinas 95
Moléculas da junção celular: proteínas da junção em
fenda 97
A base molecular da afinidade célula-substrato 99
Afinidade diferencial a substrato 99
A matriz extracelular 99
Receptores celulares para moléculas da matriz
extracelular 104
Adesão diferencial resultante de sistemas de
adesão múltipla 106
Moléculas de receptores e vias de transdução
de sinais 107
A via JAK-STAT 107
A via RTK-Ras 108
Q Informações adicionais & Especulações
Mutações negativas dominantes em receptores 110
A via do inositol fosfato 111
Cruzamentos entre vias 112
A matriz extracelular e a superfície da célula como
fontes de sinais críticos para o
desenvolvimento 112
Interações recíprocas na superfície celular 113
3
PARTE II Padrões de Desenvolvimento
Fertilização: Iniciando um
novo organismo 121
Estrutura dos gametas 121
Espermatozóide 121
O óvulo 125
Reconhecimento do óvulo e do espermatozóide: Ação à
distância 128
Atração
do Espermatozóide 128
Ativação Espermática: A Reação Acrossômica no
Ouriço-do-Mar 129
Q Informações adicionais & Especulações
Ação à Distância: Gametas de Mamíferos 131
Reconhecimento do óvulo e espermatozóide:
Contato de gametas 132
Reconhecimento Espécie-Específico em Ouriços-
do-Mar 132
Ligação de Gametas e Reconhecimento em
Mamíferos 135
Fusão de gametas e a prevenção da polispermia 139
Fusão entre as membranas do óvulo e do
espermatozóide 139
Prevenção da Polispermia 140
Q Informações adicionais & Especulações
A Ativação do Metabolismo dos Gametas 147
Ativação do metabolismo do óvulo 149
Respostas precoces 149
Respostas tardias 151
Fusão do material genético 152
Q Informações adicionais & Especulações
A Não-Equivalência dos Pronúcleos de
Mamíferos 154
Rearranjo do citoplasma do óvulo 156
Preparação para a Clivagem 158
Clivagem: Criando
multicelularidade 167
PADRÕES DE CLIVAGEM EMBRIONÁRIA 168
Clivagem holoblástica radial 169
A holotúria, Synapta 169
Ouriço-do-Mar 170
Anfíbios 173
Clivagem holoblástica espiral 175
4
5
viii Tabela dos Conteúdos
Q Informações adicionais & Especulações
Adaptação pela modificação da clivagem
embrionária 178
Clivagem Holoblástica Bilateral 179
Clivagem holoblástica rotacional 180
Compactação 181
Q Informações adicionais & Especulações
A Superfície da Célula e o Mecanismo de
Compactação 184
Formação da massa celular interna 185
Fuga da Zona Pelúcida 185
Q Informações adicionais & Especulações
Gêmeos e células embrionárias precursoras 186
Clivagem Meroblástica 188
Clivagem discoidal 189
Clivagem Superficial 192
Q Informações adicionais & Especulações
Exceções, Generalizações, e Clivagem
Parasítica da Vespa 195
MECANISMO DE CLIVAGEM 196
Regulando o ciclo da clivagem 196
Fator promotor de maturação 197
Q Informações adicionais & Especulações
MPF e Seus Reguladores 198
O mecanismo citoesquelético da mitose 201
A formação de novas membranas 203
Gastrulação: Reorganizando as
células embrionárias 209
Gastrulação em ouriço-do-mar 210
Ingresso do Mesênquima Primário 210
Primeiro estágio da invaginação do arquêntero 215
Segundo e terceiro estágios da invaginação do
arquêntero 217
Gastrulação em peixes 218
A transição da blástula intermediária e a aquisição
de motilidade celular 218
Formação das camadas germinais 220
Gastrulação de anfíbios 221
Movimentos celulares durante a gastrulação de
anfíbios 221
Posicionando o blastóporo 224
Movimentos celulares e a construção do arquêntero 226
Migração do mesoderma involutivo 229
Q Informações adicionais & Especulações
Reguladores moleculares do desenvolvimento:
Fibronectinas e as vias da migração
mesodérmica 230
Epibolia do ectoderma 232
Gastrulação em aves 233
Generalidades sobre gastrulação em aves 233
6
Mecanismos de gastrulação em aves 238
Gastrulação em mamíferos 242
Modificações para desenvolvimento dentro de
outro organismo 242
Formação de membranas extra-embrionárias 245
Início do desenvolvimento vertebrado:
Neurulação e ectoderma 253
FORMAÇÃO DO SISTEMA NERVOSO CENTRAL 254
Neurulação: aspectos gerais 254
Neurulação primária 255
A mecânica da neurulação primária 257
A formação da placa neural 257
Formação do assoalho da placa neural 258
A modelagem e dobramento da placa neural 259
Fechamento do tubo neural 260
Q Informações adicionais & Especulações
A modelagem dorsoventral do sistema nervoso 264
Neurulação secundária 264
Diferenciação do tubo neural 265
Formação das regiões do cérebro 265
Q Informações adicionais & Especulações
Determinando as regiões do cérebro anterior e
cérebro médio 268
Arquitetura de Tecido no Sistema Nervoso Central 270
Organização do cerebelo 272
Organização cerebral 274
Tipos de neurônios 276
Desenvolvimento do olho em vertebrados 279
Dinâmica do desenvolvimento ótico 279
Diferenciação da retina neural 280
Q Informações adicionais & Especulações
Porque os bebês não enxergam bem 282
Diferenciação do cristalino e da córnea 283
A CRISTA NEURAL 284
A crista neural e seus derivados 284
A crista neural do tronco 285
Vias de migração das células da crista neural do
tronco 285
A matriz extracelular e a migração da crista neural
do tronco 287
Q Informações adicionais & Especulações
Análise das mutações que afetam o desenvolvi-
mento das células da crista neural 290
A potência do desenvolvimento das células da crista
neural do tronco 291
Diferenciação final das células da crista neural 292
A crista neural cefálica 293
Vias migratórias das células da crista neural
cefálica 293
Potência de desenvolvimento das células da crista
neural cefálica 295
7
Tabela dos Conteúdos ix
A crista neural cardíaca 296
A EPIDERME E A ORIGEM DAS ESTRUTURAS CUTÂNEAS 297
A origem das células epidérmicas 297
Apêndices cutâneos 299
Conclusões 300
Especificidade axônica 307
A geração da diversidade neuronial 307
Especificação do Neurônio Motor de Vertebrado 308
Especificação dos Neurônios Motores em
Drosophila 310
Formação de padrões no sistema nervoso 312
Seleção de trajetórias: Orientação pela matriz
extracelular 313
Orientação pelo Terreno Físico: Orientação por
Contato 313
Orientação para Gradientes de Adesão:
Haptotaxia 314
Condução por Sinais Migratórios específicos
do Axônio: A Hipótese das Trajetórias
Marcadas 315
Orientação pela Repulsão Específica de Cones de
Crescimento 317
Q Informações adicionais & Especulações
Sexo,Odor e Adesão Específica 319
Seleção de trajetória: Orientação por moléculas
difusíveis 320
Sinais para condução múltipla 323
Neurônios Motores Vertebrados 323
Axônios da Retina 325
Seleções de alvos 326
Especificidades Adesivas em Diferentes Regiões
do Tectum 328
Seleção de endereço: Desenvolvimento dependente de
atividade 331
Sobrevivência diferencial após a inervação: Fatores
neurotróficos 331
Q Informações adicionais & Especulações
Neurônios Fetais em Hospedeiros Adultos 334
O desenvolvimento de comportamentos: constância e
plasticidade 334
8
Início do desenvolvimento
vertebrado: Mesoderma e
endoderma 341
MESODERMA 341
Mesoderma dorsal: A notocorda e a diferenciação dos
somitos 341
Mesoderma Paraxial 341
Somitômeros e a Iniciação da Formação do
Somito 343
Geração de Tipos de Células Somíticas 344
Miogênese: Diferenciação do Músculo
Esquelético 347
Q Informações adicionais & Especulações
Construção Muscular e a Família MyoD de
Reguladores Transcricionais 349
Osteogênese: O Desenvolvimento
dos Ossos 351
Q Informações adicionais & Especulações
Controle da Condrogênese na Placa de
Crescimento 357
Mesoderma da Placa Lateral 358
Formação das Membranas
Extra-Embrionárias 359
O Coração 361
Formação dos vasos sangüíneos 366
Q Informações adicionais & Especulações
Redirecionando o Fluxo Sangüíneo no
Mamífero Recém-nascido 372
O Desenvolvimento de células sangüíneas 373
O Conceito de Célula-tronco 373
Células-tronco Pluripotenciais e Microambientes
Hematopoéticos 374
Desenvolvimento Osteoclástico 377
Locais de Hematopoiese 378
ENDODERMA 380
Faringe 380
O tubo digestivo e seus derivados 382
Fígado, Pâncreas e Vesícula Biliar 382
O Tubo Respiratório 383
9
x Tabela dos Conteúdos
Regulação transcricional da expressão
gênica: Fatores de transcrição
e a ativação de promotores
específicos 391
Éxons e Íntrons 392
Estrutura e função do promotor 394
Estrutura do promotor
396
Função do promotor 397
Q Informações adicionais & Especulações
RNA polimerase e os fatores trans-reguladores
no promotor 399
Estrutura e função dos intensificadores 402
Necessidade de intensificadores 402
Função do intensificador: Modelos temporais e
espaciais de transcrição 403
Fatores de transcrição: Os trans-reguladores dos
promotores e dos intensificadores 404
Proteínas de homeodomínio 405
Os fatores de transcrição POU 406
Q Informações adicionais & Especulações
Regulação da transcrição dos genes de cadeia
leve das imunoglobulinas 409
Fatores de transcrição básicos do tipo hélice-alça-
hélice 415
Q Informações adicionais & Especulações
Regulando as proteínas bHLH miogênicas:
Governando a troca entre proliferação e
diferenciação de células musculares 416
Fatores de transcrição do zíper básico da leucina 416
Q Informações adicionais & Especulações
Armadilhas do intensificador: natural e
experimental 418
Fatores de Transcrição Dedo de Zinco 420
Receptores Nucleares de Hormônios e Seus
Elementos Responsivos a Hormônios 420
Proteínas que dobram o DNA 423
Ativação dependente de contexto ou silenciamento 423
Regulação da atividade do fator de transcrição 425
Regulação transcricional da
expressão gênica: A ativação da
cromatina 431
Nucleossomos e a ativação da cromatina reprimida 431
Acessibilidade a fatores trans-reguladores 432
Sítios hipersensíveis à DNAase I 434
PARTE III Mecanismo da Diferenciação Celular
10
Ruptura e reorganização de nucleossomos: o papel
dos complexos de ruptura 436
Ruptura e reorganização de nucleossomos: o papel
da competição de histonas 437
Regiões de controle de loco: transcrição do gene da
globina 437
Q Informações adicionais & Especulações
Trocas no gene de globina 440
Metilação de DNA e atividade gênica 442
Correlações entre metilação do promotor e
inatividade gênica 442
Metilação e a manutenção dos padrões de
transcrição 443
Q Informações adicionais & Especulações
Metilação e impressão gênica 444
Compensação de dosagem do cromossomo X de
mamíferos 446
Q Informações adicionais & Especulações
O mecanismo de inativação do cromossomo X 449
Associação do DNA ativo com a matriz nuclear 451
Ligação da cromatina ativa a uma matriz nuclear 451
Topoisomerases e a transcrição gênica 453
Isoladores e domínios 454
Resumo 455
Controle do desenvolvimento pelo
processamento e tradução
diferencial do RNA 461
CONTROLE DO DESENVOLVIMENTO PELO PROCESSAMENTO
DIFERENCIAL DE RNA 461
Controle do desenvolvimento precoce pela seleção de
RNA nuclear 462
Os mecanismos de emenda de RNA: Spliceosomes 465
Emenda alternativa do RNA: Criando proteínas
alternativas a partir do mesmo gene 466
Um gene, Muitas Proteínas Relacionadas 466
Processamento Alternativo de RNA e
Determinação Sexual em Drosophila 468
Uso Disseminado do Processamento de RNA para
o Controle da Expressão Gênica 471
REGULAÇÃO DA TRADUÇÃO DOS PROCESSOS
DESENVOLVIMENTAIS 471
Mecanismos da tradução eucariótica 472
Controle da síntese protéica pela longevidade diferencial
do mRNA 474
Degradação Seletiva de mRNAs 475
Controle da tradução de mensagens do oócito 476
11
12
Tabela dos Conteúdos xi
Caracterização de RNAs Mensageiros
Armazenados em Oócitos 477
Q Informações adicionais & Especulações
Determinando o Destino Celular por Meio do
mRNA Localizado do Oócito 480
Mecanismos para a regulação da tradução das
mensagens dos oócitos 481
A Hipótese da Mensagem Materna Mascarada 482
A Hipótese da Cauda Poli(A) 483
A Hipótese da Eficiência da Tradução 486
Outros sistemas de ativação do mRNA: Mensagens
sem “Cap” e Mensagens Seqüestradas 486
Q Informações adicionais & Especulações
A Ativação do Genoma Embrionário 488
Regulação dos genes da tradução em larvas e
adultos 490
Determinação de Gametas em C. elegans 490
RNA Antisenso Natural 491
“Disjuntores” do Controle da Tradução 492
Editoração do RNA 493
Controle da tradução e síntese protéica coordenada:
Produção de Hemoglobina 494
Epílogo: Regulação Pós-tradução 497
Especificação celular autônoma
por determinantes
citoplasmáticos 505
Comprometimento celular e diferenciação 505
Pré-formação e epigênese 507
Os Teratologistas Franceses 509
Especificações autônomas em embriões de tunicados 510
O determinante formador de músculos do
crescente amarelo 511
Especificação citoplasmática das linhagens
endodérmicas e epidérmicas e o eixo ântero-
posterior 514
Localização citoplasmática em embriões de moluscos 515
O lóbulo polar 517
Especificação celular no nematódeo Caenorhabditis
elegans 521
Controle maternal da identidade do blastômero: O
controle genético das células progenitoras
faríngeas de C. elegans 524
Regulação em C. elegans 527
Q Informações adicionais & Especulações
“Ser ou Não Ser: Esse é o Fenótipo” 529
Divisões celulares assimétricas no desenvolvimento
tardio 530
Localização citoplasmática de determinantes de células
germinativas 531
Determinação de células germinativas em
nematódeos 531
Determinação da célula germinativa em insetos 532
Componentes do plasma polar da Drosophila 534
Determinação de células germinativas em
anfíbios 536
Resumo 538
PARTE IV Especificação do Destino Celular e os
Eixos Embrionários
13
A genética da
especificação axial em
Drosophila 543
Resumo do desenvolvimento de Drosophila 543
AS ORIGENS DA POLARIDADE ÂNTERO-POSTERIOR 545
Visão Panorâmica 545
Os genes de efeito materno 546
Evidência Embriológica da Regulação da
Polaridade pelo Citoplasma do Oócito 546
O Modelo Molecular: Gradientes Protéicos no
Embrião Precoce 547
Q Informações adicionais & Especulações
Modelos de Gradientes da Informação
Posicional 551
Evidência que o Gradiente da Proteína Bicoid
Constitui o Centro de Organização Anterior 552
O Centro de Organização Posterior: Localizando e
Ativando o Produto de nanos 556
O Grupo Gene Terminal 557
Os genes da segmentação 559
Uma Visão Panorâmica 559
Os Genes de gap 561
Os Genes pair-rule 563
Os Genes de Polaridade Segmentar 565
Os genes de Seleção homeótica 569
Padrões de Expressão dos Genes Homeóticos 569
Iniciando os Padrões da Expressão dos genes
Homeóticos 572
Mantendo os Padrões de Expressão dos genes
Homeóticos 572
Os Elementos Cis-Reguladores e o Complexo
Bithorax 574
14
xii Tabela dos Conteúdos
Q Informações adicionais & Especulações
Regulação Molecular do Desenvolvimento: As
Proteínas do Homeodomínio 576
A GERAÇÃO DA POLARIDADE DORSOVENTRAL EM
DROSOPHILA 577
A proteína Dorsal: Morfógeno para a polaridade
dorsoventral 577
Translocação da Proteína Dorsal 577
Provendo o sinal assimétrico para a translocação da
proteína Dorsal 578
Sinal do Núcleo do Oócito para as Células
Foliculares 578
Sinalização das Células Foliculares para o
Citoplasma do Oócito 580
O Estabelecimento do Gradiente da Proteína
Dorsal 581
PRIMÓRDIOS DE ÓRGÃOS E EIXOS 585
O modelo de coordenadas cartesianas e a especificação
dos primórdios dos órgãos 585
Resumo: Alguns princípios do desenvolvimento da
Drosophila 586
Especificação do destino celular
por interações célula-célula
progressivas 591
Desenvolvimento regulativo 591
Testando a teoria do plasma germinativo 592
August Weismann: A teoria do plasma
germinativo 592
Wilhelm Roux: Desenvolvimento em mosaico 593
Hans Driesch: Desenvolvimento Regulativo 594
Sven Hörstadius: Potência e gradientes em oócitos 597
Formação de um organismo integrado: Restringindo
a potência das células vizinhas
598
Regulação durante o desenvolvimento de anfíbios 600
Hans Spemann: Determinação progressiva das
células embrionárias 600
Hans Spemann e Hilde Mangold: Indução
embrionária primária 603
O centro de Nieuwkoop 606
A formação do centro de Nieuwkoop e a polaridade
mesodérmica 606
A especificação da polaridade dorsoventral na
fertilização 607
A base molecular da indução mesodérmica 609
Estabelecendo a regionalização dorsal: o possível
papel da β-catenina 609
O funcionamento do centro de Nieuwkoop: funções
para Vg1 e Noggin 610
Indução de especificidade mesodérmica ventral e
lateral 612
A criação da atividade do organizador 613
Proteínas secretadas do organizador 613
Q Informações adicionais & Especulações
BMP4 e a lagosta de Geoffroy 616
Fatores de transcrição induzidos no
organizador 619
Q Informações adicionais & Especulações
Como o Organizador Neuraliza o
Ectoderma? 621
A especificidade regional de indução 621
A determinação das diferenças regionais 621
O modelo do duplo gradiente 623
Correlatos moleculares da caudalização
neural 624
Q Informações adicionais & Especulações
Sinais verticais e horizontais do
organizador 626
Genes homeobox na especificação neural 628
Competência e cascatas indutivas 628
Estabelecimento dos eixos
corporais em mamíferos
e aves 635
Iniciando o eixo ântero-posterior 635
Estabelecendo um Centro de Nieuwkoop 635
Expressão Gênica em Tecidos Organizadores 636
Especificando o eixo ântero-posterior de mamífero: A
hipótese do código Hox 637
Homologia dos Complexos de Genes Homeóticos
entre Drosophila e Mamíferos 637
Expressão de Genes Hox no Sistema Nervoso
Central e seus Derivados 638
Análise Experimental de um Código Hox: Gene
Alvo 640
Transformação Parcial de Segmentos por
Eliminação de Genes Hox Expressos no
Tronco 642
Análise Experimental do Código Hox: Teratogênese
do Ácido Retinóico 643
Evidência para um Código Hox da Anatomia
Comparada 645
Q Informações adicionais & Especulações
Animais como Variações sobre o Mesmo Tema
Desenvolvimental 646
Eixos dorsoventral e esquerdo-direito em mamíferos e
aves 647
15 16
Tabela dos Conteúdos xiii
Interações proximais de tecidos:
Indução secundária 655
Interações instrutivas e permissivas 655
Competência e receptores 656
Fatores parácrinos 657
Os Fatores de Crescimento Fibroblástico 658
A família hedgehog 659
A família Wnt 660
A superfamília TGF-ß 661
Sinalização Justácrina 662
Interações epitélio-mesênquima 663
Especificidade Regional da Indução 663
Especificidade Genética da Indução 666
Cascatas de indução embrionária: Indução do cristalino 667
Os Fenômenos da Indução do Cristalino 667
A Base Celular da Indução do Cristalino 668
Formação da Córnea 672
Formação de órgãos parenquimatosos 672
Morfogênese do Rim de Mamífero 673
Os Mecanismos da Organogênese Renal 676
Q Informações adicionais & Especulações
Diferenciação Coordenada e Morfogênese no
Dente 682
Mecanismos de ramificação na formação de órgãos
parenquimatosos 683
A Matriz Extracelular como um Elemento Crítico
na Ramificação 684
Fatores Parácrinos Efetuando Padrões de
Ramificação 686
Indução ao nível de uma única célula 687
Indução Vulvar no Nematóide Caenorhabditis
elegans 690
Q Informações adicionais & Especulações
Interações Célula-Célula e Possibilidade na
Determinação de Tipos Celulares 692
Desenvolvimento do membro
de tetrápode 701
Padronização no membro 701
Formação do broto do membro 702
O campo do membro 702
Especificação dos campos do membro: Genes
Hox e ácido retinóico 703
Crescimento do broto de membro precoce: fatores
de crescimento dos fibroblastos como
indutores do broto do membro 704
Indução da crista ectodérmica apical 704
Produção do eixo próximo-distal dos membros 706
A crista ectodérmica apical: O componente
ectodérmico 706
A zona progressiva: O componente mesodérmico 708
Genes Hox e a especificação do eixo próximo-
distal do membro 709
Interações entre a AER e a zona progressiva 711
Mutações nas interações entre a zona progressiva
e a AER 711
Q Informações adicionais & Especulações
A regeneração dos membros da salamandra e a
retenção do eixo próximo-distal 714
Especificação do eixo ântero-posterior dos membros 716
A zona de atividade polarizante 716
Sonic hedgehog como definidor da ZPA 717
Interações entre a AER e a ZPA para integrar
crescimento e padrão 718
Especificando a ZPA 721
A produção do eixo dorsoventral 721
Distinguindo o membro anterior do membro posterior 722
Q Informações adicionais & Especulações
Lições de limbless 724
Morte celular e a formação de dígitos 724
Q Informações adicionais & Especulações
Evolução do membro tetrápode 726
Interações celulares à distância:
Hormônios como mediadores do
desenvolvimento 733
Metamorfose: o direcionamento hormonal do
desenvolvimento 733
Metamorfose anfíbia 734
Controle hormonal da metamorfose de anfíbios 735
Respostas Moleculares aos Hormônios da Tireóide
Durante a Metamorfose 740
Q Informações adicionais & Especulações
Heterocronia 743
Metamorfose em insetos 746
Eversão e Diferenciação dos Discos Imaginais 746
Q Informações adicionais & Especulações
A determinação dos discos imaginais da perna
e da asa 750
Remodelação do sistema nervoso 753
PARTE V Interações Celulares Durante a
Formação do Órgão
17
18
19
xiv Tabela dos Conteúdos
Controle Hormonal da Metamorfose de Insetos 754
A biologia Molecular da Atividade da
Hidroxiecdisona 757
Q Informações adicionais & Especulações
Controle ambiental sobre a forma e a função da
larva 761
Interações hormonais múltiplas no desenvolvimento da
glândula mamária 762
Estágio embrionário 762
Adolescência 765
Gravidez e lactação 765
Determinação do sexo 773
Determinação cromossômica do sexo em mamíferos 774
Determinação Sexual Primária 774
Determinação Secundária do Sexo 774
As Gônadas em Desenvolvimento 775
Determinação sexual primária dos mamíferos: Genes
cromossômicos Y para a determinação dos
testículos 777
SRY: O Determinante Sexual do Cromossomo Y 778
Determinação sexual primária em mamíferos: Genes
autossômicos na determinação de testículos 780
SOX9: Reversão Autossômica na Displasia
Campomélica 780
SF1: A Ligação Entre SRY e as Trajetórias
Desenvolvimentais Masculinas 780
Determinação sexual primária em mamíferos:
Desenvolvimento ovariano 781
DAX1: Um Potencial Gene Determinante de Ovário
no Cromossomo X 781
Wnt4a: Um Potencial Gene Determinante de
Ovário em um Autossomo 781
Determinação sexual secundária em mamíferos 782
Regulação Hormonal do Fenótipo Sexual 782
Testosterona e Diidrotestosterona 783
Hormônio Anti-Mülleriano 784
O Sistema Nervoso Central 785
Q Informações adicionais & Especulações
O Desenvolvimento de Comportamentos
Sexuais 787
Determinação sexual cromossômica em Drosophila 788
A Via do Desenvolvimento Sexual 788
O Gene Sex-lethal como o Pivô para a
Determinação do Sexo 790
Os Genes transformer 793
doublesex: O Gene Comutador da Determinação
Sexual 793
Genes-alvo para a Cascata de Determinação
Sexual 794
Hermafroditismo 795
Hermafroditismo no Nematóide C. elegans 795
Hermafroditismo em Peixes 797
Determinação ambiental do sexo 798
Determinação Sexual Dependente de Temperatura
em Reptéis 798
Determinação Sexual Dependente da Localização
em Bonellia viridis e Crepidula fornicata 799
Resumo 800
Regulação ambiental do
desenvolvimento animal 805
REGULAÇÃO AMBIENTAL DO DESENVOLVIMENTO NORMAL 806
Sugestões ambientais usadas pelos organismos para
completar seus desenvolvimentos 806
A colonização larval 806
Refeições de sangue 808
Simbiose no desenvolvimento 808
Diferenças ambientais previsíveis como sugestões para o
desenvolvimento 810
Sazonalidade e sexo: Afídios e Volvox 810
Diapausa 812
Plasticidade fenotípica: Polifenismo e regras de
reação 813
Polifenismo sazonal em borboletas 814
Polifenismo nutricional 816
Determinação sexual dependente do ambiente 817
Fatores ambientais imprevisíveis controlando o
desenvolvimento animal 818
Defesas induzíveis contra a predação 819
Plasticidade fenotípica e mudanças no ambiente 820
Q Informações adicionais & Especulações
Assimilação Genética 821
A contínua plasticidade do desenvolvimento 822
O sistema imune: Desenvolvimento no adulto 822
Aprendizado: Um sistema nervoso adaptável ao
ambiente 823
DISTÚRBIOS AMBIENTAIS DO DESENVOLVIMENTO NORMAL 827
Malformações e distúrbios 827
Agentes teratogênicos 828
Ácido retinóico como um teratogênico 829
Talidomida como um teratogênico 830
Álcool como um teratogênico 833
Outros agentes teratogênicos 835
Q Informações adicionais & Especulações
Estrógenos Ambientais 836
Interações genética-ambiental 837
Resumo 837
20 21
Tabela dos Conteúdos xv
A saga da linhagem
germinativa 843
Migração das células germinativas 843
Migração das Células Germinativas em
Anfíbios 843
Migração das Células Germinativas em
Mamíferos 844
Q Informações adicionais & Especulações
Teratocarcinomas e Células-Tronco
Embrionárias 847
Migração de Células Germinativas em Aves e
Répteis 848
Migração de Células Germinativas Primordiais em
Drosophila 849
Meiose 850
Q Informações adicionais & Especulações
Grandes Decisões: Mitose ou Meiose?
Espermatozóide ou Óvulo? 853
Espermatogênese 855
Espermiogênese 857
Q Informações adicionais & Especulações
Expressão Gênica Durante o Desenvolvimento
do Espermatozóide 858
Oogênese 860
Meiose oogênica 860
Maturação do Oócito em Anfibios 861
Conclusão da meiose: Progesterona e
Fecundação 864
Transcrição Gênica em Oócitos 865
Oogênese Meroística em Insetos 867
Q Informações adicionais & Especulações
A Origem dos Eixos Embrionários de
Drosophila Durante a Oogênese 869
Oogênese em Mamíferos 870
Q Informações adicionais & Especulações
O Reinício da Meiose nos Oócitos de
Mamíferos 875
Mecanismos desenvolvimentais
da mudança evolucionária 883
“Unidade de Tipo” e “Condições de Existência” 883
A Síntese de Charles Darwin 883
E. B.Wilson e F. R. Lillie 885
A evolução do desenvolvimento precoce: E. Pluribis
Unum 885
A emergência dos embriões 885
Formação de um Novo Filo: Modificando os
Caminhos do Desenvolvimento 887
Modularidade: O pré-requisito para mudança evolutiva
através do desenvolvimento 891
Modularidade 891
Dissociação: Heterocronia e Alometria 891
Duplicação e Divergência 893
Co-opção 894
Progressão correlacionada 896
Restrições ao desenvolvimento 898
Restrições Físicas 898
Restrições Morfogenéticas 898
Restrições Filéticas 899
Evolução Conjunta do Ligante e Receptor:
Isolamento Reprodutivo 901
O mecanismo genético do desenvolvimento da
mudança evolucionária: Genes reguladores
homólogos 902
Pax6 e o desenvolvimento do olho 902
BMP4 e a Morfogênese dos Membros 904
Genes Hox e a Evolução dos Vertebrados 905
Genes Hox e a Evolução dos Artrópodes 907
Caminhos homólogos do desenvolvimento 909
Criando novos tipos de células: O mistério evolucionário
básico 911
Uma nova síntese evolucionária 912
Fontes Para as Citações das Aberturas
dos Capítulos C-1
Índice de Autores IA-1
Índice de Assuntos IA-2
Índice de Abreviaturas IA-3
22 23
s últimos anos do século 20 encontram a biologia do desenvolvi-
mento retornando à posição que ela ocupou no início do século: a
disciplina que unifica os estudos da hereditariedade, evolução e
fisiologia. Em 1896, a primeira edição de B. Wilson do The Cell in Development
and Inheritance anunciou “a verdade maravilhosa que uma única célula pode
conter em seu interior sua extensão microscópica da soma-total da herança
das espécies.” Hoje, a biologia do desenvolvimento está na vanguarda desse
estudo de nossa herança natural. Nos seus aspectos moleculares, ela toca a
química física na sua investigação dos mecanismos bioquímicos pelos quais
proteínas diferentes são produzidas em células diferentes do mesmo geno-
ma. Ela também está na liderança dos estudos evolucionários que procuram
entender como mudanças macroevolucionárias ocorreram. Ela abriu recen-
temente uma área nova da biologia do desenvolvimento ecológico, onde mu-
danças ambientais são vistas criando alterações no desenvolvimento do
organismo. Durante os últimos 3 anos, a biologia do desenvolvimento tam-
bém expandiu para a medicina, fundindo-se com a genética clínica para criar
uma ciência revitalizada da embriologia humana, uma ciência que já se
tornou importante na explanação das malformações congênitas.
A quinta edição do Biologia do Desenvolvimento foi revisada e reescrita
para refletir essas revoluções que estão acontecendo. Aconteceram quatro
mudanças importantes na estrutura do livro desde sua última edição. Pri-
meiro, tornou-se impossível discutir os princípios fundamentais da em-
briologia sem o conhecimento da atividade gênica ou vias da transdução de sinais.
Portanto, essa informação foi trazida dentro da seção introdutória do livro
de modo que interações celulares, tais como fertilização e indução, podem
ser apreciadas tanto no âmbito molecular quanto no morfológico.
Segundo, novo interesse nos efeitos do ambiente no desenvolvimento
normal e anormal conduziu a um novo capítulo. O Capítulo 21, “Regulação
Ambiental do Desenvolvimento Animal,” diz respeito às vias pelas quais o
meio ambiente afeta o fenótipo do organismo. Interesse na proteção ambiental
e em controvérsias envolvendo a possibilidade de poluentes teratogênicos
forçaram uma nova percepção das influências que o meio ambiente repre-
senta no desenvolvimento normal e anormal. Na verdade, os biologistas do
desenvolvimento podem rapidamente encontrar-se à frente dos movimen-
tos da conservação ecológica. As primeiras quatro edições deste livro bus-
caram integrar abordagens molecular, celular e orgânica à biologia do de-
senvolvimento; esta edição adiciona a dimensão ecológica.
Terceiro, esta edição introduz novas ênfases nos papéis dos fatores
parácrinos no desenvolvimento. Não somente os estudos da transdução
de sinais estão colocados na seção introdutória deste livro, como a Parte V
O
Prefácio
Prefácio xvii
da Quinta Edição inicia com uma visão geral das famílias do fator de cres-
cimento fibroblástico, TGF-β, Wnt e Hedgehog dos fatores de crescimento
e diferenciação.
Quarto, este livro está conectado a um website onde estudantes e pro-
fessores podem encontrar mais material em muitos tópicos selecionados.
Tal material inclui (1) detalhes de experimentos que são extremamente
especializados para serem colocados no texto, (2) informação histórica so-
bre áreas particulares da biologia do desenvolvimento e personalidades
envolvidas, (3) implicações médicas de fenômenos particulares do desen-
volvimento, (4) debates ou comentários em questões relevantes para o cam-
po, e (5) atualizações do material do texto nessa área da biologia de cresci-
mento cada vez mais rápido. Filmes e entrevistas gravadas estão incluídas
e esses artigos de destaque poderão ser expandidos à medida que a tecnologia
os tornar mais fáceis para serem usados. Esse website está conectado tam-
bém a outros websites e podem ser usados para enriquecer
a perspectiva de
alguém sobre o que está acontecendo no desenvolvimento animal. A presen-
ça de um website nos permite manter o direcionamento deste livro às pesso-
as para as quais isso foi originalmente pretendido: estudantes dos últimos
anos da graduação e do início da pós-graduação. Ele também me ajudou a
não deixar o livro tornar-se um substituto para peso de papel.
A visão de Roux foi que a biologia do desenvolvimento “algum dia cons-
tituiria a base de todas as outras disciplinas biológicas e, em continuada
simbiose com essas disciplinas, desempenharia uma parte proeminente nas
soluções dos problemas da vida.” Essas foram palavras audaciosas, até mes-
mo arrogantes há cem anos atrás; hoje, elas expressam uma aceitação ampla-
mente sustentada. O desenvolvimento integra todas as áreas da biologia e
desempenha um papel crucial em relacionar o genótipo ao fenótipo. O desen-
volvimento pode ser estudado usando qualquer organismo e em qualquer
nível de organização, de moléculas a filos.
À medida que o campo continuar a se expandir e se aprofundar , uma
palavra de advertência é requerida: a biologia do desenvolvimento não pode
ser aprendida ou ensinada em um único semestre. Este texto é uma tentati-
va para prover cada pessoa com material suficiente para seu curso, mas um
instrutor não necessita se sentir culpado por não determinar todos os capí-
tulos, e os estudantes não necessitam se sentir privados se eles não lerem
todos os capítulos. Isto é o começo do caminho, não sua conclusão.
Como usar o website
Qualquer pessoa pode entrar no website através de sua homepage
[http://zygote.swarthmore.edu/index.html] ou através da sua lista de ar-
quivos de capítulos localizada no [http://zygote.swarthmore.edu/info.html].
Alternativamente, nós colocamos acessos específicos endereçados em todo
o livro onde quer que exista uma entrada relevante no momento da publica-
ção. Todos esses endereços começam com [http://zygote.swarthmore.edu/]
e são seguidos por um código dado no livro texto. Assim, a localização
especificada na página 20 do livro é:
http://zygote.swarthmore.edu/intro2.html
Mais localizações estão sendo adicionadas no website, e essas podem
ser acessadas entrando nos arquivos do capítulo. Em adição, clicando no
botão “Outros Arquivos” abaixo de cada capítulo, as conexões para outros
websites serão facilitadas. Divirta-se.
xviii Prefácio
Agradecimentos
Esta edição, como suas precursoras, deve muito às sugestões e críticas dos
estudantes em minhas classes de biologia do desenvolvimento e genética
do desenvolvimento. O grupo de funcionários e docentes extremamente
corporativo da Universidade Swarthmore também desempenharam pa-
péis importantes na produção deste livro, e os bibliotecários da área de
ciência E. Horikawa e M. Spencer merecem agradecimentos especiais por
terem segurado volumes recentes na biblioteca enquanto eu estava escre-
vendo o livro. Os cientistas que revisaram estes capítulos forneceram enor-
me ajuda tanto na precisão técnica dos capítulos quanto nas sugestões
para trabalho futuro. Esses investigadores incluem: S. Carroll, J. Cebra-
Thomas, E. M. De Robertis, S. DiNardo, E. Eicher, C. Emerson, G. Grunwald,
D. J. Grunwald, M. Hollyday, L. A. Jaffe, W. Katz, R. Keller, K. Kemphues, D.
Kirk, G. Martin, H. F. Nijhout, D. Page, R. Raff, R. Schultz, C. Stern, S.
Tilghman, R. Tuan e M. Wickens. Eu também quero agradecer aos muitos
cientistas que desviaram do seu caminho para ajudar a tornar esta edição
melhor lendo porções específicas dos capítulos. Eles incluem: M. Bronner-
Fraser, J. Fallon, N. M. Le Douarin, E. McCloud, J. Opitz, K. Sainio, H. Sariola,
I. Thesleff e T. Valente. Se eu deixei alguém fora, por favor me desculpem. É
desnecessário dizer que os julgamentos editoriais finais foram de minha
responsabilidade. Meus agradecimentos especiais a Judy Cebra-Thomas
que não somente me aconselhou em certos capítulos mas quem deu exce-
lente ajuda durante meu período sabático permitindo-me terminar este
livro. Agradecimentos também aos cientistas e filósofos, especialmente: C.
van der Weele, R. Amundson, L. Nyhart, R. Burian, H. F. Nijhout, A. F.
Sterling, K. Smith e A. I. Tauber, que participaram nos workshops de biolo-
gia do desenvolvimento da Sociedade Internacional para a História, Filo-
sofia e Estudos Sociais da Biologia. Algumas das melhores críticas cons-
trutivas deste livro-texto vieram dessas pessoas.
Andy Sinauer uma vez mais conseguiu reunir as mesmas e extraor-
dinárias pessoas neste projeto, e foi um privilégio trabalhar com eles. Meus
agradecimentos a ele e aos editores Nan Sinauer e Carol Wigg, coordenador
de produção Chris Small, artistas John Woolsey e Gary Welch, designer
Susan Schmidler, editor de texto Janet Greenblatt, e artista de layout Janice
Holabird. As habilidades editoriais de Tinsley Davis são extremamente re-
conhecidas. Devido ao fato de que os prazos finais devem ser cumpridos e
outro trabalho posto de lado, eu tenho que agradecer minha família por
mais uma vez me permitir prosseguir com isso. Em particular, este livro
nunca poderia ter sido completado se não fosse pelo encorajamento de mi-
nha esposa, Anne Raunio, que, como uma obstetra, gosta do lado mais prá-
tico da biologia do desenvolvimento. Meus agradecimentos a todos vocês.
SCOTT F. GILBERT
1 DE MARÇO DE 1997
1 Introdução ao desenvolvimento animal 1
2 Genes e desenvolvimento: Introdução e técnicas 35
3 Base celular da morfogênese: Afinidade celular diferencial 79
I
Introdução à Biologia
do Desenvolvimento
CAPÍTULO 1 Introdução ao Desenvolvimento Animal 1
O
1
A natureza parece nunca mudar, ainda que
sua aparência esteja sempre mudando. É
nosso dever como artistas transmitir junta-
mente com todos os seus elementos a emo-
ção dessa permanente transformação.
Paul Cezanne (ca. 1900)
Feliz é a pessoa que consegue discernir as
causas das coisas.
Virgílio (37 A.C.)
1
CONCEITO DE EMBRIÃO é assombroso, e a formação de um embrião é a
tarefa mais árdua que alguém haverá de realizar. Para se tornar um embrião,
você teve que construir a si mesmo a partir de uma única célula. Teve que
respirar antes que tivesse pulmões, digerir alimentos antes que seus órgãos estives-
sem formados, construir ossos a partir de uma massa e ordenar os neurônios antes
mesmo de adquirir a capacidade de pensar. Uma diferença marcante entre você e a
máquina é que a máquina nunca é requisitada para uma função antes que esteja
terminada. Todo animal tem que estar em funcionamento enquanto se auto-constrói.
O objetivo da biologia do desenvolvimento
Para plantas e animais, o único caminho para o desenvolvimento a partir de uma célula,
é desenvolvendo um embrião. O embrião é o intermediário entre o genótipo e o fenótipo,
ou seja, entre os genes herdados e o organismo adulto. Enquanto a maior parte da
biologia estuda a estrutura adulta e função, a biologia do desenvolvimento encontra
maior interesse nos estágios mais transitórios. Biologia do desenvolvimento é a ciên-
cia do vir a ser, a ciência do processo. Dizer que um inseto efêmero vive apenas um dia
não significa nada para um biologista do desenvolvimento, porque o inseto pode ser
adulto apenas por um dia, mas passou outros 364 dias como um embrião e larva.
As questões levantadas por um biologista do desenvolvimento são freqüente-
mente questões mais ligadas ao vir a ser do que ao ser propriamente dito. Dizer que
mamíferos XX são geralmente fêmeas e mamíferos XY são geralmente machos, não
explica a determinação sexual para um biologista do desenvolvimento. Esse quer sa-
ber como o genótipo XX produz um ser feminino e como o genótipo XY produz um ser
masculino. Da mesma maneira, um geneticista gostaria de saber como os genes globina
são transmitidos de uma geração à outra, e um fisiologista pode fazer perguntas sobre
a função da globina no corpo. Porém, o biologista do desenvolvimento
pergunta
porque os genes globina se expressam somente nas hemácias e como essas se tornam
ativas apenas em certas fases do desenvolvimento (ainda não sabemos as respostas).
Biologia do desenvolvimento é uma ciência excelente para pessoas que querem
integrar diferentes níveis da biologia. Diante de um problema, podemos estudá-lo a
Introdução ao desenvolvimento animal
2 PARTE I Introdução à Biologia do Desenvolvimento
níveis molecular e químico (p. ex., Como os genes globina são transcritos, e como os
fatores que ativam sua transcrição interagem uns com os outros e com o DNA?), a níveis
celular e tissular (p. ex., Quais são as células capazes de produzir globina, e como o
mRNA da globina deixa o núcleo?), a nível de órgãos ou sistema de órgãos (p. ex., Como
vasos capilares são formados em cada tecido, e como são instruídos a se conectarem e
ramificarem?) e, até mesmo, a níveis ecológicos e evolucionários (p. ex., Como diferenças
na ativação do gene globina permitem o fluxo de oxigênio da mãe para o feto, e como
fatores ambientais acionam a diferenciação de mais hemácias?). Biologistas do desen-
volvimento podem estudar qualquer organismo e todo tipo de célula.
Biologia do desenvolvimento é um dos campos que mais tem crescido e também
um dos mais emocionantes da biologia. Parte dessa emoção vem dos assuntos estu-
dados, porque estamos apenas começando a entender o mecanismo molecular do
desenvolvimento animal. Outra parte da emoção vem do papel unificador que a biolo-
gia do desenvolvimento assume nas ciências biológicas. A biologia do desenvolvi-
mento está criando uma estrutura que integra a biologia molecular, fisiologia, biologia
celular, anatomia, pesquisa do câncer, neurobiologia, imunologia, ecologia, e biologia
evolucionária. O estudo do desenvolvimento tornou-se essencial para a compreensão
de qualquer área da biologia.
Os problemas da biologia do desenvolvimento
O desenvolvimento é realizado por duas funções principais: gera diversidade e ordem
celular dentro de cada geração, o que assegura a continuidade da vida que passa de
uma geração à outra. Assim, existem duas questões fundamentais para a biologia do
desenvolvimento: Como um ovo fertilizado origina um ser adulto, e como esse ser
adulto produz um outro ser? Cada espécie tem suas próprias respostas, mas algumas
generalizações podem ser feitas. Tradicionalmente, essas questões têm sido subdivi-
didas em quatro problemas gerais da biologia do desenvolvimento:
• O problema da diferenciação. Uma única célula, o ovo fertilizado, se desen-
volve e gera centenas de células de diferentes tipos - células musculares,
células epidérmicas, neurônios, linfócitos, células do sangue, células gorduro-
sas, e assim por diante. Essa geração de diversidade celular é chamada diferen-
ciação. Desde que cada célula do corpo contém o mesmo conjunto de genes,
precisamos entender como esse mesmo conjunto de instruções genéticas pode
produzir diferentes tipos de células.
• O problema da morfogênese. Nossas células diferenciadas não são distribuí-
das aleatoriamente; pelo contrário, são organizadas em intrincados tecidos e
órgãos. Esses órgãos estão dispostos de tal maneira que: dedos estão nas
pontas e não no meio de nossas mãos, os olhos estão na nossa cabeça e não
nos pés ou intestinos. Essa criação de forma ordenada, é chamada morfogêne-
se. Como as células se auto-organizam e formam um arranjo correto?
• O problema do crescimento. Somos maiores do que um ovo, mas como as
células sabem quando devem parar de se dividir? Se cada célula de nossa face
realizasse mais uma divisão celular, seríamos considerados horrivelmente mal
formados. Se cada célula de nossos braços tivesse realizado apenas mais uma
série de divisões, poderíamos amarrar nossos sapatos sem nos abaixar.
• O problema da reprodução. O espermatozóide e o óvulo são células muito
especializadas. Somente eles podem transmitir instruções para produzir um
organismo de uma geração para outra. Como essas células são separadas para
formar a próxima geração, e quais as informações no núcleo e no citoplasma
que permitem tal funcionamento?
Recentemente, tem-se dado grande ênfase a um quinto problema:
• O problema da evolução. A evolução envolve mudanças herdadas durante o
desenvolvimento. Quando dizemos que o cavalo de um dedo só de hoje, teve
um ancestral de cinco dedos, estamos dizendo que mudanças no desenvolvi-
CAPÍTULO 1 Introdução ao Desenvolvimento Animal 3
mento da cartilagem e dos músculos ocorreram ao longo de muitas gerações de
embriões nos ancestrais do cavalo. Como mudanças no desenvolvimento cri-
am novas formas de corpo? Quais modificações hereditárias são possíveis,
dadas as restrições impostas pela necessidade do organismo sobreviver en-
quanto se desenvolve?
Os estágios do desenvolvimento animal
De acordo com Aristóteles, o primeiro grande embriologista da história, a ciência
começa com a curiosidade: “é graças a curiosidade que as pessoas começaram a
filosofar, e a curiosidade permanece desde o início do conhecimento.” O desenvolvi-
mento de um ser a partir do ovo tem sido motivo de admiração através da história da
humanidade. O simples procedimento de se abrir um ovo de galinha a cada dia do seu
período de incubação de três semanas proporciona uma notável experiência quando
se observa desde uma fina camada de células até o total desenvolvimento da ave.
Aristóteles realizou esse procedimento e observou a formação dos principais órgãos.
Qualquer um pode se admirar com esse fenômeno, ainda que ordinário, mas cientistas
são os que procuram descobrir como o desenvolvimento realmente ocorre. E ainda
mais do que dissipar essa admiração, novo conhecimento só faz aumentá-la.
Organismos pluricelulares não se formam de imediato, ao contrário, são formados
por um processo relativamente lento de mudança progressiva, o qual chamamos de
desenvolvimento. Em quase todos os casos, o desenvolvimento de um organismo
pluricelular começa com uma única célula - ovo fertilizado ou zigoto, que dividido
através da mitose, produz todas as células do corpo. O estudo do desenvolvimento
animal tem sido tradicionalmente chamado de embriologia, se referindo ao fato de que
entre a fertilização e o nascimento, o organismo em desenvolvimento é conhecido
como embrião. Mas o desenvolvimento não cessa no nascimento, ou mesmo na vida
adulta, porque a maioria dos organismos nunca pára de se desenvolver. A cada dia nós
repomos mais de um grama de células de pele (fazendo com que as células mais velhas
se desprendam assim que nos movemos), e nossa medula óssea sustenta o desenvol-
vimento de milhões de novos eritrócitos a cada minuto de nossas vidas. Portanto, nos
últimos anos tem sido comum se falar em biologia do desenvolvimento, como a discipli-
na que estuda processos embrionários e outros do desenvolvimento.
As principais características do desenvolvimento animal estão ilustrados na Figu-
ra 1.1. A vida de um novo indivíduo é iniciada pela fusão do material genético de dois
gametas, o espermatozóide e o óvulo. Essa fusão, chamada fertilização, estimula o
ovo a iniciar o desenvolvimento. Os estágios subseqüentes do desenvolvimento são
coletivamente chamados de embriogênese. Por todo reino animal existe uma incrível
variedade de tipos embrionários, mas a maioria dos padrões de embriogênese compre-
ende variações em quatro temas:
1. Ocorrência de clivagem imediatamente após a fertilização. Clivagem é uma
série de divisões mitóticas extremamente rápidas, onde o enorme volume cito-
plasmático do zigoto é dividido em numerosas células menores. Essas células
são chamadas blastômeros e, ao fim da clivagem, eles geralmente formam uma
esfera conhecida como blástula.
2. Após a redução na taxa de divisão mitótica, os blastômeros passam por
mudanças dramáticas quanto às suas posições, um em relação ao outro. Essa
série de redistribuição de células é chamada de gastrulação. Como
resultado
da gastrulação, o embrião típico contém três regiões celulares chamadas
camadas germinativas*. O ectoderma, a camada exterior, produz as células
da epiderme e do sistema nervoso; o endoderma, camada interior, produz o
*Do Latim germen, significa “broto” ou “rebento” (a mesma raiz da palavra germinação). Os
nomes das três camadas germinativas são do Grego: ectoderma de ektos (“fora”) mais derma
(“pele”); mesoderma de mesos (“meio”) e endoderma de endon (“dentro”).
4 PARTE I Introdução à Biologia do Desenvolvimento
Mórula
Blástula
Local das células
embrionárias
Blastocele
Blastóporo
Ectoderma
Mesoderma
Endoderma
INCUBAÇÃO (NASCIMENTO)
Estágios
larvais
imaturos
Gônada
Esperma-
tozóide
(gameta
masculino)
Oócito
(gameta
feminino)
GAMETOGÊNESE
Adulto
sexualmente maduro
Esperma-
tozóide
Oócito
Célula germinativa
(“Germ plasm”)
revestimento do tubo digestivo e órgãos associados (pâncreas, fígado, pul-
mões, etc.); e o mesoderma, camada do meio, dá origem a diversos órgãos
(coração, rins, gônadas), tecidos conjuntivos (ossos, músculos, tendões, va-
sos sangüíneos) e células sangüíneas.
3. Uma vez que as três camadas embrionárias estão estabelecidas, as células
interagem umas com as outras e se reorganizam para produzir tecidos e órgãos.
Esse processo é chamado organogênese. (Nos vertebrados, a organogênese é
iniciada quando uma série de interações celulares induzem as células ectodér-
micas da porção mediana do dorso a formar o tubo neural. Esse tubo originará
o cérebro e a coluna vertebral). Muitos órgãos contêm células de mais de uma
camada embrionária, e não é incomum o exterior de um órgão ser derivado de
uma determinada camada e o interior de outra. Também durante a organogênese,
Figura 1.1Figura 1.1Figura 1.1Figura 1.1Figura 1.1
Histórico do desenvolvimento de um repre-
sentante animal, um sapo. Estágios que vão
da fertilização até o nascimento são coletiva-
mente conhecidos como embriogênese. As
regiões responsáveis por produzir células em-
brionárias são mostradas em cores. Gameto-
gênese, que é completa no adulto sexualmen-
te maduro, começa em épocas diferentes, de-
pendendo da espécie.
CAPÍTULO 1 Introdução ao Desenvolvimento Animal 5
algumas células sofrem longas migrações do seu lugar de origem até sua loca-
lização final. Essas células migrantes incluem os precursores das células san-
güíneas, células linfáticas, células pigmentadas e gametas. A maior parte dos
ossos de nossa face são provenientes de células que migraram ventralmente
da região dorsal da nossa cabeça.
4. Como observado na Figura 1.1, em muitas espécies, uma parte especializada
do citoplasma do ovo dá origem às células que são precursoras dos gametas.
Essas células são chamadas de células germinativas, sendo destinadas à
função reprodutiva. Todas as outras células do corpo são chamadas células
somáticas. Essa separação entre células somáticas (que dão origem a um
corpo individual) e células germinativas (que contribuem para a formação de
uma nova geração) é freqüentemente uma das primeiras diferenciações que
ocorrem durante o desenvolvimento animal. As células germinativas final-
mente migram para as gônadas, onde se diferenciam em gametas. O desen-
volvimento de gametas, chamado de gametogênese, normalmente não é com-
pletado até que o organismo tenha se tornado fisicamente maduro. Na matu-
ridade, os gametas podem ser liberados e participar de uma fertilização dando
início a um novo embrião. O organismo adulto finalmente sofre envelheci-
mento e morre.
Nossa herança eucariótica
Os organismos estão divididos em dois grupos principais, dependendo apenas se
as células possuem um envoltório nuclear ou não. Os procariotos (do grego karion,
significa “núcleo”), onde estão incluídas as arqueobactérias e as eubactérias, não
possuem um núcleo verdadeiro. Os eucariotos que incluem os protistas, animais,
plantas e fungos, possuem um tegumento nuclear bem formado circundando os
seus cromossomos. Essa diferença fundamental entre os eucariotos e procariotos
influencia a maneira como esses grupos organizam e utilizam seu material genético.
Em ambos os grupos, a informação herdada necessária para o seu desenvolvimento
e metabolismo se encontra codificada nas sequências de ácido desoxirribonucléico
(DNA) dos cromossomos. Os cromossomos procarióticos normalmente são hélices
duplas de DNA, pequenas e circulares consistindo de aproximadamente 1 milhão de
pares de bases. As células eucarióticas geralmente possuem diversos cromosso-
mos, e um simples protista eucariótico possui 10 vezes, ou mais, a quantidade de
DNA encontrada na maioria dos procariotos complexos. Além disso, a estrutura de
um gene eucariótico é mais complexa do que a de um gene procariótico. A seqüência
de aminoácidos de uma proteína procariótica é a reflexão direta da seqüência de
DNA do cromossomo. O DNA de um gene eucariótico que codifica uma proteína,
geralmente, é dividido de tal forma que a seqüência completa de aminoácidos da
proteína é derivada de segmentos descontínuos de DNA (Figura 1.2). O DNA entre
os segmentos freqüentemente contém seqüências que estão envolvidas na regulação
do momento e lugar em que o gene é ativado.
Cromossomos eucarióticos também são muito diferentes dos cromossomos
procarióticos. O DNA eucariótico reveste complexos protéicos específicos, chamados
nucleossomos, compostos por proteínas histonas. Os nucleossomos organizam o
DNA em estruturas compactas e são importantes na designação de qual gene irá se
expressar em qual célula. Nas bactérias não existem histonas. Mais ainda, células
eucarióticas sofrem mitose, na qual o tegumento nuclear se parte e os cromossomos
replicados são igualmente divididos entre as células filhas (Figura 1.3). Nos procariotos,
a divisão celular não é mitótica; não se desenvolve o fuso mitótico e, também, não
existe tegumento celular para se partir. Ao invés disso, os cromossomos filhos perma-
necem ligados a pontos adjacentes na membrana celular. Esses pontos de ligação são
separados entre si pelo crescimento da membrana celular, e finalmente colocam os
cromossomos em diferentes células filhas.
6 PARTE I Introdução à Biologia do Desenvolvimento
(A) CÉLULA PROCARIÓTICA (B) CÉLULA EUCARIÓTICA
Envoltório nuclear
Gene
Íntron Íntron
DNA
1 2
Éxon Éxon Éxon
1 2 3
Núcleo
Transcrição
Transcrição
RNA nuclear
Processamento de RNA
mRNA
mRNA
Tradução
Citoplasma Tradução
mRNA
Proteína Proteína
mRNA
Procariotos e eucariotos têm mecanismos diferentes de regulação do gene. Em
ambos, o DNA é transcrito por enzimas chamadas RNA polimerases para produzir
RNA. Quando o RNA mensageiro (mRNA) é produzido nos procariotos, ele é imedia-
tamente traduzido em uma proteína enquanto o seu outro terminal está sendo transcri-
to do DNA (Figura 1.4). Sendo assim, nos procariotos, transcrição e tradução são
eventos simultâneos e coordenados. Mas a existência de envoltório nuclear em
eucariotos proporciona a oportunidade de se obter um tipo de regulação celular total-
mente novo. Os ribossomos, que são responsáveis pela tradução, estão de um lado do
envoltório nuclear, e o DNA e a RNA polimerase necessária para a transcrição estão do
outro. Entre a transcrição e a tradução, o RNA transcrito deve ser processado para que
possa passar através do envoltório nuclear. A regulação pela qual o mRNA pode
passar para o citoplasma, torna a célula capaz de selecionar quais das mensagens
recém-sintetizadas serão traduzidas. Assim, um novo nível de complexidade foi adici-
onado, que é extremamente importante para o organismo em desenvolvimento.
Desenvolvimento entre eucariotos unicelulares
Todos os organismos eucarióticos pluricelulares se desenvolveram de protistas uni-
celulares. É nesses protistas que as características básicas do desenvolvimento apa-
receram primeiro. Eucariotos simples nos
deram os primeiros exemplos da morfogênese
direcionada pelo núcleo, o uso da superfície da célula para mediar cooperação entre
células individuais e as primeiras ocorrências de reprodução sexual.
Controle da Morfogênese no Desenvolvimento emControle da Morfogênese no Desenvolvimento emControle da Morfogênese no Desenvolvimento emControle da Morfogênese no Desenvolvimento emControle da Morfogênese no Desenvolvimento em AcetabuláriaAcetabuláriaAcetabuláriaAcetabuláriaAcetabulária
Há um século, ainda não havia sido provado se o núcleo continha alguma informação
hereditária ou de desenvolvimento. Algumas das melhores evidências para essa teoria
vieram de estudos onde organismos unicelulares foram fragmentados em pedaços
Figura 1.2Figura 1.2Figura 1.2Figura 1.2Figura 1.2
Resumo dos passos pelos quais as proteínas
são sintetizadas a partir do DNA. (A) Ex-
pressão procariótica (bacteriana) do gene.
Regiões codificadoras do DNA são colineares
com o produto protéico. (B) Expressão de
genes eucarióticos. Os genes são descontínuos
e um envoltório nuclear separa o DNA do
citoplasma.
CAPÍTULO 1 Introdução ao Desenvolvimento Animal 7
Cromatídeos do
cromossomo
Núcleo Cromatina Nucléolo
Região do centrômero
Centríolos
Fuso em
desenvolvimento
Envoltório
nuclear
Áster
Envoltório
nuclear
rompeNucléolo
Cromossomos filhos
Interfase: DNA é duplicado em
preparação para a divisão celular.
Telófase:
Os cromossomos atingem
os pólos mitóticos e a célula
começa a invaginar.
Anáfase:
Os cromossomos duplicados
(chamados cromatídeos) são
separados.
Metáfase:
Os cromossomos se
alinham no equador da célula.
Prometáfase:
Os cromossomos se
ligam às fibras dos fusos.
Prófase:
O envoltório nuclear
quebra e um fuso se forma
entre dois centríolos.
nucleados e anucleados (revisão por Wilson, 1986). Quando vários protistas foram
fragmentados, quase todas as partes morreram. No entanto, os fragmentos que conti-
nham núcleo foram capazes de sobreviver, regenerando todo a complexa estrutura
celular (Figura 1.5)
O controle nuclear da morfogênese celular e a interação do núcleo e citoplasma
estão muito bem demonstrados nos estudos da Acetabulária. Essa enorme célula
individual (2 a 4 cm de comprimento) consiste de três partes: o disco reprodutivo, o
pedúnculo e o rizóide (Figura 1.6A). O rizóide está localizado na base da célula onde
essa é presa ao substrato. O núcleo individual da célula se localiza dentro do rizóide. O
tamanho da Acetabulária e a localização do seu núcleo permitiram que pesquisadores
Figura 1.3Figura 1.3Figura 1.3Figura 1.3Figura 1.3
Diagrama de mitose em células animais. Du-
rante a interfase o DNA é duplicado em pre-
paração para a divisão celular. Durante a
prófase, o envoltório nuclear quebra e for-
ma-se um fuso entre os dois centríolos. Na
metáfase, os cromosssomos se alinham no
equador da célula e se inicia a anáfase, os
cromossomos duplicados (cada duplicata de
cromossomo é um cromatídeo) são separa-
dos. Na telófase os cromossomos atingem
os pólos mitóticos e a célula começa a
invaginar. Cada pólo contém o mesmo núme-
ro e tipos de cromossomos que continha a
célula antes da divisão.
8 PARTE I Introdução à Biologia do Desenvolvimento
Corte
Núcleo
Corte
Fragmento
anucleado morre
Fragmento
nucleado
se regenera
Fragmento
anucleado morre
DNA Ribossomos RNA
removessem o núcleo de uma célula e o substituísse por outro, de outra célula. Nos
anos 30, J. Hämmerling tirou proveito dessa singular característica e trocou núcleos
entre duas espécies morfologicamente distintas, A. mediterranea e A. crenulata. Como
é mostrado na fotografia, essas duas espécies têm discos reprodutivos muito diferen-
tes. Hämmerling descobriu que quando um núcleo de uma determinada espécie era
transplantado para o pedúnculo de outra, o novo disco em formação finalmente assu-
mia a forma associada com o núcleo do doador (Figura 1.6B). Assim, foi considerado
que o núcleo era o controlador do desenvolvimento da Acetabulária.
A formação de um disco reprodutivo é um evento morfogênico complexo, envol-
vendo a síntese de um grande número de proteínas, que devem ser acumuladas em
certa porção da célula e então organizadas em estruturas complexas específicas da
espécie. O núcleo transplantado da célula realmente direciona a síntese de seu disco
reprodutivo espécie-específico, mas é uma tarefa que pode levar semanas para ser
realizada. Além disso, se o núcleo for removido da célula de Acetabulária em estágio
inicial do desenvolvimento, antes de formar o disco reprodutivo, um disco normal se
formará semanas depois, ainda que o organismo irá morrer. Esses estudos sugerem
que (1) o núcleo contém informação específica sobre o tipo de disco reprodutivo
produzido (isto é, contém informação genética que especifica as proteínas necessári-
as para a produção de um certo tipo de disco reprodutivo), e (2) o material contendo
essa informação entra no citoplasma muito antes dessa produção ocorrer. A informa-
ção no citoplasma não será usada por várias semanas.
Figura 1.4Figura 1.4Figura 1.4Figura 1.4Figura 1.4
Transcrição e tradução simultânea em procariotos. Uma porção de DNA de Escherichia coli se
estende horizontalmente por essa microfotografia eletrônica. Transcrições de RNA mensageiro
podem ser vistas dos dois lados. Ribossomos se juntaram ao mRNA e estão sintetizando
proteínas (que não podem ser vistas). O mRNA pode ser visto aumentando de tamanho, da
esquerda para a direita, indicando a direção da transcrição. (Cortesia de O. L. Miller, Jr.)
Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5
Regeneração do fragmento nucleado do protista unicelular
Stylonychia. Os fragmentos anucleados sobrevivem por al-
gum tempo, mas finalmente morrem.
CAPÍTULO 1 Introdução ao Desenvolvimento Animal 9
(A)
(B)
Pedúnculo
Pedúnculo
Rizóide Rizóide
1 cm 1 cm
A. crenulata A. mediterranea
Núcleos transplantados
Núcleo Núcleo
Rizóide
A estrutura do disco
reprodutivo é a do
núcleo doador
Disco
reprodutivo
Disco
reprodutivo
Uma hipótese atual, proposta para explicar essas observações, é que o núcleo sintetiza
um mRNA estável, posicionado em estado dormente no citoplasma até a formação do
disco reprodutivo. Essa hipótese é amparada por uma observação publicada por Hämmerling
em 1934. Hämmerling fracionou uma Acetabulária jovem em diversas partes (Figura 1.7). A
porção com o núcleo finalmente formou um novo disco, conforme esperado; da mesma
forma o fez a extremidade apical do pedúnculo. No entanto, a parte intermediária do pedún-
culo não formou o disco reprodutivo. Por isso, Hämmerling postulou (aproximadamente 30
anos antes de sabermos da existência do mRNA), que as instruções para a formação do
disco reprodutivo se originavam no núcleo, sendo de alguma forma guardadas dormen-
tes próximo à extremidade do pedúnculo. Muitos anos mais tarde, Kloppstech e
Schweiger (1975) estabeleceram que o mRNA derivado do núcleo se acumula nessa
região. Ribonuclease, uma enzima que cliva RNA, inibe completamente a formação do
disco reprodutivo quando adicionada à água marinha na qual cresce a Acetabulária. Em
células anucleadas, esse efeito é permanente; uma vez que o RNA é destruído, não pode
mais haver a formação do disco reprodutivo. Em células nucleadas, no entanto, um novo
disco pode ser formado após a eliminação da ribonuclease, presumivelmente porque um
novo mRNA é então produzido pelo núcleo. Garcia e Dazy (1986) também demonstraram
que a síntese da proteína é especialmente ativa no ápice da Acetabulária.
Fica claro pela discussão anterior, que a transcrição nuclear tem um papel impor-
tante na formação do disco reprodutivo da Acetabulária. Mas deve ser notado que o
Figura 1.6Figura 1.6Figura 1.6Figura 1.6Figura 1.6
(A) Acetabulária mediterranea (esquerda) e A.
crenulata (direita). Cada unidade é uma célula singu-
lar. O rizóide contém o núcleo. (B) Efeitos da troca de
núcleos entre duas espécies de Acetabulária. Núcleos
foram transplantados para fragmentos de rizóides
anucleados. Estruturas de A. crenulata estão sombre-
adas; estruturas de A. mediterranea não estão som-
breadas. (Fotografias cortesia de H. Harris.)
10 PARTE I Introdução à Biologia do Desenvolvimento
Extremidade
apical do
pedúnculo
Disco reprodutivo e
pedúnculo regenerados
Porção central
do pedúnculo Sem regeneração
Rizóide
e núcleo
Regeneração total
citoplasma também cumpre uma parte essencial na formação desse disco. O mRNA
não é traduzido durante semanas, mesmo estando no citoplasma. Algo no citoplasma
controla quando as mensagens devem ou não ser utilizadas. Portanto, a expressão do
disco reprodutivo é controlada não somente pela transcrição nuclear como também
pelo controle de tradução do RNA citoplasmático. Nesse organismo unicelular, o
“desenvolvimento” é controlado em ambos estágios de transcrição e de tradução.
Diferenciação em Ameboflagelados Diferenciação em Ameboflagelados Diferenciação em Ameboflagelados Diferenciação em Ameboflagelados Diferenciação em Ameboflagelados NaegleriaNaegleriaNaegleriaNaegleriaNaegleria
Um dos casos mais marcantes de “diferenciação” em protistas, é aquele de Naegleria
gruberi. Esse organismo ocupa um lugar especial na taxonomia protista porque pode
mudar sua forma, de uma ameba para a de um flagelado (Figura 1.8). Durante a maior
parte do seu ciclo de vida, a N. gruberi é uma ameba típica, alimentando-se de bacté-
rias do solo e dividindo-se por cisão. No entanto, quando as bactérias são diluídas
(tanto pela água da chuva quanto pela água nos experimentos), cada N. gruberi
desenvolve rapidamente uma forma aerodinâmica e dois longos flagelos anteriores,
que são usados para encontrar regiões mais abundantes em bactérias. Nessas condi-
ções, ao invés de existirem diversos tipos de células diferenciadas em um único orga-
nismo, essa célula única tem estruturas celular e bioquímica diferentes nos diferentes
estágios de sua vida.
Diferenciação para a forma de flagelado ocorre aproximadamente em uma hora
(Figura 1.9). Durante esse período, a ameba tem que criar centríolos para servir como
corpos basais do flagelo (centros organizadores de microtúbulos), assim como criar o
próprio flagelo. Os corpos basais e os flagelos são compostos de diversas proteínas,
das quais a mais abundante é a tubulina. As moléculas de tubulina são organizadas em
microtúbulos; esses são posteriormente arranjados para permitir o movimento flagelar.
Fulton e Walsh (1980) mostraram que a tubulina dos flagelos de Naegleria não existe
Figura 1.7Figura 1.7Figura 1.7Figura 1.7Figura 1.7
Habilidade regenerativa de diferentes fragmentos da A. mediterranea
CAPÍTULO 1 Introdução ao Desenvolvimento Animal 11
(A) (B) (C) (D)
em seu estágio de ameba. É produzida de novo (“desde o começo”), começando com
uma nova transcrição no núcleo. Para mostrar isso, os pesquisadores manipularam
transcrições em vários estágios com actinomicina D, uma droga antibiótica que seleti-
vamente inibe a síntese do RNA. Quando adicionada anteriormente à diluição do
alimento, esse antibiótico previne a síntese da tubulina. No entanto, se a actinomicina
D é adicionada 20 minutos após a diluição, a tubulina ainda é produzida em tempo
normal (aproximadamente 30 minutos mais tarde). Portanto, parece que o mRNA para
a tubulina foi produzido durante os primeiros vinte minutos após a diluição e usado
logo em seguida. Essa interpretação foi confirmada quando foi demonstrado que o
mRNA extraído da ameba não continha mensagem alguma, detectável para tubulina
flagelar, ao passo que mRNA extraído de células diferenciadas continha muitas mensa-
gens desse tipo (Walsh, 1984).
Então, temos aqui um excelente exemplo de controle transcricional de um proces-
so de desenvolvimento: O núcleo da Naegleria responde a mudanças ambientais
sintetizando o mRNA para tubulina flagelar. Notamos também um outro processo que
permanece extremamente importante no desenvolvimento de todos os outros animais
e plantas, que é o agrupamento de moléculas de tubulina para a produção do flagelo.
Esse arranjo, pelo qual a tubulina é polimerizada em microtúbulos, e esses por sua vez
agrupados de forma ordenada, é visto em toda a natureza. Em mamíferos, está evidente
no flagelo do espermatozóide e nos cílios da medula espinhal e do trato respiratório.
Mais ainda, não é somente a tubulina que produz o flagelo. Existem em torno de 300
outras proteínas em cada flagelo, e o movimento flagelar depende da orientação ade-
quada dessas proteínas uma em relação a outra. Até mesmo processos celulares têm a
sua própria “morfogênese” baseada em interações moleculares entre os fragmentos
de proteína. Tal controle pós-tradução, onde uma proteína não é funcional até que
esteja ligada a outras moléculas, será discutido melhor mais tarde. Vimos então, que o
desenvolvimento em eucariotos unicelulares pode ser controlado nos estágios de
transcrição, tradução e pós-tradução.
Figura 1.8Figura 1.8Figura 1.8Figura 1.8Figura 1.8
Transformação de Naegleria gruberi da forma
amebóide ao estado flagelado. Linha superior
corada com Iodo/Lugol; linha inferior corada
com um anticorpo fluorescente à proteína tu-
bulina dos microtúbulos. A transformação é
iniciada pela eliminação do alimento (bactéri-
as) da colônia de Naegleria. (A) 0 minutos;
(B) 25 minutos, mostrando síntese de nova
tubulina; (C) 70 minutos, emergência de
flagelos visíveis (D) 120 minutos, mostrando
flagelos maduros e forma aerodinâmica do cor-
po (de Walsh, 1984, cortesia de C. Walsh.)
12 PARTE I Introdução à Biologia do Desenvolvimento
P
or
ce
nt
ag
em
 d
a 
po
pu
la
çã
o 
co
m
 f
la
ge
lo
Sí
nt
es
e 
da
 tu
bu
lin
a
fla
ge
lar
 c
om
eç
a
Ag
ru
pa
m
en
to
 d
e 
co
rp
os
ba
sa
is,
 c
élu
las
se
 a
rre
do
nd
am
Fl
ag
elo
s 
vi
sív
eis
Fo
rm
aç
ão
 d
e 
co
rp
o
co
m
 fo
rm
a 
fla
ge
lar
Fl
ag
elo
s 
alc
an
ça
m
co
m
pr
im
en
to
to
ta
l
Tempo após suspensão (minutos)
Células de corpo com
forma flagelar
100
80
60
40
20
0
0 20 40 60 10080
As Origens da Reprodução SexualAs Origens da Reprodução SexualAs Origens da Reprodução SexualAs Origens da Reprodução SexualAs Origens da Reprodução Sexual
A reprodução sexual é outra invenção dos protistas que teve um profundo efeito em
organismos mais complexos. Deve-se notar que sexo e reprodução são dois proces-
sos separáveis e distintos. A reprodução envolve a criação de novos indivíduos.
Sexo envolve a combinação de genes de dois indivíduos distintos em um novo
arranjo. Reprodução na ausência de sexo é uma característica de organismos que se
reproduzem por cisão; não há discriminação nos genes quando uma ameba se divide
ou quando uma hidra brota células para formar uma nova colônia. Sexo sem reprodu-
ção também é comum entre os organismos unicelulares. As bactérias são capazes de
transmitir genes de um indivíduo para o outro por meio dos pilos sexuais (Figura
1.10). Essa transmissão é independente da reprodução. Protistas são também capa-
zes de reorganizar genes sem reprodução. Os paramécios, por exemplo, se reprodu-
zem por cisão, mas o sexo é realizado através de conjugação. Quando dois paramécios
se juntam, eles se unem através de seus aparelhos orais formando uma conexão
citoplasmática através da qual podem trocar material genético (Figura 1.11). Cada
macronúcleo (que controla o metabolismo do organismo) degenera enquanto o
micronúcleo passa por meiose para produzir oito micronúcleos haplóides, dos quais
todos, exceto um, degeneram. O micronúcleo remanescente divide-se mais uma vez
para formar um micronúcleo estacionário e um micronúcleo