Introdução à Genética
Organização e expressão dos genes Hox
Uma mutação pode causar uma perda de função do gene homeótico onde
o gene normalmente atua ou pode causar um ganho de função homeótica onde o gene homeótico normalmente não atua. Por exemplo, o gene Ultrabithorax (Ubx) atua no desenvolvimento da asa traseira, promovendo o desenvolvimento da asa traseira e reprimindo o da asa dianteira. Mutações de perda de função em Ubx transformam a asa traseira em dianteira. Mutações de ganho de função dominantes em Ubx transformam a asa dianteira em traseira. De modo semelhante, as transformações de antena em perna dos mutantes Antennapedia (Antp) são causadas pelo ganho dominante de função de Antp na antena. Além dessas transformações na identidade dos apêndices, as mutações homeóticas podem transformar a identidade de segmentos, fazendo com que um segmento corporal do adulto ou da larva se assemelhe a outro.
Embora os genes homeóticos tenham sido identificados pela primeira vez
por meio de mutações espontâneas que afetam moscas adultas, eles são necessários durante a maior parte do desenvolvimento de uma mosca. Pesquisas sistemáticas em relação a genes homeóticos levaram à identificação de oito loci, atualmente denominados genes Hox, que afetam a identidade dos segmentos e de seus apêndices correlatos em Drosophila. Em geral, a perda completa de qualquer função dos genes Hox é letal no início do desenvolvimento. As mutações dominantes que transformam adultos são viáveis nos heterozigotos, tendo em vista que o alelo do tipo selvagem proporciona a função gênica normal no animal em desenvolvimento.
Organização e expressão dos genes Hox Uma característica muito intrigante dos genes Hox é que eles estão agrupados em dois complexos gênicos que estão localizados no terceiro cromossomo de Drosophila. O complexo Bithorax contém três genes Hox e o complexo Antennapedia, cinco. Além disso, a ordem dos genes nos complexos e no cromossomo corresponde à ordem das regiões corporais, da cabeça à cauda, que são influenciadas por cada gene Hox.
A relação entre a estrutura dos complexos de genes Hox e os fenótipos
dos mutantes de genes Hox foi esclarecida pela caracterização molecular dos genes. A clonagem molecular das sequências que compreendem cada locus Hox forneceu os meios para analisar onde no animal em desenvolvimento cada gene é expresso. Esses aspectos espaciais da expressão e da regulação gênica são cruciais para compreender a lógica do controle genético do desenvolvimento. Em relação aos genes Hox e a outros genes toolkit, o desenvolvimento de tecnologias que tornaram possível a visualização da expressão gênica e proteica foi crucial para a compreensão da relação entre a organização gênica, a função gênica e os fenótipos mutantes.
Duas tecnologias principais para a visualização da expressão gênica em
embriões ou outros tecidos são (1) a expressão de transcritos de RNA visualizada por meio de hibridização in situ e (2) a expressão de proteínas visualizadas por meio de métodos imunológicos. Cada tecnologia depende do isolamento de clones de cDNA que representam o transcrito de mRNA
maduro e a proteína (Figura 13.4).
No embrião em desenvolvimento, os genes Hox são expressos em
domínios espacialmente restritos, por vezes sobrepostos, dentro do embrião
(Figura 13.5). Os genes também são expressos nos tecidos da larva e da pupa que darão origem às partes corporais do adulto.
Os padrões de expressão dos genes Hox (e outros genes toolkit) em geral
estão correlacionados com as regiões do animal afetadas pelas mutações
gênicas. Por exemplo, o sombreamento azul-escuro na Figura 13.5 indica onde o gene Ubx é expresso. Esse gene Hox é expresso no segmento torácico posterior e na maior parte dos segmentos abdominais do embrião. O desenvolvimento desses segmentos está alterado em mutantes Ubx. O gene Ubx também é expresso nas asas traseiras em desenvolvimento, mas
não nas asas dianteiras em desenvolvimento (Figura 13.6), conforme seria esperado sabendo-se que o Ubx promove o desenvolvimento das asas traseiras e reprime o desenvolvimento das asas dianteiras nesse apêndice.
CONCEITO-CHAVE A expressão espacial dos genes toolkit normalmente está correlacionada de
modo próximo com as regiões do animal afetadas por mutações gênicas.
É crucial distinguir o papel dos genes Hox na determinação da identidade
de uma estrutura daquele papel que regula a sua formação. Na ausência de função de todos os genes Hox, os segmentos são formados, mas todos apresentam a mesma identidade; os membros também podem se formar, mas apresentam a identidade de antenas; e, de modo semelhante, as asas podem se formar, mas apresentam a identidade de asas dianteiras. Outros genes controlam a formação de segmentos, membros e asas e serão descritos posteriormente. Primeiramente, precisamos compreender como os genes Hox exercem seus efeitos dramáticos sobre o desenvolvimento da mosca.
FIGURA 13.4 As duas tecnologias principais para visualizar onde um gene é transcrito ou onde a proteína que ele codifica é expressa, são (esquerda) a hibridização in situ de sonda de RNA complementar ao mRNA e (direita) a imunolocalização da expressão proteica. Estão resumidos os procedimentos em relação a cada método. Os padrões de expressão podem ser visualizados como o produto de uma reação enzimática ou de um substrato cromogênico ou com compostos marcados com fluorescência.