Introdução à Genética
13 Controle Genético do Desenvolvimento
Expressão gênica em um embrião de mosca-das-frutas em desenvolvimento. As sete listras magenta marcam as células que expressam o mRNA de um gene que codifica uma proteína reguladora que controla o número de segmentos no embrião de Drosophila. A regulação espacial da expressão gênica é central para o controle do desenvolvimento animal. (Dave Kosman, Ethan Bier e Bill McGinnis.)
TÓPICOS
13.1 Abordagem genética do desenvolvimento
13.2 Toolkit genética para o desenvolvimento de Drosophila
13.3 Definição da toolkit inteira
13.4 Regulação espacial da expressão gênica no desenvolvimento
13.5 Regulação pós-transcricional da expressão gênica no desenvolvimento
13.6 De moscas a dedos, penas e placas do assoalho | Os muitos papéis dos genes toolkit
13.7 Desenvolvimento e doença
RESULTADOS DE APRENDIZAGEM
Após ler este capítulo, você será capaz de:
• Distinguir os membros da toolkit genética para o desenvolvimento de outros genes e
explicar como eles são identi cados
• Correlacionar onde e quando os genes reguladores de padrões são expressos durante o
desenvolvimento com os fenótipos que resultam de mutações neles
• Explicar exemplos de como padrões de expressão gênica espacialmente restritos são
gerados durante o desenvolvimento
• Relacionar as funções bioquímicas das proteínas toolkit aos seus efeitos sobre o
desenvolvimento dos corpos ou das partes corporais
• Identi car componentes homólogos da toolkit genética em diferentes los de animais.
D e todos os fenômenos na biologia, poucos inspiram mais admiração do que a formação de um animal complexo a partir de uma célula única, o zigoto. Nessa transformação espetacular, forças invisíveis organizam a massa de células em divisão em uma forma com uma cabeça e uma cauda distintas, vários apêndices e muitos órgãos. O grande geneticista Thomas Hunt Morgan não ficou imune a esse apelo estético:
Um zigoto transparente, na medida em que se desenvolve, é um dos objetos mais fascinantes no
mundo dos seres vivos. A contínua alteração na forma que ocorre hora a hora nos intriga em
virtude de sua grande simplicidade. Os padrões geométricos que se apresentam a cada mudança
convidam à análise matemática […] Esse espetáculo faz um apelo irresistível aos lados
emocional e artístico de nossa natureza.1
Entretanto, por toda a sua beleza e fascinação, biólogos foram confundidos durante décadas a respeito de como a forma biológica é gerada durante o desenvolvimento. Morgan também disse que “se o mistério que circunda a embriologia sequer chegar a ser da nossa compreensão, devemos [...] recorrer a outros meios além da descrição do espetáculo que se apresenta”.
A longa estagnação na embriologia durou muito mais do que a época de
Morgan nas décadas de 1910 e 1920, mas finalmente foi rompida por geneticistas que trabalhavam muito na tradição da genética ao estilo de Morgan e com seu modelo genético favorito e mais produtivo, a mosca-das-frutas Drosophila melanogaster.
Os catalisadores-chave para a compreensão da formação dos animais
foram as descobertas de monstros genéticos — moscas-das-frutas mutantes
com alterações dramáticas das estruturas corporais (Figura 13.1). Nos primórdios da genética de Drosophila, mutantes raros com transformações espetaculares de partes do corpo surgiram espontaneamente ou como subprodutos de outros experimentos. Em 1915, Calvin Bridges, então aluno de Morgan, isolou uma mosca com uma mutação que fazia com que as pequenas asas traseiras (halteres) da mosca-das-frutas se assemelhassem às grandes asas dianteiras. Ele apelidou o mutante de bithorax. A transformação em mutantes bithorax é denominada homeótica (do grego homeos, que significa o mesmo ou semelhante), tendo em vista que uma parte do corpo (a asa traseira) é transformada e se assemelha a outra (a asa
dianteira), conforme demonstrado na Figura 13.1 B. Subsequentemente, diversos outros mutantes homeóticos foram identificados em Drosophila, tais como o dramático mutante Antennapedia, no qual pernas se
desenvolvem no lugar das antenas (Figura 13.1 C).
Os efeitos espetaculares dos mutantes homeóticos inspiraram o que se
tornaria uma revolução na embriologia, após terem sido disponibilizados recursos de biologia molecular para compreender o que os genes homeóticos codificavam e como exerciam tamanha influência no desenvolvimento de partes corporais inteiras. Surpreendentemente, esses estranhos genes da mosca-das-frutas se tornaram um passaporte para o estudo de todo o reino animal, na medida em que foram descobertos correspondentes desses genes que desempenhavam papéis semelhantes em quase todos os animais.
FIGURA 13.1 Em mutantes homeóticos, a identidade de uma estrutura corporal foi alterada para outra. A. Mosca normal com um par de asas dianteiras no segundo segmento torácico e um par de pequenas asas traseiras no terceiro segmento torácico. B. Mutante triplo para três mutações no gene Ultrabithorax. A função de Ubx é perdida na parte posterior do tórax, o que causa o desenvolvimento de asas dianteiras no lugar das asas traseiras. C. Mutante Antennapedia, no qual as antenas são transformadas em pernas. (Sean Carroll.)
O estudo do desenvolvimento de animais e plantas é uma disciplina
muito ampla e ainda em crescimento. Como tal, não tentamos uma visão geral abrangente da embriologia. Em vez disso, neste capítulo, enfocaremos alguns poucos conceitos gerais que ilustram a lógica do controle genético do desenvolvimento de animais. Exploraremos como a informação para a construção de estruturas complexas é codificada no genoma. Contrariamente ao controle da regulação gênica em células únicas bacterianas ou eucarióticas, o controle genético da formação e da padronização corporal é fundamentalmente uma questão de regulação gênica no espaço tridimensional e no tempo. Veremos, ainda, que os princípios que regem o controle genético do desenvolvimento estão