Biologia Molecular II - Resumo expandido - Cap 21 Regulação Gênica no Desenvolvimento e na Evolução

Prévia do material em texto

RESUMO EXPANDIDO DO CAPÍTULO 21 DO LIVRO “BIOLOGIA
MOLECULAR DO GENE”: REGULAÇÃO GÊNICA NO DESENVOLVIMENTO E
NA EVOLUÇÃO
Biologia Molecular do Gene - 7º ed. 2015.
CAPÍTULO 21- pg. 733 a 773
A expressão gênica diferencial é o mecanismo responsável por
produzir tipos celulares diversos a partir de um mesmo genoma. Como por
exemplo, o gene β-hemoglobina apenas é transcrito nas células sanguíneas,
nas hemácias, mas não em outros tecidos. Outro exemplo desse mecanismo
está presente em RNAs transcritos a partir do gene de segmentação,
hunchback, que está distribuído por todo embrião inicial de Drosophila,
porém as proteínas funcionais só são traduzidas em regiões anteriores
(cabeça e tórax). À vista disso, a síntese de uma proteína ou RNA em um
subconjunto das células que formam um embrião é uma peça chave para o
desenvolvimento animal.
A clonagem de um sapo Xenopus laevis, em 1960 e 1970, foi a
primeira evidência conclusiva de que diferentes tipos celulares contêm o
mesmo genoma. Essa experiência consistiu na clonagem de um sapo a
partir do núcleo de uma célula intestinal que sustentou a embriogênese e a
metamorfose em indivíduos adultos do animal estudado. Em 2000, os
estudos de clonagem da ovelha Dolly compreenderam a possibilidade de
clonagem da maioria dos animais. Essa “equivalência genética” entre os
diferentes tecidos animal é demonstrada pela transformação de qualquer
tipo celular em uma célula-tronco pluripotente induzida (iPS, induced
pluripotent stem cell).
Na maioria dos mamíferos, os embriões contém uma pequena massa
interna de células (ICM, inner cell mass) que podem gerar vários tipos
celulares (pluripotentes). A formação dessas células é regulada por três
fatores de transcrição sequência-específicos (Oct4, Sox2 e Nanog). Se a
expressão desses fatores forem forçadas em uma célula diferenciada, como
no fibroblasto (tecido conjuntivo), é possível transformá-la em uma célula
iPS com característica de célula ICM (Quadro 1). Neste capítulo serão
abordados os diferentes mecanismos para alcançar a expressão gênica
diferencial durante o desenvolvimento animal. Alguns dos tópicos a serem
discutidos são: A intercomunicação das células para garantir que cada uma
expresse o conjunto de genes necessário ao desenvolvimento adequado, as
estratégias utilizadas junto com os mecanismos de regulação transcricional,
visando controlar o desenvolvimento de todo um organismo, e as alterações
na regulação gênica que podem causar a diversidade de morfologia animal
durante a evolução.
Quadro-1 Formação de células iPS
Em embriões de mamífero as células ICM se diferenciam e
produzem todos os tecidos e órgãos dos adultos. No início dos anos 2000
houve um grande interesse por pesquisas com células-tronco, porém o
isolamento de células IMC a partir de fetos humanos enfrentou um grande
impasse ético e técnico. Acreditava-se que o isolamento de células ICM
seria o passo limitante para o uso na medicina regenerativa. Essa ideia foi
derrubada por pesquisas realizadas por Takahashi e Yamanaka, em 2006.
Houve a identificação de um gene que é seletivamente expresso em células
ICM. O próximo passo foi a inserção de LacZ nesse gene, utilizando-o
como marcador para identificar fibroblasto murinos que haviam sido
convertidos em células-tronco (iPS).
Com o decorrer de pesquisas, foram identificados cerca de 30
diferentes fatores de transcrição (FTs) que se expressavam em
células-tronco de ICM cultivadas. Takahashi e Yamanaka forçaram a
expressão de diferentes FTs em fibroblasto, provocando a indução do gene
marcador LacZ. Ao coexpressarem diferentes combinações de FTs,
descobriram que três desses fatores (Oct4, Sox2 e Nanog) poderiam ser
usados para na conversão ou reprogramação de fibroblastos em células
iPS. Utilizando-se dessas descobertas, um experimento feito com
camundongos adultos a partir de células iPS injetadas em embriões
mostraram que características associadas às células iPS são transmitidas
para a prole (Fig. 1). A descoberta de células animais diferenciadas podem
ser reprogramadas para se tornar pluripotente instigaram levantaram a
possibilidade de uma “medicina de substituição”. Como por exemplo, a
indução de fibroblastos para formar iPS que podem ser usadas para gerar
tecidos ausentes, como os neurônios dopaminérgicos para pacientes com
Parkinson ou as células β para diabéticos insulinodependentes.
Quadro 1- Figura 1. Potencial de desenvolvimento de células iPS. Fonte: Biologia
Molecular do Gene, 7º ed., 2015.
DURANTE O DESENVOLVIMENTO, AS CÉLULAS SÃO INSTRUÍDAS A
EXPRESSAR CONJUNTOS GÊNICOS ESPECÍFICOS DE GENES POR
MEIO DE TRÊS ESTRATÉGIAS
A expressão gênica pode ser regulada por meio de sinais externos à
célula. Esse mecanismo é visto em Escherichia coli, a presença de lactose
induz a transcrição do operon Lac, e em mamíferos, em que infecção viral
ativa a expressão do gene do interferon β. Será discutido as principais
estratégias usadas para instruir células geneticamente idênticas a
expressarem diferentes conjuntos de genes, promovendo a diferenciação
celular. As principais estratégias são: Localização do mRNA, contato célula a
célula e sinalização por meio da difusão de uma molécula sinalizadora
secretada (Figura 1).
Figura 1. As três estratégias para início da atividade gênica diferencial durante o
desenvolvimento. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7º ed., 2015.
Alguns mRNAs localizam-se em regiões específicas nos ovos e embriões
devido a uma polaridade intrínseca no citoesqueleto
Ao distribuir assimetricamente uma molécula reguladora essencial a
divisão celular, geralmente se trata de um mRNA, é possível estabelecer
diferenças entre duas células idênticas. Com isso, as células-filhas recebem
quantidades diferentes de reguladores, seguindo diferentes vias de
desenvolvimento. Esses mRNAs frequentemente codificam ativadores ou
repressores transcricionais, porém também podem codificar proteínas de
ligação ao RNA ou moléculas de sinalização para as células. Na célula existe
um mecanismo comum para a localização dos mRNA, que são transportados
por elementos do citoesqueleto (filamentos de actina e do microtúbulo). A
assimetria celular é dada pela assimetria intrínseca desses elementos.
Esses filamentos de actina e microtúbulos têm o crescimento dirigido
nas extremidades + (Fig. 2). A molécula de RNA é transportada na célula por
uma proteína “adaptadora” ligada a uma região não traduzida 3’ (3’ UTR) de
mRNA. As proteínas adaptadoras contém dois domínios, um que reconhece
a região 3’ UTR e o outro que se associa com um componente específico do
citoesqueleto, como a miosina. O complexo mRNA-adaptador pode ser
“arrastado” deslizando ao longo de um filamento de actina ou move-se para
a extremidade + de um microtúbulo em crescimento. Esse processo é usado
para localizar determinantes de mRNA no ovo ou para restringir um
determinante a apenas uma das duas células-filhas.
Figura 2. Uma proteína adaptadora liga-se às sequências específicas da 3’-UTR do mRNA.
Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7º ed., 2015.
Contatos célula a célula e moléculas secretadas de sinalização celular
promovem alterações na expressão gênica de células vizinhas
Uma célula pode produzir proteínas de sinalização extracelular e
influenciar a expressão de genes em células vizinhas. Essas proteínas são
sintetizadas pela primeira célula e depositadas em sua membrana
plasmática ou secretadas para a matriz extracelular. Um sinal ao ser
reconhecido por um receptor específico nas células receptoras pode
desencadear alterações na expressão gênica na célula receptora. Essa
comunicação entre o núcleo e receptores celulares envolve vias de
transdução de sinal.
A interação entre ligante e receptor pode induzir uma casacata
enzimática que modifica as proteínas reguladoras do núcleo (Fig 3. a). Há a
possibilidade de receptores ativados provocarem a liberação de proteínas de
ligação ao DNA no núcleo, que ativam ou reprimem a transcriçãogênica (Fig
3. b). Em outros casos, o receptor ativado é clivado por proteases celulares
e sua porção C-terminal entra no núcleo e interage com proteínas
específicas de ligação ao DNA, resultando na ativação da transcrição de
genes específicos (Fig 3. c). Há diferentes tipos de sinalizações celulares,
podendo ocorrer de contato célula a célula (controlam a expressão gênica de
células fisicamente próximas) ou também por molécula sinalizadoras
secretadas na matriz extracelular (atuam a longas distâncias).
Figura 3. Diferentes mecanismos de transdução de sinais. Fonte: Biologia Molecular do
Gene, 7º ed., 2015.
Gradientes de moléculas de sinalização secretadas podem instruir as
células a seguirem vias de desenvolvimento com base em sua
localização
O destino de uma célula em organismos adultos é limitado pela sua
localização no embrião em desenvolvimento. A relação entre a localização e o
desenvolvimento celular é chamada de informação posicional, envolvendo o
uso de moléculas sinalizadoras secretadas por determinadas células e que
são distribuídas em um gradiente extracelular (Fig. 4. a). De acordo com as
concentrações proteicas sinalizadoras recebida por uma célula o seu
desenvolvimento seguirá.
As moléculas sinalizadoras que controlam a informação sobre o
posicionamento são denominadas morfógenos. O pico de ativação de
receptores específicos na membrana celular se dá em células localizadas
próximas à fonte de um morfógeno. Portanto, células localizadas a maiores
distâncias recebem uma menor concentração de sinais e uma menor fração
de seus receptores são ativados. Os diferentes níveis de recepção de sinais,
através da ocupação de receptores, são diretamente responsáveis pela
expressão gênica diferencial das células responsivas (Fig. 4. b).
O número de ligação de morfógenos a receptores específicos de
superfície celular está intimamente ligado com o controle e com o número
de reguladores de transcrição presentes no núcleo (Fig. 4. c). As pequenas
alterações nas concentrações de morfógenos provoca, portanto, diferenças
nos níveis de reguladores de transcrição no núcleo, esses por sua vez ativam
genes-alvos. Sendo assim, determinam a identidade celular (Fig. 4. d).
Figura 4. Um grupo de células produz uma molécula de sinalização, ou morfógeno, que se
difunde pela matriz extracelular. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7º ed., 2015.
EXEMPLOS DAS TRÊS ESTRATÉGIAS PARA O ESTABELECIMENTO DA
EXPRESSÃO GÊNICA DIFERENCIAL
O repressor localizado Ash1 controla os tipos acasalantes, nas
leveduras, pelo silenciamento do gene OH
O eucarioto unicelular Saccharomyces cerevisiae pode crescer como
células haplóides e se dividir por brotamento (Figura 5). Nesse processo,
ocorre a divisão cromossômica entre as células assimétricas - célula mãe
maior e célula-filha menor (Fig. 5. a). Essas células podem ser dois tipos
acasalantes (a e α). Esse processo é controlado pela endonuclease de
sequência específica, a proteína OH. A mudança de tipo acasalante só pode
ocorrer na célula mãe, enquanto a célula filha originada por brotamento
mantém o mesmo tipo acasalante (Fig. 5. b). Essa característica decorre da
presença de um gene ahs 1 que silencia o gene que codifica a proteína OH
(SWI5) (Figura 6). Mais especificamente, antes do brotamento a célula mãe
transcreve um mRNA codificado por ash 1, que é localizado na célula às
extremidades em crescimento dos microtúbulos. Com isso, o mRNA de ahs1
é transportado para a célula em brotamento, onde será traduzido em uma
proteína repressora do gene que codifica a proteína OH. Impedindo que a
célula-filha sofra alteração de tipo acasalante. A assimetria da distribuição
de mRNA e suas proteínas adaptadoras são encontradas nas 3’ UTRs
(Quadro 3 - citoesqueleto: assimetria e crescimento). O princípio de troca de
tipo acasalante também é visto no desenvolvimento de Drosophila
melanogaster, em que há a interação entre ativadores e repressores
localizados para então estabelecer padrões específicos de expressão gênica
em células individuais.
Figura 5. Uma célula haplóide de levedura do tipo acasalante a sofre brotamento,
produzindo uma célula-mãe e uma célula-filha menor. Fonte: Biologia Molecular do Gene,
7º ed., 2015.
Figura 6. Localização do mRNA de ash1 durante o brotamento. Fonte: Biologia Molecular do
Gene, 7º ed., 2015.
Quadro 2. Revisão sobre o citoesqueleto: assimetria e crescimento
O citoesqueleto é composto por filamentos intermediários,
filamentos de actina e microtúbulos. Os dois últimos são úteis para
localizar mRNAs específicos em diversos tipos celulares, como brotos de
leveduras e oócitos de Drosophila. Os monômeros de actina possuem
polaridade, orientação “+” que crescem mais rápidos e são mais estáveis
pois não hidrolisam ATP, já a orientação “-” crescem mais devagar e são
mais instáveis pois hidrolisam ATP (Fig. 1). Quanto aos microtúbulos,
polímeros da proteína heterodímero tubulina, constituída por cadeias α e
β, formam protofilamentos longos e assimétricos. Treze protofilamentos
associam-se paralelamente e formam um microtúbulo cilíndrico,
possuindo polaridade assim como nos filamentos de actina (Fig. 2). A
tubulina tem atividade enzimática, assim como a actina, porém a sua
extremidade “-” hidrolisa GTP, ao invés de ATP. Essas atividades
enzimáticas promovem o crescimento dinâmico nos filamentos de actina e
miosina. Algumas proteínas se associam nas extremidades “+” para dirigir
esse crescimento , como a profilina.
Quadro 2 - Figura 2. Estruturas do monômero e do
filamento de tubulina. Fonte: Biologia Molecular do
Gene, 7º ed., 2015.
Quadro 2 - Figura 1. Estruturas do monômero e do
filamento de actina. Fonte: Biologia Molecular do Gene,
7º ed., 2015.
Um mRNA localizado inicia a diferenciação muscular no embrião da
ascídia
Os mRNAs que estão localizados podem estabelecer uma expressão
gênica diferencial entre células geneticamente idêntica de um embrião em
desenvolvimento. Ou seja as células de um embrião em desenvolvimento por
meio da herança de mRNAs localizados.
Um exemplo, no qual é considerado a diferenciação muscular em
embriões de ascídias. No caso o macho-1 é um dos principais determinantes
para a programação de células para formar músculos da cauda em embriões
iniciais de ascídias.
Com isso, o mRNA do macho-1 está distribuído por todo citoplasma
dos óvulos não fertilizados, mas logo após a fertilização, ele é restringido ao
citoplasma do pólo vegetativo. Assim, o embrião com apenas 8 células, esse
mRNA é herdado por apenas duas células, e essas células continuam a
formação dos músculos caudais.
O mRNA de macho-1 vai codificar uma proteína dedo de zn, de ligação
ao DNA, supostamente capaz de ativar a transcrição de genes específicos de
músculos, como da tropomiosina. Com esses genes expressos apenas nos
músculos, pois o macho-1 é produzido apenas nessas células.
O contato célula a célula provoca a expressão gênica diferencial na
bactéria esporulada Bacillus subtilis
O contato célula a célula, é a principal estratégia para estabelecer
expressão gênica diferencial. Com isso, a discussão se inicia com um caso
relativamente simples, o da bactéria subtilis. Nos casos adversas , B. subtilis
pode formar esporos. Com isso há uma formação de um septo, localizados
assimetricamente no esporângio , sendo o genitor do esporo. Com isso esse
septo produz duas células de tamanhos diferentes, que permanecerem
ligadas através de membranas confinantes. Como como há essa diferença de
tamanho, a menos é chamada de pré esporo, e com isso irá se originar o
esporo após uma série de eventos. A célula maior é a chamada mãe. E ela
irá ajudar no desenvolvimento do esporo.
O pré-esporo tem uma forma ativa de um fator σ, que é específico, σᶠ,
que está inativo na célula mãe. O fator σᶠ ativa o gene SpoIIR, que codifica
uma proteína sinalizadora secretada. SpoIIR é secretada no espaço entre as
membranas confiantes da célula-mãe e do esporo, onde desencadeia oprocessamento proteolítico do pro-σᵉ na célula mãe. O pro-σᵉ, é um
precursor inativo do fator σᵉ. A proteína prot-σᵉ, que tem como inibidor
N-terminal que bloqueia a atividade do σᵉ e liga a proteína do peptídeo
aminoterminal e a liberação da forma madura e ativa de σᵉ da membrana σᵉ
ativa um conjunto de genes na célula–mãe diferente dos expressos no
pré–esporo.
O comutador da regulação nervo – pele no sistema nervoso central de
insetos é controlado pela sinalização por Notch
Um receptor de superfície celular é clivado e o domínio
intracitoplasmático é transferido para o núcleo, onde se liga a uma proteína
de ligação ao DNA sequência-específica, que vai ativar a transcrição de
genes selecionados. Para melhor entendimento, será explicado rapidamente
como se forma o desenvolvimento do sistema nervoso ventral nos embriões
de insetos. Ele é originado de um folheto de células chamados ectoderma
neurogênico. Com isso o tecido, ele vai se dividir em duas porções de
células: um grupo que vai permanecer na superfície do embrião e forma a
pele ventral e a outra porção se desloca e forma a parte interna do embrião,
com isso há a formação dos neurônios do sistema nervoso ventral.
Esses neurônios em desenvolvimento contém uma molécula
sinalizadora em sua superfície chamada delta, que vai se ligar a um receptor
nas células chamadas notch. A ativação do receptor de Notch por Delta
impede que as células cutâneas se desenvolvam em neurônios. Ou seja isso
acontece porque a ativação promove a liberação do domínio
intracitoplasmático de notch da membrana celular, que entra no núcleo,
onde se associa a proteína de ligação ao DNA chamada Su(H).
A sinalização por Notch não causa só uma simples indução da
proteína ativadora Su(H), porém desencadeia uma comutação reguladora do
tipo (on/off). Na ausência de sinalização, Su(H) está associada a várias
proteínas, incluindo Hairless, CtBP e Groucho. O Su(H), complexada a
qualquer uma dessas proteínas, reprime ativamente os genes-alvo de Notch.
Quando Notch entra no núcleo, desloca as proteínas repressoras
complexadas com Su(H) ativa exatamente os mesmos genes que antes
reprimia.
Com a sinalização Delta – Notch depende do contato célula a célula.
Para ativar a sinalização por Notch e inibir a diferenciação em neurônios, as
células que apresentam o ligante Delta tem de estar em contato físico direto
com as células que contém os receptores de notch.
Um gradiente do morfógeno Sonic Hedgedog controla a formação de
diferentes neurônios no tubo neural de vertebrados.
O morfógeno, que impõe uma informação posicional sobre um órgão
em desenvolvimento. As células que estão localizadas na região mais ventral
do tubo neural formam uma estrutura especializada chamada placa inferior.
Essa placa inferior é o sítio da expressão de uma molécula sinalizadora
secretada, chamada sonic hedgehog, um morfógeno que atua em gradiente.
Essa molécula Shh é secretada pela placa inferior e forma um
gradiente extracelular na metade ventral do tubo neural. Então no local, os
neurônios desenvolvem-se nos diferentes tipos celulares, de acordo com a
quantidade que é recebida dessa proteína Shh. Com isso há a determinação
por sua localização em relação à placa inferior. As células mais próximas
recebe as concentrações mais altas de Shh, quanto as mais distantes vão
receber níveis mais baixos. O gradiente extracelular de Shh leva a
especificação de 3 tipos de células neuronais: V3.MN e V2. Essas 3 células
estão localizadas mais distantes da placa inferior do tubo neural.
Inicialmente, o Pax6 ele é expresso em todo presumível tubo neural.
Essas células são encontradas próximas à placa inferior. Que recebem as
maiores concentrações de Shh. Em estágios iniciais, tempo t, as
concentrações iniciais do ativador Gli são suficientes para induzir a
expressão de Olig2. Em estágios subsequentes, a indução sustentada de
Shh aumenta os níveis de Gli no tubo neural ventral, levando a ativação de
Nkx2.2. Interações repressivas cruzadas mantêm a expressão sequencial de
Nkx2.2 e Pax6, levando a especificação de neurônios V3, MN e V2.
De acordo com o modelo simples de gradiente de afinidade, os DNAs
reguladores dos genes Olig2 e Nkx2.2, devem conter sítios de ligação a Gli
com diferentes afinidades. Existem estudos recentes que sugerem uma visão
alternativa: a expressão diferencial de Olig2 e Nkx2.2 seria controlada por
uma rede de interações gênicas subjacentes ao padrão do tubo neural.
Depois dessa ativação de Olig2 em regiões ventrais, ele reprime Pax6,
criando uma janela para indução de Nkx2.2 Pax6 é um potente repressor de
Nkx2.2, mas não de Olig2.
BIOLOGIA MOLECULAR DA EMBRIOGÊNESE DE DROSOPHILA
Há vários mecanismos de comunicação celular, e de regulação gênica.
Os mRNAs localizados e as vias de sinalização celular são utilizados para
estabelecer a informação posicional que vai resultar em gradientes de
proteínas reguladoras que padronizam os eixos corporais anteroposterior e
dorso ventral. Essas proteínas reguladoras controlam essa parte de genes
cujos os produtos vão definir regiões do embrião.
Uma visão geral da embriogênese de Drosophila
A vida de uma a mosca inicia igual à de um ser humano, ou seja, os
machos adultos inseminam as fêmeas. Apenas um espermatozóide penetra
no óvulo maduro e os núcleos haploides do espermatozóide e do óvulo
fundem se para formar um núcleo zigótico diploide. Com isso esse núcleo
sofre várias divisões quase sincrônicas, na parte central do ovo. Como não
tem a membrana plasmática separando os núcleos, o embrião passa a ser o
que se chama de sincício. Em sequência, há uma série de divisões, com isso
os núcleos começam a migrar para o córtex, ou para a periferia do ovo.
Uma vez localizados no córtex, os núcleos sofrem outras 3 divisões que vão
levar a formação da camada única de aproximadamente 6.000 núcleos
circundando ao vitelo central. Com um período de aproximadamente 1 hora,
da segunda à terceira hora depois da fertilização, as membranas celulares
são formadas entre os núcleos adjacentes.
As rápidas divisões nucleares acontecem durante as primeiras 2 horas
da embriogênese de Drosophila impedem a expressão precoce de genes
críticos de padronização. Considerando o gene da gastrulação curta. O gene
sog codifica um inibidor da sinalização de BMP que é importante para a
padronização do ectoderma dorsal, durante 2,5 a 3 horas depois da
fertilização. A unidade de transcrição de sog possui 20 kb. Sendo o RNA
polimerase II, contendo um taxa de alongamento bastante baixa. Com isso
há o resultado, levando aproximadamente 20 minutos para a transcrição
completa de sog e a síntese do mRNA maduro completo. As primeiras 11
rodadas de divisões nucleares acontecem com uma frequência de apenas 6 a
8 minutos e, consequentemente, não há tempo para a Pol II completar a
transcrição do gene sog durante os breves períodos da intérfase destes ciclos
de divisão. Durante a mitose, a Pol II é liberada do molde de cromatina e
precisa ser reiniciar a transcrição no início do ciclo de divisão subsequente.
Como resultado, nenhum mRNA significativo de sog pode ser sintetizado
durante as primeiras 2 horas de embriogênese.
Um exemplo utilizado, é o tamanho da unidade de transcrição de sog
que ajuda assegurar que os produtos de sog, não sejam sintetizados até
que necessário 2,5 horas após a fertilização. Há outros exemplos, como o
gene homeótico Ubx contém mais de 80 kb de comprimento, e sua
expressão é atrasada em mais de 1 hora em comparação aos genes de
segmentação coexpressos que contêm íntrons pequenos. Antes de iniciar a
formação das membranas celulares, os núcleos são totipotentes ou não
comprometidos: eles ainda não adquiriram uma identidade e ainda podem
originar qualquer tipo de célula. Após a formação das células individuais,
mas os núcleos tornaram-se irreversíveis destinados, a diferenciar em
tecidos específicos da mosca adulta.
Quadro 3. Visão Geral do desenvolvimento de Drosophila
Depoisde iniciar a fusão dos núcleos haploides do espermatozóide e
as clivagens. A maioria, porém não todos, dos cercas 1000 núcleos
resultantes entram nas regiões corticais do óvulo. Os restantes
permanecem nas regiões central , no qual desempenham uma função um
tanto obscura no desenvolvimento. Com isso há outras observações que
devem ser levados à sugestão de que exista uma competição entre os
grande complexos macromoleculares que promovem a replicação e
transcrição. Ao chegar ao córtex, os núcleos sofrem 3 ciclos clivagens. E
isso gera uma densa compactação de cerca de 6.000 núcleos em formato
colunar circundando o vitelo central.
Cada tempo que vai passando eles vão sofrendo divisão. A
localização de cada núcleo é que, vai determinar o destino. Os cercas de
30 núcleos que migram para a região posterior do córtex encontram
determinantes proteicos localizados , como Oskar, que vai programar
esses núcleos indiferenciados para formarem as células germinativas. Os
núcleos posteriores brotam do corpo principal do embrião junto com os
grânulos polares, e as células polares resultantes vão se diferenciar em
espermatozóide ou óvulo.
Os núcleos diferentes apresentam padrões diferentes de transcrição
gênica antes do término da formação das células localizadas nas regiões
anteriores do embrião irão formar estruturas da cabeça da mosca adulta,
enquanto as células localizadas nas regiões posteriores irão formar
estruturas abdominais.
Eric Wieschaus, fez triagens genéticas sistemáticas, que
identificaram aproximadamente 30 genes de segmentação que controlam a
padronização das Drosophila. Metade da embriogênese, a pele ventral ou
epiderme, secreta cutícula que contém vários pelos finos ou dentículos.
Sendo que cada segmento corporal do embrião tem um padrão
característico de dentículos. Essas mutações são chamadas de genes gap
que causam a deleção de vários segmentos. Mutações nos genes regra de
pares, podem causar perda de segmentos alternados.
Um gradiente regulador controla a padronização dorsoventral do
embrião de Drosophila
A padronização dorsoventral do embrião precoce de Drosophila é
controlada por uma proteína reguladora chamada Dorsal, inicialmente
distribuída por todo o citoplasma do óvulo não fertilizado.
Depois que ocorre a fertilização e os núcleos chegarem ao córtex do
embrião, a proteína Dorsal entra nos núcleos chegarem ao córtex do
embrião, a proteína Dorsal entra nos núcleos das regiões ventral e lateral,
enquanto permanece no citoplasma nas regiões dorsais.
O transporte regulado da proteína Dorsal no núcleo é controlado por
uma molécula celular sinalizadora, chamada spatzle. A ativação de alguns
genes alvo de Dorsal requer níveis elevados da proteína Dorsal, enquanto
outros podem ser ativados por níveis intermediários e baixos
respectivamente.
Dessa forma o gradiente Dorsal específica 3 limiares principais de
expressão gênica ao longo do eixo dorsoventral dos embriões que estão
sofrendo a celularização, cerca de 2 horas após a fertilização.
Estes limiares iniciam a diferenciação de três tecidos distintos:
mesoderma, ectoderma neurogênico ventral e ectoderma neurogênico
dorsal.
A segmentação é iniciada por RNAs localizados nos pólos anterior e
posterior do óvulo não fertilizado
Quando acontece a fertilização do óvulo de Drosophila contém dois
mRNAs localizados. Um, o mRNA de bicoide, localiza- se no pólo anterior,
enquanto o outro mRNA de oskar, está localizado no polo posterior.
Ele vai codificar uma proteína de ligação ao RNA responsável pela
reunião dos grânulos polares. Eles controlam o desenvolvimento de tecidos
que surgem a partir de regiões posteriores do embrião inicial, que inclui o
abdome e as celular polares, que são as precursoras das células
germinativas.
O mRNA de oskar é sintetizado pelo ovário da mosca- mãe. Primeiro,
ele é inicialmente depositado na extremidade anterior do óvulo imaturo, ou
oócito, por celular auxiliares chamadas de células nutridoras.
O oócito de Drosophila é altamente polarizado. O núcleo está
localizado nas regiões anteriores, os microtúbulos em crescimento
estendem- se do núcleo para o citoplasma posterior. O mRNA de oskar
interage com proteínas adaptadoras associadas às extremidades.
Sinergia de ativadores
Proteínas reguladoras bacterianas, como lac e os repressores de λ,
ligam se como dímeros com alta afinidade. Em leveduras o ativador Gal4
ligam –se como dímeros com alta afinidade para induzir a expressão de Gal1
e outros genes necessários para o metabolismo da galactose. Em
contrapartida, células animais tendem a ser desprovidas de tais fatores de
transcrição dedicados.
Muitos ou a maioria destes fatores ligam-se ao DNA como monômeros
com baixas afinidades. Como consequência, a regulação gênica
inerentemente mais combinatória em células animais do que em bactérias
ou leveduras. Múltiplas proteínas ligando-se a múltiplos sítios são
necessárias para alcançar a ativação ou a repressão da expressão gênica. O
princípio do controle gênico combinatório é uma característica global do
desenvolvimento animal.
Bicoide e nanos regulam o gene hunchback
A proteína reguladora Bicoide é sintetizada antes do término da
delimitação das células individuais. Como resultado, ela difunde- se de sua
origem de síntese, no pólo anterior, e distribui-se em um amplo gradiente de
concentração por todo o embrião precoce. Concentrações altas e
intermediárias de bicoide são suficientes para ativar hunchback, que é
essencial para a subdivisão do embrião em uma série de segmentos.
O gene hunchback é, na verdade, transcrito a partir de dois
promotores: um é ativado pelo gradiente de bicoide, e o outro controla a
expressão no oócito em desenvolvimento. Este último, um promotor
´´materno´´, resulta na síntese de mRNA de hunchback distribuído
igualmente pelo citoplasma dos óvulos não fertilizados. Nas regiões
posteriores, a tradução desse transcrito materno está bloqueada por uma
proteína de ligação ao RNA chamada Nanos.
Nanos, por usa vez, é encontrada apenas nas regiões posteriores,
porque seu mRNA é localizado seletivamente nessa região, por meio de
interações entre a sua 3´-UTR e os grânulos polares discutidos
anteriormente.
Nicho da célula tronco
Em Drosophila, o óvulo ou oócito surge a partir de uma célula tronco
precursora chamada célula tronco de linhagem germinativa. Sabe se
bastante a respeito da transcrição de GSCs em oócitos no ovário de
Drosophila, e é provável que muitos aspectos deste mecanismo se apliquem
ao desenvolvimento de outras classes de células tronco em moscas e seres
humanos.
Células tronco proliferam apenas quando estão em contato físico
direto com células especializadas, coletivamente conhecidas como nicho, o
qual produz um sinal que desencadeia proliferação.
Portanto, a escolha básica da célula tronco entre proliferação e
diferenciação em oócito depende da regulação da expressão de bam.
Hoje nós sabemos que a regulação é mediada por um silenciador na
região reguladora 5´de bam, com a sequência GRCGNC(N)5GTCTG.
A sinalização por Dpp desencadeia o transporte nuclear de 2 proteínas
reguladoras Smad, chamadas Mad e Medea.
Limiares de gradiente
Foram vistos vários exemplos de gradientes reguladores produzindo
diferentes padrões de expressão gênica. Sonic hedgehog e seu efetor
transcricional gli estabelecem padrões diferenciais de expressão de Nkx2.2,
olig. 2 e pax 6 no tubo neural em desenvolvimento de embriões vertebrados.
O gradiente Dorsal gera diferentes padrões de expressão gênica no
mesoderma ventral, no ectoderma lateral (neurogênico) e no ectoderma
dorsal de embriões Drosophila pré celulares.
O famoso gradiente Bicoide estabelece padrões sequenciais de expressão
gênica de ´´ gap ´´ ao longo do eixo anteroposterior do embrião pré-celular.
Múltiplos reforçadores garantem a precisão da regulação de hunchback
A ativação do gene hunchback é realizada por dois reforçadores com
arranjos semelhantes de sítios de ligação a Bicoidee atividades reguladoras
igualmente semelhantes (Fig. 18). Assim como em hunchback, vários outros
genes de padronização são regulados por reforçadores múltiplos, produzindo
um padrão de ativação gênica mais preciso. Além disso, em grandes
populações de embriões a presença de múltiplos reforçadores evita que
variações ambientais afetam o seu desenvolvimento. O gene regulador
shavenbaby, por exemplo, é regulado por cinco reforçadores, dispostos ao
longo de 40 kb a montante do sítio de início da transcrição. Ele é importante
para o desenvolvimento de pequenos pelos sensoriais dorsais em embriões
avançados, e a remoção de um reforçador resulta em menor quantidade ou
deformação dos pelos.
Figura 18. Regulação do gene hunchback por dois reforçadores. Em (a), o reforçador distal
foi removido, resultando em uma expressão não restrita à região anterior. Em (b), o
reforçador proximal foi removido, resultando na expressão pontual na região anterior. Em
(c), expressão normal do gene, com os dois reforçadores intactos. Fonte: Biologia Molecular
do Gene, 7ª ed., 2015.
O gradiente do repressor Hunchback estabelece diferentes limites de
expressão dos genes gap
A proteína Hunchback atua como um repressor transcricional para os
genes Kruppel, knirps e giant (genes gap), e com os produtos desses genes
para produzir faixas de segmentação da expressão gênica, primeira etapa da
subdivisão do embrião em segmentos corporais. Hunchback encontra-se
distribuída ao longo do futuro tórax e abdome, e seu gradiente determina a
repressão dos genes gap. Altos níveis da proteína reprimem Kruppel,
enquanto níveis intermediários e baixos reprimem knirps e giant,
respectivamente. Em Hunchback, o que determina o nível de repressão é o
número de sítios de ligação à proteína nos reforçadores dos genes: quanto
menos sítios, maior a concentração da proteína exigida para a repressão.
Kruppel possui três sítios, enquanto giant possui sete (Fig. 19).
Figura 19. Repressão dos genes gap por Hunchback. Em (a), níveis de expressão de
Kruppel, knirps e giant segundo o gradiente anteroposterior da proteína. Em (b), sítios de
ligação à Hunchback nos reforçadores de Kruppel e giant. Fonte: Biologia Molecular do
Gene, 7ª ed., 2015.
As proteínas gap e Hunchback produzem faixas de segmentação da
expressão gênica
O gene even-skipped, ou eve, é um gene “pair-rule” cuja expressão se
inicia com os mRNAs localizados bicoide e oskar. Ele é expresso em sete
faixas alternadas, compostas por quatro células e distribuídas por todo o
embrião. As regiões “interfaixas” expressão pouca ou nenhuma eve, e as
faixas adjacentes estabelecem a futura subdivisão dos segmentos corporais
do embrião. Enquanto a sequência codificadora de eve é relativamente
pequena, com 2 kb, as sequências reguladoras flanqueadoras são
compostas por 4 kb a 5’ do sítio de início da transcrição e cerca de 8 kb na
região 3’ do gene (Fig. 20). As sequências reguladoras possuem 5
reforçadores que, juntos, produzem as sete faixas de expressão de eve no
embrião.
O reforçador da faixa 2, localizado a 1 kb a montante do sítio de início
da transcrição, contém sítios de ligação para as proteínas Hunchback,
Bicoide, Kruppel e Giant. Hunchback e Bicoide ativam o reforçador em toda
a metade anterior do embrião, e Giant e Kruppel reprimem o reforçador e
controlam os limites do padrão da faixa 2 (Fig. 21).
Figura 20. Em (a), as sete faixas de expressão de eve no embrião em desenvolvimento, com
as faixas 2 e 3 indicadas. Em (b), sequências reguladoras flanqueadoras do gene eve, com
dois reforçadores a 5’ e três reforçadores a 3’. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed.,
2015.
Figura 21. Em (a), sítios de ligação no reforçador da faixa 2 aos repressores Kruppel e Giant
e ativadores Bicoide e Hunchback. Em (b), distribuição dessas proteínas reguladoras no
embrião inicial de Drosophila. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Quadro 7. Sequências reguladoras em cis no desenvolvimento e
evolução animal
Em genomas animais, as sequências reguladoras em cis estão
organizadas de maneira modular, facilitando a diversidade morfológica.
Um gene expresso em múltiplos órgãos e tecidos possuirá reforçadores
separados para cada um destes locais de expressão. E como os padrões de
expressão alteram-se durante a evolução? A alteração de nucleotídeos em
sítios de ligação a ativadores elimina a expressão gênica em um tecido ou
tipo celular durante a evolução. Em peixes esgana-gata, por exemplo,
existem variantes naturais que são desprovidas de nadadeiras pélvicas. O
locus gênico principal envolvido na redução da nadadeira está mapeado na
região flanqueadora 5’ do gene Pitx1, onde ocorrem mutações de ponto em
sítios cruciais de ativadores no reforçador do “membro posterior” (Fig. 1)
Quadro 7 - Figura 1. Gene de controle
do desenvolvimento, Pitx1. Em (a),
representação de uma mutação nula
letal no segundo éxon do gene. Em (b),
mutação no reforçador do “membro
posterior”, em peixes esgana-gata com
nadadeiras pélvicas reduzidas. Fonte:
Biologia Molecular do Gene, 7ª ed.,
2015.
A evolução de padrões de pigmentação distintos em espécies
diferentes de Drosophila também é derivada de alterações em sequências
modulares em cis-reguladoras. Mutações no locus yellow (y) resultam em
moscas com coloração amarela desprovidas de focos localizados de
melanina. Esse gene é regulado por reforçadores separados para a
expressão em cerdas, asas e abdome. Mutações de ponto no reforçador da
asa levam à ausência de um ponto de pigmentação específico da asa do
macho adulto importante para o ritual da corte (Fig. 2).
Quadro 7 - Figura 2. Em (a), estrutura do reforçador a montante do sítio de início da
transcrição do gene yellow. Em (b), pigmentação normal na asa de macho adulto de D.
elegans e em (c), asa sem pigmentação em macho adulto de D. gunungcola. Fonte:
Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Novos padrões de expressão gênica podem surgir também por meio
da perda de elementos repressores. Um possível exemplo é visto para o
gene da lactase (LCT) em humanos, o qual é expresso em altos níveis no
intestino delgado de crianças, enquanto são amamentadas, e desligado
após a adolescência. Certas populações humanas retém a expressão do
gene na fase adulta, o que está relacionado à sociedades pastoris que
continuam a usar leite na dieta mesmo após a amamentação. Essa
persistência está ligada a substituições de nucleotídeos na sequência
intrônica do gene MCM6, a 5’ do LCT, que danificam elementos
repressores que reprimem LCT após a adolescência (Fig. 3).
Quadro 7 - Figura 3. Estrutura do gene LCT e sua região reguladora 5’ a montante.
Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed 2015.
Gradientes de repressores de gap produzem diversas faixas de
expressão gênica
O mecanismo básico de regulação dos reforçadores de eve é o mesmo
do observado para o reforçador da faixa 2: uma ação conjunta entre
ativadores ubíquos e repressores localizados. O reforçador da faixa 3, por
exemplo, é ativado por proteínas de ampla distribuição e limitado pelos
repressores Hunchback e Knirps. O reforçador da faixa 4 também é
reprimido por essas duas proteínas, mas as concentrações necessárias são
diferentes. Níveis baixos de Hunchback reprimem o reforçador da faixa 4,
mas não o reforçador da faixa 3, enquanto níveis mais elevados de Knirps
são necessários para a repressão do reforçador da faixa 4 do que para o
reforçador da faixa 3. Isso ocorre porque o reforçador da faixa 3 tem
relativamente poucos sítios de ligação a Hunchback, mas muitos para
Knirps, enquanto no reforçador da faixa 4 ocorre o contrário (Fig. 22). É
provável que esse mecanismo de regulação seja válido para a expressão de
outros genes com padrão “pair-rule”.
Figura 22. Regulação diferencial dos reforçadores das faixas 3 e 4 de eve, por gradientes
opostos de repressores Hunchback e Knirps. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed.,
2015.
Repressores transcricionais de curto alcancepermitem que diferentes
reforçadores atuem independentemente na complexa região reguladora
de eve
Como foi visto, a regulação por múltiplos reforçadores separados que
atuam conjuntamente é um mecanismo presente em diversos loci gênicos
envolvidos no desenvolvimento, como em eve. No coração e no sistema
nervoso central (SNC) de embriões mais avançados, o gene eve é até mesmo
regulado por mais de cinco reforçadores. A independência dos reforçadores e
o seu efeito aditivo na expressão gênica são garantidos pelo mecanismo de
repressão transcricional de curto alcance. Dessa forma, os repressores
ligados a um reforçador não afetam os ativadores presentes na mesma
sequência reguladora. O repressor Kruppel, por exemplo, atua somente no
reforçador da faixa 2, não afetando o promotor central ou o reforçador da
faixa 3 (Fig. 23). Portanto, o curto alcance da repressão transcricional
garante a autonomia dos múltiplos reforçadores.
Figura 23. Repressão de curto alcance de Kruppel e autonomia dos reforçadores de eve.
Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7ª ed., 2015.
Genes homeóticos: uma importante classe de reguladores do
desenvolvimento
A análise genética do desenvolvimento de Drosophila levou á
descoberta de uma importante classe de genes reguladores, os genes
homeóticos. Os dois genes mais estudados são os genes Antp e o Ubx.
O gene Antp controla o desenvolvimento do tórax, o mesotorax.O
mesotorax produz um par de patas que são morfologicamente diferentes das
demais. Antp codifica uma proteína reguladora com homeodomínio,
normalmente expressa no mesotórax do embrião em desenvolvimento.
O gene Ubx (Ultrabithorax) codifica uma proteína reguladora com
homeodomínio que controla o desenvolvimento do terceiro segmento
torácico, o mesotorax. Ubx reprime a expressão de Antp no metatórax e
restringe sua expressão ao mesotórax de embriões em desenvolvimento.
Em moscas adultas, o mesotorax contém um par de patas e asas,
enquanto no metatórax contém um par de patas e halteres. A expressão do
Ubx no metatórax depende da sequência reguladoras. A mutação chamada
Cbx (contrabithorax) atrapalha o DNA que regula o Ubx sem decodificar a
proteína Ubx. A mutação do Cbx provoca a expressão incorreta do Ubx no
mesotórax, que reprime a expressão de Antp, e de outros genes responsáveis
pelo desenvolvimento normal do mesotórax, resultado na duplicação do
metatórax, onde as asas são transformadas em halteres.
Alterações na expressão de genes homeóticos são responsáveis pela
diversidade dos artrópodes
O ímpeto pelo pesquisa em evo-devo é que a análise genética do
desenvolvimento em moscas, vermes nematódeos e outros modelos
experimentais identificou genes cruciais responsáveis pela diversidade
evolutiva. Os oito genes homeóticos de Drosophila localizam-se em dois
agrupamentos ou complexos gênicos: o complexo Antennapedia e o
complexo Bithorax. Cinco dos oitos genes localizam- se no complexo
antennapedia e os três restantes no complexo Bithorax. Nos complexo
Antennapedia, existem outros quatro genes homeóticos: labial (lab),
proboscipedia (pb), deformed (Dfd) e Sex combs reduced (Scr). Da mesma
maneira o complexo Bithorax dois genes homeóticos nesse complexo:
abdominal-A (abd-A) e o abdominal-B (abd-B).
Alterações na expressão de Ubx explicam as modificações dos membros
entre os crustáceos
Os crustáceos constituem a maioria dos artrópodes com capacidade
de nadar, alguns vivem nos oceanos e outros em água doce, eles incluem
algum de nosso pratos favoritos, como camarão,caranguejo e lagosta.
Um dos grupos de crustáceos mais populares para estudo é o Artemia.
Artemia pertence a uma ordem de crustáceos conhecidos como
branquiópodes. Considera-se uma ordem diferente de crustáceo, os
chamados isópodes. Os isópodes contém membros natatório a partir do
segundo ao oitavo segmentos torácicos, assim como os branquiópodes, mas
nos isópodes, os membros do primeiro segmento torácico foram modificados
para alimentação, estrutura chamada de maxilípedes.
Como os insetos perderam seus membros abdominais
Todos os insetos têm seis patas, duas em cada um dos três segmentos
torácicos, isso é válido para todas as espécies de insetos.
A perda de membros no abdome dos insetos, não se deve às alterações
de expressão de genes determinantes de padrões. Se deve a alterações
funcionais na proteína reguladora Ubx
Nos insetos, Ubx e abd-A reprime a expressão de um gene essencial
para o desenvolvimento dos membros, chamado Distal-less.
Nos crustáceos, como o branquiópode, níveis elevados de Ubx e de Dll
são encontrados em todos os 11 segmentos torácicos.
A modificação dos membros de voo pode ter surgido a partir da
evolução de sequências reguladoras de DNA
Ubx dominou a discussão sobre modificação morfológica nos artrópodes.
Nos crustáceos, as alterações na expressão do Ubx parecem responsáveis
pela transformação de membros natatórios para maxilípedes. A perda do
motivo de antirrepressão na proteína Ubx aparentemente contribuiu para a
supressão da perda dos membros abdominais nos insetos. Agora revemos
evidências de que alterações nas sequências reguladoras dos genes-alvo da
Ubx poderiam explicar as diferentes morfologias de asas em mosca-de-fruta
(Drosophila) e borboletas.
Em Drosophila, Ubx atua como repressor do desenvolvimento das asas
nos halteres em desenvolvimento, 5 a 10 genes-alvo são reprimidos por Ubx
e estes codificam proteínas essenciais para o crescimento e padronização
das asas, sendo que todos são expressões nas asas em desenvolvimento.
Nos mutantes de Ubx, esses genes não são mais reprimidos nos halteres,
consequentemente, desenvolvem-se em um segundo conjunto de asas.
As drosófilas são dípteros e todas possuem um par de asas e um
conjunto de halteres. As borboletas pertencem à ordem lepidópteros e todos
dessa ordem possuem, ao invés de um par de asas e um conjunto de
halteres, dois pares de asas (Fig. 31-a). Qual a base das morfologias
diferentes das asas de drosófilas e borboletas? Ambas as ordens divergiram
de um mesmo ancestral há mais de 250 milhões de anos, tempo suficiente
para alterar a função do gene Ubx. O mecanismo mais simples seria a
modificação do padrão de expressão do Ubx, de forma que ele fosse perdido
nos progenitores das asas traseiras do lepidópteros e permitisse a expressão
dos genes comumente reprimidos pelo Ubx (fig. 31-b). A alteração nos
isópodes dos membros natatórios em maxilípedes constitui um precedente
claro para tal mecanismo, no entanto, não existe uma alteração óbvia da
expressão padrão do Ubx entre moscas e borboletas (Ubx expresso em altos
níveis nas borboletas).
O que nos deixa com duas possibilidades: ou a proteína Ubx é
funcionalmente dessemelhante em borboletas e moscas, ou houveram
alterações nos DNAs reguladores de cada 5 a 10 genes-alvo reprimidos em
drosófilas de forma que não sejam mais reprimidos em borboletas.
Figura 31: Alterações no DNA regulador dos genes-alvo de Ubx. A) O repressor Ubx é
expresso nos halteres dos dípteros e na asa traseira dos lepidópteros (em laranja). B) Em
dípteros, diferentes genes-alvo contêm sítios para o repressor Ubx. Esses sítios foram
perdidos nos lepidópteros. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7º ed., 2015.
Parece mais fácil modificar a atividade repressora do que modificar a
sequência reguladora. No entanto, a Ubx parece funcionar igualmente tanto
em drosófilas quanto em borboletas, ou seja, as modificações nas
sequências reguladoras dos genes-alvo do Ubx são as responsáveis pelas
diferentes morfologias das asas.
Diversos animais possuem conjuntos de genes notavelmente
semelhantes
A descoberta mais surpreendente ao se comparar e analisar genomas é o
fato de que animais altamente divergentes compartilham conjuntos de genes
conservados. Um olhar para os conjuntos de genes essenciais para as
características distintivas de cada animal é fornecido pelo mapeamento da
sequência genômica do eucarioto unicelular Monosiga, parente vivo mais
próximosdos animais contemporâneos. Ainda assim, é um organismo
desprovido de muitos dos genes necessários para o desenvolvimento animal,
de genes reguladores responsáveis pela atividade gênica diferencial nos
embriões de animais.
Assim, a transição evolutiva de eucariotos simples para animais
modernos precisou da criação de um grande número de genes novos,
inexistentes em organismos mais simples que viviam nos oceanos antigos há
mais de 1 bilhão de anos.
Muitos animais possuem genes anômalos
Apesar do conjunto constante de genes básicos para o
desenvolvimento de todos os animais, o “kit de ferramentas”, cada genoma
contém seu atributo característico.
Considerando o caso das ascídias, cujos indivíduos adultos são
sésseis, vivem em poças filtrando água do mar e possuem uma camada
protetora “emborrachada” de tunicina. Antes da codificação do genoma
cogitava-se que vivessem em simbiose com um organismo produtor da
camada de tunicina. No entanto, acídias possuem um gene que codifica a
celulose sintase, enzima utilizada pelas plantas para produção de celulose.
Tal gene é ausente em praticamente todos os animais, então por que é
presente em ascídias? Simples, a tunicina utilizada na camada protetora é
um biopolímero relacionado a celulose vegetal.
Outra surpresa está no genoma do ouriço-do-mar com os genes RAG1
e RAG2, necessários para o rearranjo dos genes de imunoglobulina em
humanos e outros vertebrados. Antes de sua codificação, acreditava-se que
um ancestral dos vertebrados modernos havia adquirido um transposon ou
vírus contendo RAG1 e RAG2. No entanto, encontrar esses genes no genoma
do ouriço-do-mar indica que um ancestral muito mais distante, um
progenitor dos Deuterostômios (que divergiram em cordados e equinodermos
modernos), adquiriu os genes RAG.
Figura 31: Filogenia dos Deuterostomios. Fonte: Biologia Molecular do Gene, 7º ed., 2015.
A sintenia é evolutivamente antiga
Sintenia é a conservação de ligações genéticas entre indivíduos
evolutivamente distantes, ela existe entre humanos, camundongo e até
mesmo com o peixe baiacu, que compartilhou ancestral com os mamíferos
há mais de 400 milhões de anos. Ainda mais impressionante, humanos e
invertebrados simples como as anêmonas-do-mar que compartilharam
ancestral comum há mais de 700 milhões de anos, bem antes da radiação
Cambriana que deu origem a maioria dos filos animais modernos.
Figura 33: Sintenia entre anêmonas-do-mar e seres humanos. Fonte: Biologia Molecular do
Gene, 7º ed., 2015.
Em procariotos a ligação genética é essencial, uma vez que os genes
ligados são corregulados em um operon comum. Tal ligação, no entanto, não
os configura maior probabilidade de expressão do que os genes não ligados.
Por exemplo, não há sintenia óbvia no arranjo de genes relacionados em
mamíferos (como humanos e camundongos) e genomas de invertebrados
(como as drosófilas). No entanto, genomas de moscas-de-fruta e nematóides
sofreram rearranjos e alterações distintas não encontrados em outros
genomas.
O sequenciamento em alta escala está sendo utilizado para explorar as
origens humanas
A capacidade de sequenciar grandes quantidades de DNA de forma
rápida e barata criou a oportunidade de analisar o genoma neandertal.
Existem evidências que os humanos modernos e os neandertais coexistiram
em alguns lugares cerca de 30 mil anos atrás. Através da comparação
detalhada entre os genomas recolhidos de um fóssil de neandertal com os
genomas de chimpanzés e seres humanos foi possível observar
correspondência de sequências, sugerindo que houve mistura entre
neandertais e humanos modernos, que provavelmente acasalaram e
resultaram na presença de “genes neandertais” no genoma humano
moderno.