Avaliação segmentação do mesoderma

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOMÉDICAS 
Curso de Ciências Biológicas – Modalidade Médica 
DISCIPLINA INTERAÇÃO CELULAR I 2020.PLE 
 
 
Nomes da dupla: 
Glenda Domingos Mascarenhas​ e ​Isabela Batista Gonçalves Moreira​ (grupo 29) 
 
 
“Somitos sem relógio” 
A formação dos segmentos corpóreos (somitos) em embriões de vertebrados é 
acompanhada por oscilações moleculares (relógio de segmentação). Acredita-se que 
interação deste oscilador com uma onda que viaja ao longo do eixo do corpo (modelo 
de relógio e onda frontal) controla o número, tamanho e identidade dos somitos. 
Neste estudo nós mostramos que o mecanismo de relógio e onda frontal não é 
necessário para formação dos somitos. Mesoderma não somítico tratado com Noggin 
gera muitos somitos que se formam simultaneamente, sem a expressão cíclica dos 
genes dia via de Notch, mas ainda com tamanho, forma e destino normais. Estes 
somitos possuem identidade axial: o código Hox é estabelecido independentemente 
do destino dos somitos. Todavia, estes somitos não são subdivididos em metade 
cranial e metade caudal, que é necessária pela segmentação neural. Nós propomos 
que os somitos são estruturas auto-organizantes, cujas formas e tamanhos são 
determinadas por interações locais célula- célula. 
 
Após a leitura do resumo e das legendas das figuras, a dupla deve: 
 
1. Comparar as conclusões do estudo com o conteúdo da aula ministrada pelo 
professor. 
 
A somitogênese é um processo referente a formação de somitos. Como visto em sala 
de aula, o modelo proposto para regular esse processo é denominado modelo de 
relógio e onda frontal. Esse modelo determina que a somitogênese é decorrente de um 
processo oscilatório, que irá determinar em que local que o somito será formado e 
quando que ele deverá ser formado, estabelecendo, assim, um relógio de 
segmentação. A parte referente a onda frontal desse modelo retrata o local em que o 
somito deverá ser formado e esse processo ocorre mediante o controle do gradiente 
de duas moléculas ao longo do mesoderma pré-somítico, o fgf8 e o ácido retinóico. O 
fgf8 é uma molécula difusora produzida na região caudal do embrião e o ácido 
retinóico também é uma molécula difusora que é produzida, no entanto, na região 
rostral do embrião pelo mesoderma da cabeça e pelos próprios somitos que já tinham 
sido formados. O gradiente dessas moléculas é maior nos locais em que elas são 
produzidas e perde força à medida que se afastam do seu local de produção. Na 
região em que ambos os gradientes dessas moléculas estão muito reduzidos, esta 
sinalização é o indicativo para que um novo par de somitos seja formado. Como a 
formação de novos somitos aumenta o gradiente de ácido retinóico, o local de 
formação dos somitos é dinâmico e, então, acompanhando o alongamento 
cefalocaudal do embrião, a formação dos somitos ocorre de maneira sequencial em 
direção a região caudal do embrião ao longo do mesoderma pré-somítico. A outra 
parte referente ao modelo, é a parte do relógio, relacionada a quando que esse somito 
deverá ser formado, e ele é regulado pelo padrão oscilatório da proteína NOTCH. A 
proteína NOTCH é um morfógeno presente na membrana das células do mesoderma 
pré-somítico e ela tem a sua expressão regulada por meio de feedback negativo, o que 
resulta em um ciclo oscilatório que é concomitante ao local em que cada par de 
somitos é formado. A formação dos somitos, então, é realizada quando altos níveis de 
NOTCH induzem a expressão do gene Mesp que é responsável, por sua vez, por 
induzir a expressão de Eph no compartimento anterior do somito. Os somitos 
apresentam uma peculiaridade já que quando estão em processo de formação, neste 
modelo, são constituídos em compartimentos anteriores e posteriores e não como uma 
unidade por completo; sendo assim, a Eph do compartimento anterior do somito é 
responsável por induzir a expressão de Efrina no compartimento posterior do somito 
anteriormente a ele formado em relação ao eixo cefalocaudal. A Efrina expressa no 
compartimento posterior do somito é responsável por promover a epitelização, ou 
seja, transição mesenquimal-epitelial do mesoderma pré-somítico, formando um 
limite entre dois somitos vizinhos. 
O artigo “​Somites Without a Clock​” contrapõe o modelo proposto em aula, ou seja, 
ele propõe que o modelo do relógio e da onda frontal não são necessários para a 
formação dos somitos, mas sim para a determinação das porções rostral e caudal. É, 
então, realizado um tratamento de um mesoderma não somítico pela inibição da 
proteína morfogenética óssea (BMP) por Noggin, em que os cientistas tentaram 
avaliar se há formação dos somitos de maneira independentemente de um relógio de 
segmentação. Assim, eles utilizaram explantes de embriões embebidos em Noggin, 
constatando a formação de estruturas com morfologia semelhante a dos somitos, 
embora não dispostas linearmente. Esses somitos ectópicos formados exibiam 
mesmas características morfológicas quando comparados aos somitos encontrados 
nas posições normais do embrião, entretanto, eles obtinham processos de 
segmentação que diferiam entre si, uma vez que esses somitos ectópicos tinham 
formação simultânea sem expressão cíclica dos genes que eram expressos no modelo 
do relógio. 
A fim de analisar se os somitos ectópicos apresentavam também a subdivisão 
rostrocaudal, os cientistas avaliaram a expressão gênica da porção rostral pelo gene 
Eph-A4 e caudal pelos genes ​Hairy1, Hairy2, LFng, Uncx4.1 e Meso2. No entanto, os 
resultados foram inconclusivos, o que evidencia a necessidade do modelo do relógio 
e da onda frontal para determinar essa característica de segmentação. Outro 
experimento realizado foi com relação a expressão de HOX, genes que conferem a 
identidade aos somitos. Com esse experimento, eles puderam observar que os genes 
Hoxb6 e ​Hoxb9 são expressos em estágios mais tardios do desenvolvimento (estágio 
8), mas não em estágios mais iniciais (estágio 5), como ​Hoxb3 e ​Hoxb4​. A partir 
desses dados, foi constatado, então, que esses genes, independentemente do relógio 
de segmentação, favorecem a determinação da identidade axial dos somitos. 
Através desse estudo, é possível, inferir que não é atribuído aos somitos ectópicos a 
capacidade de sofrer diferenciação rostrocaudal, sendo essa a função das oscilações 
de Notch. Além disso, os somitos ectópicos são morfologicamente semelhantes a um 
somito normal, o que indica que o relógio de segmentação não é necessário para sua 
formação. Dessa forma, a conclusão do artigo demonstra através de simulações no 
CompuCell-3D, que a formação dos somitos em tamanho e forma devem ocorrer por 
meio de interações célula-célula. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Interprete os padrões de expressão gênicas na figura 2. O que estes resultados 
nos dizem a respeito do modelo do relógio e onda frontal? 
 
 
 
A figura 2 do artigo “​Somites Without a Clock​” representa os resultados de um 
experimento que foi realizado com ​time-lapse microscopy com imagens geradas de 
3h a 7h30 com intervalos de 45 minutos. O experimentovisava analisar se a 
formação dos somitos ectópicos transplantados em uma região extraembrionária, de 
um embrião de galinha, respeitava o relógio de segmentação, o qual era observado na 
formação dos somitos normais. Para realizar esse experimento, foram analisados os 
padrões de expressão de genes como ​Hairy1​, ​Hairy2 ​e ​LFng ​que na formação dos 
somitos normais desempenham um padrão oscilatório responsável pela periodicidade 
em que os somitos são formados ao longo do mesoderma pré-somítico no embrião. 
Esse padrão oscilatório, característico do modelo de relógio e da onda frontal, permite 
que a formação dos somitos ocorra de maneira sequencial. Na figura, podemos 
visualizar o nível de expressão dos genes analisados ao longo das horas por meio de 
marcações na cor roxa. No embrião em si, estas marcações se apresentavam de 
maneira dinâmica, ou seja, elas variavam ao longo do mesoderma pré-somítico 
conforme ocorria o alongamento cefalocaudal do embrião. Dessa forma, se traçamos 
uma reta imaginária nas imagens respectivas aos períodos de 3 horas, 5h15, 6h45 e 
7h30, e compararmos as localizações das marcações em roxo mais acentuadas 
conseguimos visualizar que elas não se encontram na mesma posição no decorrer do 
tempo, indicando que os padrões de expressão dos genes analisados ao longo do 
mesoderma pré-somítico são oscilatórios. Contudo, quando os padrões de expressão 
desses mesmos genes foram analisados nos somitos ectópicos transplantados 
(destacados pelos retângulos menores em preto), as marcações em roxo não sofreram 
variações significativas, sendo a expressão genética uniforme ao longo do 
experimento, o que indica que o padrão oscilatório da expressão dos genes 
analisados, neste caso, era inexistente. Então, pode-se inferir que os somitos 
ectópicos transplantados não seguiam o relógio de segmentação para a sua formação. 
 
 
3. Interprete os painéis na figura 3 e destaque as diferenças com o modelo 
descrito na aula. 
 
 
A figura 3 do artigo ​“Somites Without a Clock” representa os resultados dos dois 
experimentos que visavam analisar se os somitos ectópicos, assim como os somitos 
normais, eram subdivididos em compartimento anterior e posterior. Para realizar o 
primeiro desses experimentos, cujos resultados são representados da letra A a F, 
foram analisados os níveis de expressão de marcadores caudais ​(Hairy1, Hairy2, 
LFng, Uncx4, Meso2) e rostrais ​(EphA4) nos somitos ectópicos. Diferentemente dos 
somitos normais, nos somitos ectópicos, os níveis de expressão desses marcadores 
eram muitos baixos ou até mesmo inexistentes, como se pode observar pelas figuras 
de A a F, em que a marcação evidenciada nos quadrados em roxo é muito tênue. 
Dessa forma, esse experimento demonstra que os somitos ectópicos não são 
subdivididos e não apresentam uma identidade rostrocaudal. Para realizar o segundo 
experimento, cujos resultados estão representados da letra G a O, um somito ectópico 
marcado com GFP foi colocado no local de um somito normal em um outro embrião 
secundário para se analisar o crescimento de axônios motores e migração de células 
da crista neural. Foram analisados esses dois processos porque eles dependem da 
identidade rostrocaudal do somito para que ocorram com êxito. Isso porque, como 
vimos em aula, no somito normal, as células da crista neural, por exemplo, só 
conseguiriam ultrapassar o somito por meio de seu compartimento anterior. Isso se 
deve, pela Efrina, que é um “​chemorepellent​”, promover uma sinalização existente 
no compartimento posterior desses somitos para impedir que essas células migratórias 
da crista neural perpassem os somitos por esse compartimento. Contudo, como pode 
ser observado principalmente na imagem L, a sinalização que deveria ocorrer para a 
passagem adequada dos axônios motores e das células da crista neural migratórias se 
encontra perturbada, e, então, essas estruturas perdem a sua regulação de passagem 
pelo somito, podendo causar anomalias. No somito ectópico marcado com GFP, que 
está representado na imagem por uma coloração amarelo fluorescente, foi-se 
observado várias anormalidades no processo de crescimento de axônios motores e 
migração das células da crista neural, como aumento da lacuna entre raízes motoras e 
fusão de raízes ventrais adjacentes. Com isso, evidenciou-se com esse experimento 
que somitos ectópicos analisados não são subdivididos em compartimentos rostrais e 
caudais (anteriores e posteriores, respectivamente), sendo o modelo de relógio e onda 
frontal necessário para o processo de segmentação, principalmente do sistema 
nervoso periférico do embrião.