Aula genética do desenvolvimento

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Evo-Devo
A maravilhosa história natural da 
Evolução do Desenvolvimento
Prof. Dr. Rafael Barbosa Pinto
Desenvolvimento
Desenvolvimento
Desenvolvimento
Teoria Celular (1839):
Todo ser vivo é formado por células.
A vida depende da autonomia e da integridade da célula.
Toda célula é portadora de material genético, o DNA e o RNA.
A célula é responsável por todo o metabolismo do organismo, 
em conjunto com outras, forma os sistemas.
Toda célula se origina de uma outra célula pré-existente. Sendo 
que elas fazem a reprodução assexuada.
Theodor 
Schwann
Mathias 
Schleiden
Desenvolvimento
Tópicos principais:
Comunicação Célula-Célula
Desenvolvimento
Tópicos principais:
Comunicação Célula-Célula
Células enviam e recebem informações sobre onde elas estão 
(posição)
Desenvolvimento
Tópicos principais:
Comunicação Célula-Célula
Células enviam e recebem informações sobre onde elas estão 
(posição)
As células usam essa informação para mudar seus destinos
Desenvolvimento
Tópicos principais:
Comunicação Célula-Célula
Células enviam e recebem informações sobre onde elas estão 
(posição)
As células usam essa informação para mudar seus destinos
*ainda que todas as células possuam toda a informação para desenvolvimento 
completo do organismo, o desenvolvimento é uma questão de edição da 
informação
Desenvolvimento
Tópicos principais:
Comunicação Célula-Célula
Células enviam e recebem informações sobre onde elas estão 
(posição)
As células usam essa informação para mudar seus destinos
*ainda que todas as células possuam toda a informação para desenvolvimento 
completo do organismo, o desenvolvimento é uma questão de edição da 
informação
A evolução do desenvolvimento é uma questão de moldar os padrões 
celulares no tempo-espaço (organismo)
Qual o papel do desenvolvimento na Evolução?
Qual o papel do desenvolvimento na Evolução?
O desenvolvimento molda a variação que é apresentada para Seleção Natural
Os mecanismos do desenvolvimento compartilhados entre organismos 
relacionados determinam a variação fenotípica que será produzida
Esta é a razão pela qual as espécies se parecem com seus 
ancestrais compartilhados em formas e pela qual a 
ancestralidade influencia nas respostas à seleção natural
Qual o papel do desenvolvimento na Evolução?
O desenvolvimento molda a variação que é apresentada para Seleção Natural
Os mecanismos do desenvolvimento compartilhados entre organismos 
relacionados determinam a variação fenotípica que será produzida
Esta é a razão pela qual as espécies se parecem com seus 
ancestrais compartilhados em formas e pela qual a 
ancestralidade influencia nas respostas à seleção natural
Os genes só conseguem construir organismos a partir de materiais e sistemas 
complexos de interações químicas e biológicas
Os genes somente trabalham com as propriedades dos materiais 
e dos sistemas complexos: Eles não controlam diretamente cada 
detalhe do fenótipo!
É impossível gerar todas as reações químicas e biológicas necessárias 
somente a partir da molécula de DNA
É impossível gerar todas as reações químicas e biológicas necessárias 
somente a partir da molécula de DNA
Memória evolutiva de seleção de materiais e processos químicos
Ex: reconhecimento de patógenos e processos inflamatórios
Hidroxiapatita
Ca10(PO4)6(OH)2
Propriedade 
bioquímica: 
Deslocamento 
em direção ao 
estresse
Processo biofísico causado 
pela tensão nos tubos de 
actina
Então...
Então...
Os materiais biológicos dos quais os organismos são construídos possuem 
propriedades físico-químicas próprias.
Então...
Os materiais biológicos dos quais os organismos são construídos possuem 
propriedades físico-químicas próprias.
Os genes não exercem um controle total sobre características fenotípicas
Então...
Os materiais biológicos dos quais os organismos são construídos possuem 
propriedades físico-químicas próprias.
Os genes não exercem um controle total sobre características fenotípicas
O desenvolvimento de estruturas biológicas incluem um reconhecimento 
genético destas propriedades e uma interação genes-materiais
Onde se encaixa o desenvolvimento na microevolução?
Onde se encaixa o desenvolvimento na microevolução?
Ecologia e Comportamento: estudos dos processos relacionados à 
redução do grupo de organismos nascidos àqueles que foram capazes de 
sobreviver e se reproduzirem, determinando variação no sucesso reprodutivo. 
Onde se encaixa o desenvolvimento na microevolução?
Ecologia e Comportamento: estudos dos processos relacionados à 
redução do grupo de organismos nascidos àqueles que foram capazes de 
sobreviver e se reproduzirem, determinando variação no sucesso reprodutivo.
Genética: estudo da transformação dos genótipos dos parentes em 
genótipos da prole: transferência de informação através de gerações. 
Onde se encaixa o desenvolvimento na microevolução?
Ecologia e Comportamento: estudos dos processos relacionados à 
redução do grupo de organismos nascidos àqueles que foram capazes de 
sobreviver e se reproduzirem, determinando variação no sucesso reprodutivo.
Genética: estudo da transformação dos genótipos dos parentes em 
genótipos da prole: transferência de informação através de gerações. 
Desenvolvimento: mapeamento da informação do genótipo em material 
para fenótipo (tradução de informação), limitando a variação fenotípica.
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
700-600 Maa
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
700-600 Maa
500 Maa
O que o desenvolvimento pode produzir em animais?
700-600 Maa
500 Maa
Eixo do corpo: frente-trás; 
esquerda-direita; cima-baixo
Esqueleto: interno ou externo
Sistemas de órgãos: digestivo, 
circulatório, excretório, 
respiratório, nervoso, 
reprodutivo, sensorial, 
endócrino
Simetria: radial ou bilateral
Camadas de células: uma, 
duas ou três
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
O que o desenvolvimento pode produzir em plantas?
Eixo meristema-raiz
Xilema e Floema
Lenho
Padrões de ramificação
Sementes nuas ou 
protegidas
Folhas e flores
Então...
Descobrir os mecanismos compartilhados através dos quais o 
desenvolvimento pode produzir essas estruturas e como a evolução 
molda estas estruturas para produzir a diversidade é...
Então...
Descobrir os mecanismos compartilhados atravésdos quais o 
desenvolvimento pode produzir essas estruturas e como a evolução 
molda estas estruturas para produzir a diversidade é...
Biologia Evolutiva do Desenvolvimento 
ou 
Evo-Devo
Os principais atores da regulação de genes em eucariotos 
multicelulares
Fatores de transcrição
Os principais atores da regulação de genes em eucariotos 
multicelulares
Fatores de transcrição
Ativadores: Proteínas que impulsionam a transcrição de um gene
Repressores: Proteínas que reprimem a transcrição de um gene
Os principais atores da regulação de genes em eucariotos 
multicelulares
Fatores de transcrição
Ativadores: Proteínas que impulsionam a transcrição de um gene
Repressores: Proteínas que reprimem a transcrição de um gene
Promotores: Promotores contêm sequências de DNA específicas como 
sequências consenso, que fornecem um sítio seguro de ligação para a RNA 
polimerase e para proteínas chamadas fatores de transcrição que recrutam a 
RNA polimerase.
Os principais atores da regulação de genes em eucariotos 
multicelulares
Fatores de transcrição
Ativadores: Proteínas que impulsionam a transcrição de um gene
Repressores: Proteínas que reprimem a transcrição de um gene
Promotores: Promotores contêm sequências de DNA específicas como 
sequências consenso, que fornecem um sítio seguro de ligação para a RNA 
polimerase e para proteínas chamadas fatores de transcrição que recrutam a 
RNA polimerase.
Acentuassomos: sequência especifica de nucleotídeos DNA ao qual se podem 
ligar proteínas que aumentam os níveis de transcrição. Formam-se dobras na fita 
para que genes de regiões até então distantes fiquem mais próximos da região 
basal de transcrição.
Os principais atores da regulação de genes em eucariotos 
multicelulares
Promotores e Acentuassomos
Repressores
Os principais atores da regulação de genes em eucariotos 
multicelulares
A sinfonia da Evolução
A sinfonia da Evolução
A evolução é uma sinfonia e o desenvolvimento é um 
pianista tocando os acordes
Considerações gerais sobre o controle do desenvolvimento
Momentos antes da primeira divisão celular, um gradiente de concentração química 
produz informação de posição (Frente/trás) – Ex: embriões de Drosophila e membros nos 
vertebrados.
Considerações gerais sobre o controle do desenvolvimento
Momentos antes da primeira divisão celular, um gradiente de concentração química 
produz informação de posição (Frente/trás) – Ex: embriões de Drosophila e membros nos 
vertebrados.
Fatores de transcrição áreas específicas onde um grupo de genes deve ou não serem 
expressos
Considerações gerais sobre o controle do desenvolvimento
Momentos antes da primeira divisão celular, um gradiente de concentração química 
produz informação de posição (Frente/trás) – Ex: embriões de Drosophila e membros nos 
vertebrados.
Fatores de transcrição áreas específicas onde um grupo de genes deve ou não serem 
expressos
Genes são geralmente expressos por uma combinação de ativadores e repressores
Considerações gerais sobre o controle do desenvolvimento
Momentos antes da primeira divisão celular, um gradiente de concentração química 
produz informação de posição (Frente/trás) – Ex: embriões de Drosophila e membros nos 
vertebrados.
Fatores de transcrição áreas específicas onde um grupo de genes deve ou não serem 
expressos
Genes são geralmente expressos por uma combinação de ativadores e repressores
O controle combinatório permite uma enorme diversidade de de expressão gênica em 
células específicas
Considerações gerais sobre o controle do desenvolvimento
Momentos antes da primeira divisão celular, um gradiente de concentração química 
produz informação de posição (Frente/trás) – Ex: embriões de Drosophila e membros nos 
vertebrados.
Fatores de transcrição áreas específicas onde um grupo de genes deve ou não serem 
expressos
Genes são geralmente expressos por uma combinação de ativadores e repressores
O controle combinatório permite uma enorme diversidade de de expressão gênica em 
células específicas
Genes que produzem fatores de transcrição podem ser regulados por genes que 
produzem fatores de transcrição
Considerações gerais sobre o controle do desenvolvimento
Momentos antes da primeira divisão celular, um gradiente de concentração química 
produz informação de posição (Frente/trás) – Ex: embriões de Drosophila e membros nos 
vertebrados.
Fatores de transcrição áreas específicas onde um grupo de genes deve ou não serem 
expressos
Genes são geralmente expressos por uma combinação de ativadores e repressores
O controle combinatório permite uma enorme diversidade de de expressão gênica em 
células específicas
Genes que produzem fatores de transcrição podem ser regulados por genes que 
produzem fatores de transcrição
Um mesmo gene pode desempenhar um papel no desenvolvimento embrionário e outro 
papel na vida adulta
Considerações gerais sobre o controle do desenvolvimento
Momentos antes da primeira divisão celular, um gradiente de concentração química 
produz informação de posição (Frente/trás) – Ex: embriões de Drosophila e membros nos 
vertebrados.
Fatores de transcrição áreas específicas onde um grupo de genes deve ou não serem 
expressos
Genes são geralmente expressos por uma combinação de ativadores e repressores
O controle combinatório permite uma enorme diversidade de de expressão gênica em 
células específicas
Genes que produzem fatores de transcrição podem ser regulados por genes que 
produzem fatores de transcrição
Um mesmo gene pode desempenhar um papel no desenvolvimento embrionário e outro 
papel na vida adulta
Genes que controlam padrões gerais são ativados antes dos genes que controlam 
detalhes nas camadas
Boxes: Homeobox, MADS box, TATA box, etc..
Boxes: Homeobox, MADS box, TATA box, etc..
Sequencias altamente conservadas, geralmente pequenas (motivos), que 
codificam uma famílias particular de fatores de transcrição: Genes homeóticos
ou reguladores.
Atuam realizando um efeito cascata de 
produção de fatores de transcrição
Boxes: Homeobox, MADS box, TATA box, etc..
Sequencias altamente conservadas, geralmente pequenas (motivos), que 
codificam uma famílias particular de fatores de transcrição: Genes homeóticos
ou reguladores.
Atuam realizando um efeito cascata de 
produção de fatores de transcrição
Genes Box são indicativos de regiões chave nas alterações do 
desenvolvimento. Indicam regiões de produção de fatores de 
transcrição 
Genes HOX 
(homeobox) 
possuem 
sequencia e 
função 
extremamente 
conservadas e 
são colineares
Genes HOX 
(homeobox) 
possuem 
sequencia e 
função 
extremamente 
conservadas e 
são colineares
Estabelece os eixos principais
Desenvolvimento dos membros
A duplicação dos genes HOX preservaram sua função de controle e 
permitiram novas funções
3’
Como usar HOX genes para transformar Onychophora em Dipteros
A remodulação do plano de corpo dos Onychophoras para o plano 
de corpo das moscas foi feito através da mudança na extensão dos 
segmentos nos quais foram expressos os genes Hox que controlam o 
desenvolvimentos das pernas, asas e cabeça.
A remodulação do plano de corpo dos Onychophoras para o plano 
de corpo das moscas foi feito através da mudança na extensão dos 
segmentos nos quais foram expressos os genes Hox que controlam o 
desenvolvimentos das pernas, asas e cabeça.
Fósseis de animais com vários segmentos contendo 
patas e pequenas asas já foram encontrados
A remodulação do plano de corpo dos Onychophoras para o plano 
de corpo das moscas foi feito através da mudança na extensão dos 
segmentos nos quais foram expressos os genes Hox que controlam o 
desenvolvimentos das pernas, asas ecabeça.
Fósseis de animais com vários segmentos contendo 
patas e pequenas asas já foram encontrados
O passo seguinte foi restringir surgimento de 
apêndices a apenas alguns segmentos por controle na 
expressão gênica.
A remodulação do plano de corpo dos Onychophoras para o plano 
de corpo das moscas foi feito através da mudança na extensão dos 
segmentos nos quais foram expressos os genes Hox que controlam o 
desenvolvimentos das pernas, asas e cabeça.
Fósseis de animais com vários segmentos contendo 
patas e pequenas asas já foram encontrados
O passo seguinte foi restringir surgimento de 
apêndices a apenas alguns segmentos por controle na 
expressão gênica.
Por fim um uso combinatório de expressões gênicas 
para gerar especificidade no desenvolvimento de 
apêndices como antenas, halteres, etc...
Genes MADS-hox controlam o desenvolvimento floral
Genes MADS-hox
Estão dispersos pelo genoma da planta. Podem ocorrer em 
diferentes cromossomos.
Não são colineares em posição e função como os genes 
Homeobox.
Estão divididos em quatro grupos (A, B,C, E), onde cada um 
contém um conjunto de genes MADS.
Dentro de cada grupo (A, B, C, E) os genes apresentam uma 
relação filogenética sugerindo uma evolucionária continuidade 
de função através de eventos de duplicação
Algumas estruturas são necessárias 
para a vida fora d’água
Cooksonia sp. – 425 Maa
Ciclo de vida das Briófitas
A redução e retenção do gametófito e surgimento do integumento são 
os passos iniciais para o surgimento das sementes
Gametófito
Semente
Proteger o embrião de intemperes climáticos e físicos
Promover a dormência
Possibilitar dispersão para longas distâncias
Tubo polínico: a novidade dos gametófitos 
masculinos
Desenvolvimento do citoesqueleto a partir de células germinativas e 
transporte dos núcleos gaméticos masculinos
Eventos de duplicação do genoma foram fundamentais na evolução 
das Embriófitas e das Angiospermas
As monocotiledôneas sofreram dois eventos de duplicação e as eudicotiledôneas
passaram por um evento de triplicação de genoma
2009
Cretáceo (145-66 Maa): origem e explosão das 
Angiospermas, das abelhas e borboletas
Potomacapnos apeleutheron (125-
115 Maa)
Lepidoptera (ca. 125 Maa)
Hymenoptera (ca. 125 Maa)
Genes MADS-hox controlam o desenvolvimento floral
Chanderbali et al. 2010.
Genes MADS: Modelo ABCE de desenvolvimento floral
Genes hox são genes 
de transcrição de 
reguladores gênicos
Chanderbali et al. 2012.
Espirlada
Estames
Sépalas
Pétalas
Carpelos
Verticilar
Basal  Derivado
Evolução das peças florais
O resultado da Evo-Devo das flores
Senna sp. (Leguminosae)
Muitos dos genes da família MADS-hox alteram sua 
função para atuar no desenvolvimento dos frutos 
através da interação com diferentes fatores de 
transcrição, gerando diferentes expressões gênicas
Regulação gênica no desenvolvimento dos frutos secos
Genes MADS
SHATTERPROOF (SHP): Atua na diferenciação da região de fusão das margens dos 
carpelos e na lignificação da região para criar pressão de abertura
FRUITFULL (FUL): Atua na diferenciação das células das valvas e na formação de 
replum
REPLUMLESS (RPL): Fator de transcrição repressor do FUL (inibindo formação do 
replum) e do SHP (atuando na deiscência do fruto) 
As etapas do amadurecimento
Eventos de triplicação do genoma causaram neofuncionalização de 
genes MADS possibilitando o surgimento de frutos carnosos
O significado do desenvolvimento na evolução...
Mudar o desenvolvimento é como remodelar um carro enquanto ele é dirigido. 
Funções devem ser preservadas. Por isso as restrições às mudanças são fortes.
O significado do desenvolvimento na evolução...
Mudar o desenvolvimento é como remodelar um carro enquanto ele é dirigido. 
Funções devem ser preservadas. Por isso as restrições às mudanças são fortes.
As restrições não são permanentes. Porém o controle genético do 
desenvolvimento muda muito mais lentamente do que outros processos.
O significado do desenvolvimento na evolução...
Mudar o desenvolvimento é como remodelar um carro enquanto ele é dirigido. 
Funções devem ser preservadas. Por isso as restrições às mudanças são fortes.
As restrições não são permanentes. Porém o controle genético do 
desenvolvimento muda muito mais lentamente do que outros processos.
Padrões que mudam lentamente restringem padrões que mudam rapidamente.
O significado do desenvolvimento na evolução...
Mudar o desenvolvimento é como remodelar um carro enquanto ele é dirigido. 
Funções devem ser preservadas. Por isso as restrições às mudanças são fortes.
As restrições não são permanentes. Porém o controle genético do 
desenvolvimento muda muito mais lentamente do que outros processos.
Padrões que mudam lentamente restringem padrões que mudam rapidamente.
Genes não causam desenvolvimento por eles mesmo. Eles conduzem a 
dinâmica de produtos de genes que interagem com fatores e materiais do 
ambiente.
Guarde essas informações com carinho...
O desenvolvimento é a tradução da informação genotípica em 
fenótipo através de uma interação com o meio.
Guarde essas informações com carinho...
O desenvolvimento é a tradução da informação genotípica em 
fenótipo através de uma interação com o meio.
Genes que controlam o desenvolvimento utilizam uma lógica 
combinatória para exercer controle preciso dos destinos das 
células.
Guarde essas informações com carinho...
O desenvolvimento é a tradução da informação genotípica em 
fenótipo através de uma interação com o meio.
Genes que controlam o desenvolvimento utilizam uma lógica 
combinatória para exercer controle preciso dos destinos das 
células.
A lógica evoluiu de forma independente entre plantas (MADS) e 
animais (Hox). UMA ÓTIMA IDEIA!!
Guarde essas informações com carinho...
O desenvolvimento é a tradução da informação genotípica em 
fenótipo através de uma interação com o meio.
Genes que controlam o desenvolvimento utilizam uma lógica 
combinatória para exercer controle preciso dos destinos das 
células.
A lógica evoluiu de forma independente entre plantas (MADS) e 
animais (Hox). UMA ÓTIMA IDEIA!!
Os ancestrais geralmente possuíam muitos dos genes que hoje 
estão envolvidos no desenvolvimento. A evolução alterou a 
especificidade de suas expressões no tempo e no espaço e a 
especificidade dos receptores que reagem a eles.