Capítulo 2: Mecanismos Celulares e Moleculares do Desenvolvimento Embrionário - Poul Hyttel (Embriologia Veterinária)

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Capítulo 2
Mecanismos celulares e moleculares do desenvolvimento embrionário
Morten Vejilsted
Desenvolvimento embrionário inicial e períodos gestacionais
O desenvolvimento embrionário abrange todos os processos nos quais uma única
célula – o óvulo fertilizado ou zigoto – origina primeiro um embrião e,
posteriormente, um feto que ao nascimento é capaz de adaptar-se à vida pós-natal.
Esses processos ocorrem de maneira contínua, mas, por conveniência, podem ser
arbitrariamente divididos em períodos sucessivos. Dessa forma, o desenvolvimento
intrauterino é comumente dividido em período embrionário, quando a maioria dos
sistemas é formada, e período fetal, que consiste majoritariamente no crescimento e
maturação dos órgãos (Cap. 18). No entanto, o desenvolvimento do organismo não
para ao nascimento; os órgãos continuam a crescer e maturar ao menos até a
puberdade e muitos tecidos necessitam de reposição contínua ao longo da vida.
Portanto, o envelhecimento e a morte podem também ser incluídos no processo
natural de desenvolvimento do organismo.
O período embrionário é iniciado pela fertilização quando o ovócito, recoberto
pela zona pelúcida, é fecundado pelo espermatozoide resultando no desenvolvimento
do pronúcleo feminino (derivado do ovócito) e do pronúcleo masculino (derivado
do espermatozoide) e na formação do embrião de uma célula chamado zigoto (Fig. 2-
1; Cap. 5). Na primeira mitose após a fertilização o zigoto transforma-se em um
embrião de duas células. Essas duas, e as subsequentes células embrionárias iniciais,
são denominadas blastômeros. Durante as divisões mitóticas iniciais dos
blastômeros, o aumento no número de células não é acompanhado de aumento de
volume celular, de tal modo que o volume total do embrião permanece constante à
medida que o tamanho dos blastômeros vai sendo reduzido à metade após cada
divisão. Este modo de divisão celular, que ocorre exclusivamente neste período, é
conhecido como clivagem (Cap. 6). Em seguida, simultaneamente à fase em que as
células atingem um determinado tamanho mínimo decorrente das clivagens
sucessivas, inicia-se uma fase de crescimento celular durante os ciclos celulares, com
as células-filhas crescendo até atingirem o tamanho aproximado das células-mães. A
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manutenção do tamanho celular relativamente constante, juntamente com a intensa
proliferação celular e deposição de material extracelular, leva ao aumento do
tamanho do embrião como um todo. Tanto a proliferação celular como o crescimento
celular são fundamentos de biologia celular geral que não serão abordados em
profundidade neste livro.
Fig. 2-1 Desenvolvimento inicial do embrião mamífero. A: Zigoto; B: embrião de 2 células; C:
embrião de 4 células; D: mórula inicial; E: mórula compacta; F: Blastocisto; G: Blastocisto
expandido; H: Blastocisto eclodindo da zona pelúcida; I: Blastocisto ovoide com disco
embrionário; J: Blastocisto elongado; K: Disco embrionário no processo de gastrulação. 1:
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Massa celular interna; 2: Trofectoderma; 3: Epiblasto; 4: Hipoblasto; 5: Disco embrionário; 6:
Pregas amnióticas; 7: Ectoderma; 8: Mesoderma; 9: Endoderma.
Por fim os blastômeros formam um pequeno agregado celular, similar a uma
amora arredondada, chamado de mórula (Fig. 2-1; Cap. 6). Inicialmente, a mórula é
caracterizada por blastômeros protuberantes individualizados; posteriormente, estas
células aderem-se firmemente umas às outras e formam a mórula compacta, com
superfície mais uniforme. Este processo é conhecido como compactação. As células da
camada externa originam o trofectoderma. Subsequentemente, durante o processo
de blastulação, forma-se no interior do trofectoderma uma cavidade preenchida por
líquido, denominada blastocele, bem como um conjunto de células internas,
denominado massa celular interna (MCI), reunidas em um dos polos do embrião,
que neste momento é denominado blastocisto. O trofectoderma participará da
formação da placenta (Cap. 9) enquanto que a MCI originará o embrião
propriamente dito. O blastocisto expande-se, eclode da zona pelúcida e,
posteriormente, ao final da blastulação, a MCI forma duas camadas celulares, uma
interna e outra externa, denominadas hipoblasto e epiblasto, respectivamente,
estabelecendo o disco embrionário bilaminar. Nos animais domésticos, a formação
do disco embrionário bilaminar está associada ao desaparecimento da camada de
trofectoderma que recobre o epiblasto (Cap. 6). Concomitantemente, o formato do
embrião muda de esférico para ovoide e posteriormente para tubular e filamentoso,
exceto nos equinos. O período compreendido entre a fertilização e a blastulação
completa dura cerca de 10 a 12 dias em suínos, caprinos, ovinos e felinos, 14 dias em
bovinos e equinos e 16 dias nos cães.
Durante a fase subsequente do período embrionário, o disco embrionário
bilaminar é transformado em um disco embrionário trilaminar pelo processo de
gastrulação (Fig. 2-1; Cap. 7). A gastrulação leva à formação das três folhetos
germinativos, ectoderme, mesoderme e endoderme, e à formação das células
germinativas primordiais, as progenitoras das células da linhagem germinativa. No
início do processo de gastrulação, a porção do trofectoderma localizada ao redor do
disco embrionário, juntamente com o mesoderma extraembrionário subjacente, dá
origem às pregas amnióticas que se fundem dorsalmente e encerram o disco
embrionário na cavidade amniótica.
Após a gastrulação, os três folhetos germinativos diferenciam-se em diversos
tipos celulares e determinam a formação do arcabouço da maioria dos sistemas
orgânicos, definindo o final do período embrionário (Fig. 2-2). O elevado número de
tipos celulares derivados dos folhetos germinativos formados na gastrulação requer,
obviamente, um intrincado sistema de organização e diferenciação celular para criar
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um organismo completo, com seus diferentes, mas interdependentes, tecidos e órgãos.
Os diferentes mecanismos que regulam o desenvolvimento embrionário não devem
ser vistos como eventos isolados, mas novamente, por conveniência, os processos de
diferenciação, modelagem e morfogênese serão descritos separadamente a seguir.
Fig. 2-2 Diferenciação de zigoto até a formação dos tecidos corpóreos.
O período embrionário é seguido pelo período fetal, o qual se estende até o
nascimento, e inclui o crescimento, maturação e remodelagem dos sistemas
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corpóreos. O desenvolvimento de cada um dos sistemas corpóreos, coletivamente
referenciado como “embriologia especial”, será discutido nos capítulos subsequentes.
De modo geral, a maioria das perdas embrionárias ocorre no período embrionário
inicial. Esta é também a fase em que os embriões estão mais suscetíveis aos agentes
teratogênicos (Cap. 19).
Diferenciação
O corpo de um mamífero adulto é composto por mais de 230 tipos celulares distintos,
todos originados de uma única célula, o óvulo fertilizado ou zigoto. O processo pelo
qual tipos celulares especializados desenvolvem-se de células menos especializadas é
conhecido como diferenciação celular. Em geral, um evento que precede a
diferenciação celular é o comprometimento celular, o qual, por sua vez, pode ser
dividido em uma fase lábil e reversível denominada especificação celular seguida de
uma fase irreversível denominada determinação celular. Uma vez que a célula
tenha passado pelo processo de “determinação” o seu destino está fixado e,
irrevogavelmente, sofrerá diferenciação.
A diferenciação celular é essencialmente regulada mediante diferenças na
expressão gênica. A diferenciação das células embrionárias de uma origem comum
para gradualmente formar tipos celulares distintos ocorre similarmente a um curso de
água que desce a encosta de uma montanha e ramifica-se diversas vezes até atingir a
base (Figs. 1-4 e 2-2). E da mesma forma que uma folha que cai na correnteza desce a
encosta por um único trajeto, também o faz uma célula particular, que segue um
único trajeto durante a diferenciação. Entretanto, tanto para a folha como para a
célula, numerosas decisões são tomadas ao longo do caminho até atingiro destino
final. Assim, a diferenciação celular durante o desenvolvimento embrionário envolve
diversos pontos de ramificação nas quais linhagens celulares dividem-se e as decisões
sequenciais tomadas ao longo deste trajeto são determinantes da diferenciação. Como
descrito, estas decisões são, em um primeiro momento, reversíveis (especificação
celular), mas depois tornam-se irreversíveis (determinação celular).
Indução
Em um embrião, as células são frequentemente induzidas a diferenciar-se por uma
sinalização célula a célula. A interação entre duas ou mais células vizinhas é
denominada interação proximal ou indução. Durante o desenvolvimento, a indução
entre células e tecidos, ou entre diferentes tecidos, é crucial para a organização e
diferenciação das células em seus respectivos órgãos e tecidos. Para que a indução
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ocorra, entretanto, é necessário que as células induzidas (células potencialmente
responsivas) sejam competentes ou receptivas ao sinal indutor. A competência,
representada pela expressão de receptores de superfície, por exemplo, está
frequentemente presente durante apenas um intervalo de tempo determinado. Se não
for induzida durante este período crítico, a célula competente pode iniciar o processo
de morte celular programada ou apoptose, em vez de sofrer diferenciação. A
apoptose deve ser entendida como um mecanismo normal durante o desenvolvimento
embrionário.
O primeiro embriologista a investigar os processos de indução foi Hans Spemann
(Cap. 1). Em embriões anfíbios, ele notou que a formação do cristalino no ectoderma
superficial era somente atingida quando existia interação próxima da vesícula óptica
do cérebro em desenvolvimento com o ectoderma superficial (Fig. 2-3, Cap. 11).
Spemann removeu a vesícula óptica antes que a interação com o ectoderma ocorresse
e como consequência observou que não havia formação do cristalino no ectoderma.
Interessantemente, se a vesícula óptica fosse posicionada abaixo do ectoderma
superficial do tronco, não era possível induzir a formação do cristalino no ectoderma
sobrejacente. Em outras palavras, o ectoderma superficial do tronco não é
competente para formar o cristalino.
Fig. 2-3 Indução da formação do cristalino estudada por Hans Spemann. Em circunstâncias
normais, a ectoderme neural da vesícula óptica induz a formação do cristalino no ectoderma
superficial competente da cabeça (1). Uma vesícula óptica ectopicamente posicionada não é
capaz de induzir a formação do cristalino no ectoderma superficial não competente do tronco
(2). Se a vesícula óptica é removida, não há indução da formação do cristalino (3). Outros
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tecidos transplantados abaixo do ectoderma superficial competente da cabeça não induzem a
formação do cristalino (4).
Outro exemplo de indução é a geração do sistema nervoso pela indução do
neuroectoderma (Fig. 2-4, Cap. 8). Células iniciais do ectoderma podem tanto
diferenciar-se em ectoderma superficial (e deste em epiderme) como em
neuroectoderma (e deste formar o sistema nervoso). A princípio, as células iniciais do
ectoderma são não comprometidas (ou neutras) e capazes de diferenciar-se em
qualquer direção. Entretanto, sinais oriundos da notocorda (uma estrutura mediana
das espécies vertebradas que aparece durante a gastrulação, Cap. 7) induzem células
ectodérmicas sobrejacentes a diferenciar-se no neuroectoderma. Particularmente, a
molécula sinalizadora conhecida como Sonic hedgehog (Shh) desempenha papel
crucial neste processo. Células ectodérmicas que não estão na posição mediana do
embrião normalmente não recebem sinais indutores e formam o ectoderma
superficial. Experimentalmente demonstrou-se que: a remoção da notocorda leva à
formação exclusiva do ectoderma superficial.; já o posicionamento da notocorda em
uma posição que não a mediana induz à formação de neuroectoderma ao invés de
ectoderma superficial; e finalmente o ectoderma mediano removido da influência da
notocorda subjacente forma ectoderma superficial. Esses exemplos ilustram que
durante a especificação celular o destino da diferenciação celular pode ser alterado
pela modificação da posição da célula dentro do embrião. Todavia, uma vez ocorrido
a determinação celular, a plasticidade é perdida.
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Fig. 2-4 O desenvolvimento inicial do sistema nervoso como um modelo de diferenciação,
modelagem e morfogênese. Diferenciação: Sonic hedgehog (Shh) secretado da notocorda
induz a formação do neuroectoderma sobrejacente. Ainda durante a indução, um gradiente
desta molécula está envolvido na determinação da estrutura do tubo neural por uma
modelagem em zonas dorsoventrais pela expressão dos fatores de transcrição Pax 6
(ventralmente) e Pax 3 e 7 (dorsalmente). Modelagem: Shh derivado da notocorda (conforme
já mencionado) e TGF-β do ectoderma superficial estão envolvidos na modelagem dorsoventral
do tubo neural resultando na geração subsequente de fatores de transcrição que controlam a
modelagem fina das diferentes camadas aferentes (dorsais) e eferentes (ventrais) de neurônios.
Morfogênese: a alteração no formato de uma placa neural achatada para um tubo neural é
causada pela formação de pontos de dobramento nos quais as células tornam-se constritas na
porção apical e a proliferação celular do ectoderma superficial nas margens da placa neural
empurram as laterais uma contra a outra. Células da crista neural deixam o tubo neural nos
pontos de dobramento para formar outras estruturas.
Modificado de Strachan e Read (2004).
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Moléculas sinalizadoras, como a molécula Sonic hedgehog, que atuam entre
células com pequena distância são conhecidas como fatores parácrinos ou
morfógenos. Muitos desses, envolvidos na indução, estão também envolvidos na
criação de padrões morfológicos nas células embrionárias (veja a seguir). Quatro
famílias principais destas moléculas sinalizadoras são particularmente importantes:
• A família dos fatores de crescimento derivados dos fibroblastos (fibroblast
growth factor – FGF), que inclui mais de 20 proteínas.
• A família Hedgehog, incluindo as proteínas codificadas pelos genes Sonic
hedgehog (Shh), Desert hedgehog (Dhh) e Indian hedgehog (Ihh).1
• A família Wingless (Wnt), que contém ao menos 15 proteínas, as quais
interagem com receptores transmembrana conhecidos como proteínas Frizzled.
• A superfamília do fator de crescimento transformador-β (transforming growth
factor – TGF-β), que inclui ao menos 30 moléculas, tais como as famílias do TGF-
β, da ativina e das proteínas ósseas morfogenéticas (bone morphogenetic
protein – BMP), bem como as proteínas nodal, fator neurotrófico derivado da
glia (GDNF), inibina e substância inibitória mülleriana (MIS).
Potencial celular e genômico
O zigoto e as primeiras gerações de blastômeros possuem potencial de
desenvolvimento, ou potência, equivalentes. Na realidade, cada uma destas células
é capaz, independentemente das demais, de dar origem a todos os tipos celulares que
compõem o embrião propriamente dito, bem como às células que formam as
membranas extraembrionárias e a porção embrionária da placenta. Esta
característica celular é conhecida como totipotência celular. Nos animais
domésticos, totipotência celular foi demonstrada pela primeira vez em ovelhas pelo
cientista dinamaquês Steen Willadsen. Ele isolou blastômeros de embriões ovinos
após as primeiras clivagens e deles produziu gêmeos e quadrigêmeos após
transferências para ovelhas receptoras. De modo figurativo, totipotência celular
corresponde ao início da correnteza na Figura 1-4. Em pouco tempo, entretanto,
iniciam-se as ramificações e as células embrionárias tornam-se mais e mais restritas
no seu potencial de desenvolvimento (ou seja, elas perdem potência). Como descrito
anteriormente neste capítulo, subpopulações de células embrionárias, como a MCI e o
epiblasto, mantém a capacidade de formar todos os tecidos do embrião propriamente
dito, mas perdem a capacidade de formar tecidos extraembrionários. Essa
característica é conhecida como pluripotência. No entanto, experimentos com
células-tronco embrionárias (CTEs)tem desafiado este conceito demonstrando que
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CTEs, que são derivadas in vitro da MCI, podem originar trofectoderma.
A geração da ovelha clonada Dolly, em 1996, por Wilmut e colegas, pela
introdução de uma célula diferenciada da glândula mamária dentro de um ovócito
cujo genoma havia sido removido, demonstrou que até mesmo uma célula
diferenciada possui algum tipo de totipotência (Cap. 21). Neste contexto é
importante diferenciar totipotência celular de totipotência genômica. Assim, o
zigoto e os primeiros blastômeros possuem totipotência celular, uma vez que são por
si só capazes de originar tanto o embrião por completo como todos os tecidos
extraembrionários. A célula da glândula mamária, por sua vez, possui totipotência
genômica; a célula pode formar todos os tecidos, mas apenas com o auxílio do
aparato citoplasmático e reprogramação genômica provida pelo citoplasma do
ovócito.
Após a gastrulação (Cap. 7), a pluripotência permanece apenas nas células da
linhagem germinativa, uma vez que as demais células embrionárias diferenciam-se
em um dos três folhetos germinativos: o ectoderma, o mesoderma e o endoderma.
Células em cada um desses folhetos germinativos somáticos são consideradas
multipotentes e, em geral, possuem distintos potenciais de desenvolvimento. Ao
final, células em cada um dos folhetos germinativos dão origem a células
progenitoras unipotentes tecido-específicas ou células precursoras (classicamente
designadas em histologia pelo sufixo: -blastos) capazes de produzir apenas tipos
específicos de célula diferenciada. A linhagem germinativa masculina, ao menos em
camundongos, pode, entretanto, albergar células-tronco pluripotentes uma vez que a
espermatogênese é contínua. No entanto, na maioria das vezes as células de uma
determinada linhagem atingem um estágio final de diferenciação no qual elas se
tornam completamente maduras e não mais se dividem; neste momento elas estão
terminantemente diferenciadas. Para manter a capacidade regenerativa de órgãos
e tecidos, entretanto, algumas células mantêm-se plásticas, formando um conjunto de
células-tronco somáticas unipotentes (ou mesmo multipotentes) que podem ser
recrutadas. As células-tronco hematopoiéticas e as células-tronco mesenquimais da
medula óssea adulta são exemplos de células-tronco somáticas.
Controle molecular da diferenciação
No nível molecular, diversas vias complexas estão envolvidas nas decisões tomadas
ao longo dos processos de diferenciação celular. Dois dos fatores-chaves que
participam desse processo são:
• Alterações epigenéticas (cromatina). Alterações epigenéticas resultam em
padrões estáveis (ou seja, herdáveis) de expressão gênica nas células
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descendentes de qualquer linhagem celular. Conforme mencionado
anteriormente, a constituição genética (ou seja, a combinação das sequências de
DNA) não é alterada durante a diferenciação; todas as células descendentes do
zigoto originam-se de divisões mitóticas e, portanto, devem possuir a mesma
informação genética. Uma exceção ocorre no desenvolvimento dos linfócitos nos
quais ocorrem rearranjos genéticos. Porém, diversos mecanismos epigenéticos,
de um modo rígido e bem orquestrado, controlam como os genes são
sequencialmente expressos durante o desenvolvimento embrionário de modo a
governar os mecanismos de diferenciação. Os três mecanismos epigenéticos mais
importantes são: metilação do DNA, pelo qual a cromatina de algumas regiões
do genoma torna-se altamente condensada e transcricionalmente inativa (veja a
seguir); modificações nas proteínas histonas incluindo a acetilação das
histonas, que comumente leva a uma conformação mais relaxada da cromatina
permitindo a transcrição; e regulação gênica por polycomb-trithorax
(operando, p. ex., nos genes Hox descritos adiante), que modificam a estrutura
da cromatina em conformações transcricionalmente reprimidas (Polycomb) ou
ativas (trithorax). Sabe-se que pelo menos os processos de metilação do DNA e
modificação das proteínas histonas estão associados, gerando um poderoso
mecanismo de silenciamento gênico de longo prazo.
• Fatores de transcrição. A presença de fatores de transcrição estáveis ativa a
expressão de genes importantes para o desenvolvimento. Ao longo de quase a
totalidade deste livro, alguns dos principais fatores de transcrição atuantes nos
mais diferentes aspectos moleculares do desenvolvimento embrionário são
apresentados em quadros. Incluindo os principais genes Hox, descritos adiante.
Modelagem
Modelagem é o processo pelo qual células embrionárias organizam-se em tecidos ou
órgãos. Embora a diferenciação dê origem a células com estrutura e função
especializada, esse processo isoladamente não forma um organismo; as células
diferenciadas necessitam ser organizadas espacialmente em três dimensões com uma
relação muito bem definida entre elas. Todos os embriões mamíferos tendem a seguir
eixos básicos de planos corpóreos gerando os eixos craniocaudal, dorsoventral e
proximodistal. O eixo dorsoventral já está presente no blastocisto, com a MCI
posicionada em um polo (Cap. 6). A formação do eixo craniocaudal ocorre na
gastrulação (Cap. 7), enquanto que a formação do eixo proximodistal é adiada até a
formação dos membros (Cap. 16).
Modelagem é a consequência da expressão regional de genes que podem ser
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determinados pela ação de gradientes de moléculas sinalizadoras. Células-alvo
próximas da fonte geradora de moléculas sinalizadoras estão expostas a maior
concentração de sinalizadores que aquelas mais distantemente localizadas. Moléculas
sinalizadoras que atuam desta maneira são conhecidas como morfógenos. Os eixos
embrionários craniocaudal e proximodistal são modelados pelos gradientes
morfogenéticos conhecidos em maior ou menor extensão.
Um exemplo de modelagem pela expressão gênica regional controlada por
gradientes de moléculas sinalizadoras é a formação do tubo neural (Fig. 2-4). Nesse
contexto, a expressão dos genes Sonic hedgehog originada da notocorda (que é
também ativo durante a indução do neuroectoderma) e TGF-β originada do
ectoderma superficial está envolvida na determinação inicial da modelagem
dorsoventral do tubo neural que resulta na geração sequencial de fatores de
transcrição os quais controlam de modo fino a modelagem das diferentes camadas
aferentes (dorsais) ou eferentes (ventrais) de neurônios.
Genes homeóticos
Outro bom exemplo de expressão gênica regional resultando em modelagem é
representado pelos genes homeóticos da mosca das frutas, conhecidos como genes
Homeobox (ou Hox) nos mamíferos. Na mosca das frutas, Drosophila melanogaster,
esses genes são originalmente associados à geração da identidade posicional das
células ao longo do eixo craniocaudal. A manipulação artificial desses resulta em
alteração no desenvolvimento de todos os segmentos corpóreos. No mutante
Antennapedia, por exemplo, observou-se o crescimento de pernas em vez de antenas
na cabeça. Portanto, os genes homeóticos atuam governando a diferenciação celular
em segmentos ou regiões inteiras do corpo. Os estudos com drosófilas mutantes
revelaram dois agrupamentos de genes homeóticos localizados em um único
cromossomo e que codificam fatores de transcrição com homeodomínios (que se
refere ao sítio de ligação ao DNA). Esses genes são expressos ao longo do eixo
craniocaudal, dividindo o corpo em zonas discretas (Fig. 2-5). Genes similares são
encontrados nos mamíferos. Nos camundongos e nos humanos, os genes Hox estão
reunidos em quatro agrupamentos denominados Hox-A, Hox-B, Hox-C e Hox-D, cada
um deles localizado em um cromossomo particular. Verificou-se, em camundongos ao
menos, que os genes Hox localizados na extremidade 3’ de cada um dos
agrupamentos são expressos nas fases mais iniciais do desenvolvimento e controlam
a modelagem das porções anteriores dos corpos, enquanto que os genes localizados
nas porções mais próximas da extremidade 5’ são expressos mais tardiamente e
controlam a formação das porções mais posteriores do corpo. Nos mamíferos, a
expressão dos genes Hox ocorre inicialmente durantea gastrulação, começando pelos
50
genes da posição 3’. Portanto, temporal e espacialmente, os genes Hox controlam o
desenvolvimento dos segmentos corpóreos da porção anterior para a posterior. Em
contraste ao que ocorre nas drosófilas, há sobreposição na expressão dos genes Hox
nos mamíferos. Assim, de uma combinação particular da expressão de genes Hox
oriundos dos quatro agrupamentos em cada região ao longo do eixo do corpo as
células obtêm a sua identidade posicional específica. Esse padrão de identidade é
conhecido como o “código Hox”.
Fig. 2-5 Disposição dos genes homeóticos na Drosophila e dos genes Hox no camundongo. A
homologia entre os genes da Drosophila e aqueles do camundongo em cada agrupamento é
indicada pelo código de cores. Um gradiente de ácido retinoico (AR) está envolvido na
definição do “código Hox”.
Modificado de Sadler (2006).
O “código Hox” parece ser induzido pela exposição de células pluripotentes ou
multipotentes a um gradiente de moléculas sinalizadoras. Um gradiente de ácido
51
retinoico, e alguns dos seus derivados imediatos, está provavelmente envolvido neste
processo. Durante a gastrulação, a involução2 das células que formam o mesoderma e
o endoderma ocorre pelas regiões organizadoras no sulco primitivo estendendo-se em
direção à extremidade posterior do epiblasto (Cap. 7). Cada região organizadora
impõe um “código Hox” às células sofrendo involução. No camundongo, três regiões
organizadoras foram identificadas: a região organizadora inicial da gástrula, a região
organizadora intermédia da gástrula e a região organizadora tardia da gástrula. A
região organizadora tardia é também conhecida como nodo primitivo. Em associação
do centro sinalizador anterior e o endoderma visceral anterior (EVA), os centros
organizadores da gástrula formam gradientes anteroposteriores de moléculas
sinalizadoras. Esses gradientes induzem a expressão de determinados genes Hox,
determinando o previamente mencionado “código Hox”.
Morfogênese
Morfogênese é o mecanismo pelo qual tecidos e órgãos ganham forma. Assim,
enquanto modelagem consiste na reunião de células em regiões que formarão os
órgãos, a morfogênese consiste na aquisição da forma interna e completa pelos
órgãos. Portanto, durante a morfogênese estruturas como tubos, folhetos e agregados
densos de células são formados em resposta a diferentes taxas de proliferação celular,
alterações no tamanho e/ou formato das células, fusão celular e/ou alterações nas
propriedades de adesão celular, por exemplo. A formação do tubo neural durante a
neurulação é um exemplo no qual alterações locais no formato celular e na
proliferação celular aproximam grupos celulares distantes para formar uma nova
estrutura (Fig. 2-4, Cap. 8). A transformação de uma placa neural achatada em um
tubo neural fechado é causada tanto pela formação de pontos de dobramento, nos
quais as células sofrem constrição apical devido a alterações no formato celular, bem
como pela proliferação celular nas margens empurrando os dois lados um contra o
outro. Outro exemplo de morfogênese é encontrado no epiblasto durante o processo
de gastrulação: uma única camada de células é convertida em três folhetos
germinativos somáticos e na linhagem celular germinativa pela involução celular
(Cap. 7). Um último exemplo de morfogênese é a morte celular programada
(apoptose) nas membranas das mãos e dos pés criando espaços entre os dígitos (Cap.
16).
Modificações epigenéticas e ciclos de vida
A metilação do DNA é provavelmente o mais compreendido dos mecanismos
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epigenéticos que atuam no desenvolvimento animal (Fig. 2-6). Em geral, a metilação
do DNA está relacionada à inibição da expressão gênica. Nas células germinativas
primordiais recém-formadas, o DNA está altamente metilado assim como nas suas
progenitoras epiblásticas. Entretanto, no momento em que as células germinativas
adentram a crista genital, o DNA torna-se amplamente desprovido de metilação.
Durante a gametogênese subsequente, quando ovócitos e espermatozoides são
formados da linhagem derivada das células germinativas primordiais, novas
metilações do DNA são estabelecidas, em um processo conhecido com metilação de
novo. Essa desmetilação e remetilação ampla do genoma representa o primeiro
ciclo da reprogramação epigenética necessária para o desenvolvimento da
próxima geração. É importante ressaltar que ocorre metilação dependente do sexo em
alguns loci específicos (que posteriormente levarão à expressão monoalélica de alguns
genes particularmente importantes para o desenvolvimento embrionário), formando
a base para o imprinting genômico. Aparentemente, o gameta masculino torna-se
mais metilado que o feminino.
Fig. 2-6 Padrões globais de metilação do DNA. Um primeiro ciclo de desmetilação e
remetilação do DNA que inclui os genes imprinted é observado durante o desenvolvimento dos
gametas das células germinativas primordiais do embrião. Um segundo ciclo de desmetilação e
remetilação é observado após a fertilização quando o genoma paterno é ativamente
desmetilado. Neste segundo ciclo de reprogramação epigenética, os genes imprinted não sofrem
desmetilação. A partir do momento em que ocorre desenvolvimento do blastocisto, o genoma é
remetilado.
Modificado de Dean et al. (2003).
O segundo ciclo de reprogramação epigenética ocorre após a fertilização. Em
espécies tais como camundongo, rato, porco e bovinos, o genoma paterno é
claramente mais lábil que o materno e inicia um processo de desmetilação ativa tão
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logo o zigoto é formado. Aparentemente esse fenômeno não se aplica a coelhos e
ovelhas. No entanto, próximo do estágio de mórula e blastocisto inicial, ambos os
genomas parentais estão igualmente desmetilados. De modo interessante, e de
grande importância para o desenvolvimento, os genes imprinted metilados não são
afetados por esse ciclo de desmetilação e permanecem metilados. Os imprintings são
somente apagados e redefinidos durante a gametogênese. O fato de os genes
imprinted metilados manterem sua metilação sexo-específica permite a expressão
monoalélica sexo-específica desses genes, o que é de fundamental importância para o
desenvolvimento embrionário e, em especial, para o desenvolvimento placentário. O
segundo ciclo de desmetilação é rapidamente sucedido por um ciclo de metilação de
novo que coincide aproximadamente com a diferenciação dos blastômeros em
trofectoderma e MCI. Curiosamente, a extensão da metilação é, em algumas espécies,
mais pronunciada nas células pluripotentes que formarão a MCI (e posteriormente o
epiblasto) do que naquelas que formarão o trofectoderma.
A inativação do cromossomo X corresponde à inativação seletiva de alelos de
um dos dois cromossomos X das fêmeas gerando um mecanismo de compensação de
dose ou hemizigose funcional para os genes ligados ao X. O cromossomo X inativo
pode ser visto como o corpúsculo de Barr, uma fração de cromatina condensada
situada ao longo do interior do envelope nuclear das fêmeas dos mamíferos. O
processo de inativação é iniciado por um único gene, o XIST, que é expresso apenas
no cromossomo X inativo. O XIST é um dos poucos genes imprinted ligados ao X. O
processo de inativação inicia-se durante o período de metilação de novo do segundo
ciclo de reprogramação epigenética que ocorre no estágio de blastocisto. Na MCI, a
inativação do cromossomo X herdado do pai ou da mãe ocorre de modo aleatório. No
entanto, no trofectoderma o alelo do XIST herdado da mãe é preferencialmente
reprimido levando à inativação do cromossomo X de origem paterna. Isso ilustra o
fenômeno conhecido como conflito dos genomas parentais ou “a batalha dos
sexos”: no trofectoderma e outros tecidos extraembrionários há uma preferência pela
expressão de genes3 de origem paterna enquanto que nas células que formarão o
embrião propriamente dito há preferência pela expressão de genes maternos.
Nas células germinativas primordiais, que transmitem os genes às próximas
gerações, os imprints genômicos têm que ser apagados e o cromossomo X inativo deve
ser reativado de modo apossibilitar que cromossomos X ativos sejam repassados a
todos os gametas.
Resumo
A gestação compreende os períodos embrionário e fetal. Durante o período
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embrionário, o zigoto é gerado pela fertilização e as clivagens resultam na formação
da mórula. Subsequentemente, no blastocisto forma-se o trofectoderma e a massa
celular interna (MCI). A MCI dá origem ao hipoblasto e ao epiblasto
estabelecendo o disco embrionário bilaminar após a eclosão da zona pelúcida. A
seguir, o epiblasto inicia o processo de gastrulação resultando na formação do disco
embrionário trilaminar com três folhetos da linhagem germinativa somática
(ectoderme, mesoderme e endoderme) além das células germinativas
primordiais. Os três folhetos germinativos participam na formação dos órgãos.
Durante o período fetal, que se estende até o termo, os sistemas orgânicos crescem,
amadurecem e tornam-se remodelados. O desenvolvimento é um processo gradual
regulado por diferentes processos incluindo os princípios gerais de proliferação e
crescimento celular bem como processos mais específicos do desenvolvimento
embrionário tais como diferenciação celular, modelagem e morfogênese.
Diferenciação celular pode ser entendida como uma série de decisões sequenciais
que guiam as células pelas etapas de especificação reversível até a determinação
irreversível. As células podem ser induzidas a diferenciarem-se pelo contato célula a
célula ou por moléculas sinalizadoras, os morfógenos. As células diferenciadas são
agrupadas e relacionam-se tridimensionalmente para formar tecidos e órgãos por
meio dos processos de modelagem. Durante a modelagem, morfógenos podem atuar
de modo complexo, produzindo gradientes que resultam em zonas de diferenciação
celular distintas. A modelagem ocorre por ativações regionais na expressão de genes,
dentre os quais um bom exemplo é a expressão dos genes mamíferos Hox na definição
do eixo craniocaudal do embrião. Alterações finais no formato geral de tecidos e
órgão são obtidas pela morfogênese.
Leituras adicionais
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1 Nota da Tradução: os genes “hedgehog” são assim chamados, pois, em drosófilas, a sua mutação leva à formação de projeções
puntiformes nos embrião, lembrando o aspecto de um porco-espinho. Já o sonic hedgehog foi um gene da mesma família nomeado em
analogia ao personagem do jogo de videogame.
2 Nota da Tradução: o processo de involução celular consiste na interiorização de uma camada externa em expansão de modo a recobrir
a superfície interna das células externas remanescentes.
3 Nota da Revisão Científica: leia-se dos genes imprinted já que a expressão dos demais genes do cromossomo X será de origem materna no
trofectoderma.
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