Expressão dos genes toolkit

• A quinta classe inclui os genes Hox já discutidos; os mutantes Hox não

afetam o número de segmentos, mas alteram o aspecto de um ou mais

segmentos.

 

Expressão dos genes toolkit

Para compreender a relação entre genes e o fenótipo mutante, precisamos saber a ocasião e a localização dos padrões de expressão dos genes e a natureza molecular dos produtos gênicos. Os padrões de expressão dos genes toolkit correspondem de modo nítido aos seus fenótipos, uma vez que com frequência estão precisamente correlacionados com as partes do corpo em desenvolvimento alteradas nos mutantes. Cada gene é expresso em uma região que pode ser mapeada para coordenadas específicas ao longo de cada eixo do embrião. Por exemplo, a proteína Bicoid de efeito materno é expressa em um padrão graduado que emana do polo anterior do embrião

inicial, a seção do embrião ausente nos mutantes (Figura 13.11 A). De modo semelhante, as proteínas gap são expressas em blocos de células que correspondem às futuras posições dos segmentos que estão ausentes nos

respectivos mutantes de genes gap (Figura 13.11 B). As proteínas de regra dos pares são expressas em padrões listrados surpreendentes: uma listra transversal é expressa a cada dois segmentos, em um total de sete listras, que abrangem os 14 segmentos corporais futuros (a posição e a periodicidade das listras correspondem à periodicidade dos defeitos em

larvas mutantes), conforme demonstrado na Figura 13.11 C. Muitos genes de polaridade do segmento são expressos em listras de células dentro de cada segmento, 14 listras que no total correspondem aos 14 segmentos

corporais (Figura 13.11 D). Observe que os domínios da expressão gênica se tornam progressivamente mais refinados na medida em que o desenvolvimento prossegue: os genes são expressos primeiramente em grandes regiões (proteínas gap), em seguida em listras com três a quatro células de largura (proteínas de regra dos pares) e em seguida em listras com uma a duas células de largura (proteínas de polaridade do segmento).

Além do que aprendemos a partir dos padrões espaciais da expressão de

genes toolkit a ordem de expressão desses genes ao longo do tempo é lógica. A proteína Bicoid de efeito materno aparece antes das proteínas gap zigóticas, que são expressas antes do aparecimento dos padrões de sete listras das proteínas de regra dos pares, que por sua vez precedem os padrões de 14 listras das proteínas de polaridade do segmento. A ordem da expressão gênica e o progressivo refinamento dos domínios no embrião revelam que a produção do plano corporal é um processo passo a passo, com subdivisões importantes do corpo primeiramente delineadas e em seguida refinadas até que um padrão fino seja estabelecido. A ordem de ação gênica sugere adicionalmente que a expressão de um conjunto de genes pode regular a expressão do conjunto de genes seguintes.

FIGURA 13.10 Classes de mutantes de genes de segmentação de Drosophila. Esses diagramas ilustram mutantes gap, regra dos pares e polaridade do segmento representativos. Os trapézios vermelhos são as faixas densas do exoesqueleto observado

na Figura 13.9. O limite de cada segmento está indicado por uma linha pontilhada. O diagrama à esquerda de cada par ilustra uma larva do tipo selvagem e o diagrama à direita ilustra o padrão formado em um determinado mutante. As regiões laranja-claras sombreadas nos diagramas do tipo selvagem ilustram os domínios da larva que estão ausentes ou afetados no mutante.

 

FIGURA 13.11 Os padrões de expressão de genes toolkit correspondem a fenótipos mutantes. Embriões de Drosophila foram corados com anticorpos contra: A. a proteína Bicoid de origem materna; B. a proteína gap Krüppel; C. a proteína de regra dos pares Hairy; D. a proteína de polaridade do segmento Engrailed. Os embriões foram visualizados por meio de métodos imunoenzimáticos (a coloração é marrom) (A) ou com imunofluorescência (a coloração é verde) (B a D). Cada proteína está localizada nos núcleos em regiões do embrião que são afetadas por mutações nos respectivos genes. (As fotomicrografias são cortesia de: A. Ruth Lehmann; B a D. James Langeland.)

 

Uma indicação de que essa progressão de fato é o que ocorre advém da

análise dos efeitos das mutações em genes toolkit na expressão de outros genes toolkit. Por exemplo, em embriões de mães mutantes Bicoid, a expressão de diversos genes gap está alterada, bem como aquela dos genes de regra dos pares e de polaridade do segmento. Esse achado sugere que a proteína Bicoid de algum modo (direta ou indiretamente) influencia a regulação dos genes gap.

Outra indicação de que a expressão de um conjunto de genes pode

regular a expressão do conjunto de genes que se sucede advém do exame dos produtos proteicos. A inspeção da sequência da proteína Bicoid revela que ela contém um homeodomínio, relacionado com o das proteínas Hox, porém distinto dele. Portanto, a Bicoid apresenta as propriedades de um fator de transcrição de ligação ao DNA. Cada gene gap também codifica um fator de transcrição, assim como cada gene de regra dos pares, diversos genes de polaridade do segmento e, conforme descrito anteriormente, todos os genes Hox. Esses fatores de transcrição incluem representantes das famílias mais conhecidas de proteínas sequência-específicas de ligação ao DNA; assim, embora não exista restrição a respeito de a qual família elas possam pertencer, muitas proteínas toolkit de ação precoce são fatores de transcrição. Aquelas que não são fatores de transcrição tendem a ser

componentes de vias de sinalização (Tabela 13.1). Essas vias medeiam processos de sinalização induzidos por ligantes entre as células e seu produto em geral leva à ativação ou à repressão gênica. Portanto, a maior parte das proteínas toolkit afeta a regulação gênica, seja direta (como fatores de transcrição) ou indiretamente (como componentes de vias de sinalização). A maior parte das vias de sinalização opera por meio de lógicas semelhantes, mas apresenta diferentes componentes proteicos e mecanismos de transdução de sinal.

 

CONCEITO-CHAVE A maior parte das proteínas toolkit são fatores de transcrição ou

componentes de vias de transdução de sinal mediadas por ligantes.

 

Os mesmos princípios se aplicam à produção do eixo corporal

dorsoventral, assim como se aplicam ao eixo anteroposterior. O eixo dorsoventral também é subdividido em regiões. Diversos genes de efeito materno, tais como dorsal, são necessários para estabelecer essas regiões em posições distintas do lado dorsal (superior) em relação ao ventral (inferior) do embrião. Os mutantes dorsais são “dorsalizados” e não apresentam estruturas ventrais (tais como o mesoderma e o sistema nervoso). Um punhado de genes que são ativados no zigoto também são necessários para a subdivisão do eixo dorsovenral.

O produto do gene de efeito materno dorsal é um fator de transcrição —

a proteína Dorsal. Essa proteína é expressa em um gradiente ao longo do eixo dorsoventral, com seu mais alto nível de acúmulo em células ventrais

(Figura 13.12 A). O gradiente estabelece sub-regiões de diferentes concentrações da proteína Dorsal. Em cada sub-região, é expresso um conjunto diferente de genes zigóticos que contribuem para a padronização dorsoventral. Os conjuntos de genes zigóticos expressos definem regiões que dão origem a camadas teciduais em particular, tais como o mesoderma e o neuroectoderma (a parte do ectoderma que dá origem ao sistema

nervoso ventral), conforme demonstrado na Figura 13.12 B.

 

Tabela 13.1 Exemplos de genes do eixo A-P de Drosophila que contribuem para a formação de padrões.

 

Papel(éis) no

Símbolo Nome do desenvolvimento

do gene gene Função proteica inicial

 

hb-z hunchback- Fator de transcrição — Gene gap

zygotic proteína zinc- nger

 

Kr Krüppel Fator de transcrição — Gene gap

proteína zinc- nger

kni knirps Fator de transcrição — Gene gap

proteína do tipo

receptor de esteroide

 

eve even-skipped Fator de transcrição — Gene de regra dos pares

proteína de

homeodomínio

 

ftz fushi tarazu Fator de transcrição — Gene de regra dos pares

proteína de

homeodomínio

 

opa odd-paired Fator de transcrição — Gene de regra dos pares

proteína zinc- nger

 

prd paired Fator de transcrição — Gene de regra dos pares

proteína PHOX

 

en engrailed Fator de transcrição — Gene de polaridade do

proteína de segmento

homeodomínio

 

wg wingless Proteína de sinalização Gene de polaridade do

WG segmento

hh hedgehog Proteína de sinalização Gene de polaridade do

HH segmento

 

ptc patched Proteína Gene de polaridade do

transmembrana segmento

 

lab labial Fator de transcrição — Gene de identidade do

proteína de segmento

homeodomínio

 

Dfd Deformed Fator de transcrição — Gene de identidade do

proteína de segmento

homeodomínio

 

Antp Antennapedia Fator de transcrição — Gene de identidade do

proteína de segmento

homeodomínio

 

Ubx Ultrabithorax Fator de transcrição — Gene de identidade do

proteína de segmento

homeodomínio

FIGURA 13.12 Os domínios de expressão dos genes de padrão do eixo dorsoventral específicos correspondem a camadas específicas de futuros tecidos. A. A proteína Dorsal de origem materna é expressa em um gradiente, com a mais alta concentração de Dorsal nos núcleos de células ventrais (parte inferior da fotografia). B. A expressão de quatro genes zigóticos de padrão do eixo dorsoventral revelada por meio de hibridização in situ com RNA. Nesta vista lateral, estão revelados os domínios dos genes decapentaplegic (amarelo), muscle segment homeobox (vermelho), intermediate neuroblasts defective (verde) e ventral neuroblasts defective (azul). (Cortesia de: A. Michael Levine; B. David Kosnan, Bill McGinnis e Ethan Bier.)

 

O controle genético do desenvolvimento é, então, fundamentalmente uma

questão de regulação gênica no espaço e no tempo. Como a ligação e o desligamento de genes toolkit constroem a forma animal? E como isso é coreografado durante o desenvolvimento? Para responder a essas questões, examinaremos as interações das proteínas com os genes toolkit da mosca em mais detalhes. Os mecanismos que veremos em relação ao controle da expressão dos genes toolkit no embrião de Drosophila surgiram como modelos para a regulação espacial da expressão gênica no desenvolvimento animal em geral.