Introdução à Genética
Gradientes maternos e ativação gênica
Enfocaremos algumas conexões entre os genes em diferentes níveis de
hierarquia que determinam o plano corporal segmentar básico e os pontos nodais nos quais genes-chave integram múltiplos estímulos reguladores e respondem produzindo expressão gênica mais simples.
Gradientes maternos e ativação gênica A proteína Bicoid é um fator de transcrição do tipo homeodomínio que é traduzida a partir do mRNA de origem materna depositado no zigoto e localizado no polo anterior. Tendo em vista que o embrião inicial de Drosophila é um sincício com todos os núcleos em um citoplasma e ausência de quaisquer membranas celulares que possam impedir a difusão de moléculas proteicas, a proteína Bicoid consegue se difundir pelo citoplasma. Essa difusão estabelece um gradiente de concentração proteica
(Figura 13.13 A): a proteína Bicoid está altamente concentrada na extremidade anterior e essa concentração diminui gradativamente na medida em que a distância daquela extremidade aumenta, até que haja muito pouca proteína Bicoid além da parte intermediária do embrião. Esse gradiente de concentração fornece informação posicional a respeito da localização ao longo do eixo anteroposterior. Uma concentração alta significa a extremidade anterior, uma concentração mais baixa significa a parte intermediária e assim por diante. Portanto, um modo de assegurar que um gene esteja ativado em apenas uma localização ao longo do eixo é relacionar a expressão gênica ao nível de concentração. Um caso em questão é o dos genes gap, que devem ser ativados em regiões específicas ao longo do eixo.
FIGURA 13.13 A proteína Bicoid ativa a expressão zigótica do gene hunchback. A. A expressão da proteína Bicoid é graduada ao longo do eixo anteroposterior. O gene gap hunchback é expresso na metade anterior do zigoto. B. A proteína Bicoid (azul) se liga a três sítios 5′ do gene hunchback. Quando esse DNA 5′ está posicionado upstream de um gene repórter, a expressão do gene repórter recapitula o padrão de expressão de hunchback (parte superior à direita). Entretanto, a deleção progressiva de um, dois ou todos os três sítios de ligação à Bicoid leva à expressão mais restrita do gene repórter ou a suprime totalmente. Estas observações demonstram que o nível e o padrão de expressão de hunchback são controlados por Bicoid por meio de sua ligação às sequências reguladoras do DNA hunchback.
Diversos genes zigóticos, incluindo os genes gap, são regulados por
diferentes níveis da proteína Bicoid. Por exemplo, o gene hunchback é um gene gap ativado no zigoto na metade anterior do embrião. Essa ativação ocorre por meio da ligação direta da proteína Bicoid a três sítios 5′ do promotor do gene hunchback. Bicoid se liga a esses sítios de modo cooperativo; ou seja, a ligação de uma molécula de proteína Bicoid a um sítio facilita a ligação de outras moléculas Bicoid a sítios próximos.
Experimentos in vivo podem demonstrar que a ativação de hunchback
depende do gradiente de concentração. Esses testes requerem a ligação de sequências reguladoras do gene a um gene repórter (um gene codificador de enzima, tal como o gene LacZ ou a proteína fluorescente verde de água-viva), introduzindo o construto de DNA na linhagem germinativa da mosca e monitorando a expressão do repórter na progênie de embriões das moscas
transgênicas (uma visão geral do método está demonstrada na Figura
13.14). As sequências 5′ do tipo selvagem do gene hunchback são suficientes para direcionar a expressão do repórter na metade anterior do embrião. De importância, deleções de sítios de ligação da Bicoid nesse elemento regulador de ação cis reduzem ou eliminam a expressão do
repórter (ver Figura 13.13 B). Mais de um sítio da Bicoid deve estar ocupado para gerar uma delimitação nítida da expressão do repórter, que indica que uma concentração limiar da proteína Bicoid é necessária para ocupar múltiplos sítios antes da ativação da expressão gênica. Um gene gap com menos sítios de ligação não será ativado em locais com concentrações mais baixas da proteína Bicoid.
Cada gene gap contém elementos reguladores de ação cis com diferentes
arranjos de sítios de ligação e esses sítios de ligação podem apresentar afinidades diferentes pela proteína Bicoid. Consequentemente, cada gene gap é expresso em um domínio distinto único no embrião, em resposta a níveis diferentes de Bicoid e outros gradientes de fatores de transcrição. Um tema semelhante é encontrado na padronização do eixo dorsoventral: os elementos reguladores de ação cis contêm diferentes números e arranjos de sítios de ligação para Dorsal e outros fatores de transcrição dorsoventral. Consequentemente, os genes são ativados em domínios discretos ao longo do eixo dorsoventral.