Diferenciação dos segmentos | Integração dos estímulos de Hox

Especificamente, o elemento eve da listra 2 contém múltiplos sítios para

a proteína Bicoid materna e as proteínas gap Hunchback, Giant e Krüppel

(Figura 13.15 D). Análises mutacionais de diferentes combinações de sítios de ligação revelaram que Bicoid e Hunchback ativam a expressão do elemento eve da faixa 2 ao longo de uma região ampla. As proteínas Giant e Krüppel são repressores que modulam os limites da listra a apenas algumas células de largura. O elemento eve da listra 2 atua, então, como um interruptor genético, integrando múltiplas atividades de proteínas reguladoras para produzir uma listra de três a quatro células de largura no embrião.

O padrão periódico inteiro de sete listras da expressão de even-skipped é

a soma de diferentes conjuntos de estímulos nos elementos reguladores de ação cis em separado. Os acentuadores em relação a outras listras contêm diferentes combinações de sítios de ligação proteica.

CONCEITO-CHAVE A regulação dos elementos reguladores de ação cis por meio de combinações

de ativadores e repressores é um tema comum na regulação espacial da expressão gênica.

Padrões complexos de estímulos com frequência estão integrados para produzir padrões de

respostas mais simples.

Diferenciação dos segmentos | Integração dos estímulos de

Hox

A atividade combinada e sequencial das proteínas de efeito materno, gap, regra dos pares e proteínas de polaridade do segmento estabelece o plano corporal segmentado básico do embrião e da larva. Como as diferentes identidades dos segmentos são estabelecidas pelas proteínas Hox? Esse processo apresenta dois aspectos. Primeiramente, os genes Hox são expressos em diferentes domínios ao longo do eixo anteroposterior. A expressão do gene Hox é amplamente controlada por proteínas de segmentação, especialmente proteínas gap, por meio de mecanismos que são semelhantes àqueles já descritos aqui em relação a hunchback e eve da faixa 2 (bem como a alguma regulação cruzada por parte das proteínas Hox de outros genes Hox). A regulação dos genes Hox não será considerada de modo aprofundado aqui. O segundo aspecto do controle da identidade dos segmentos por Hox é a regulação dos genes-alvo por proteínas Hox. Examinaremos um exemplo que ilustra bem como uma característica importante do plano corporal da mosca-das-frutas é controlada por meio da integração de muitos estímulos por um único elemento regulador de ação cis.

Os membros pareados, partes da boca e antenas de Drosophila se

desenvolvem a partir de populações inicialmente pequenas de aproximadamente 20 células em diferentes segmentos. Diferentes estruturas se desenvolvem a partir dos diferentes segmentos da cabeça e do tórax, enquanto o abdome não apresenta membros. O primeiro sinal de desenvolvimento dessas estruturas é a ativação de genes reguladores dentro de pequenos grupos de células, que são denominados primórdios de apêndices. A expressão do gene Distal-less (Dll) marca o início do desenvolvimento dos apêndices. Esse gene é um dos alvos-chave dos genes Hox e a sua função é necessária para o subsequente desenvolvimento das partes distais de cada um desses apêndices. Os pequenos grupos de células que expressam Distal-less surgem em diversos segmentos da cabeça e em

cada um dos três segmentos torácicos, mas não no abdome (Figura 13.16

A).

FIGURA 13.16 A ausência de membros no abdome é controlada pelos genes Hox. A. A expressão do gene Distal-less (Dll) (vermelho) marca a posição dos futuros apêndices, a expressão do gene Hox Ultrabithorax (roxo) marca a posição dos segmentos abdominais A1 a A7 e a expressão do gene engrailed (azul) marca a parte posterior de cada segmento. B. — Representação esquemática de embrião Ubx demonstrando que a expressão de Dll (círculos vermelhos) deixa de ser reprimida no segmento A1. C. Representação esquemática do embrião — — Ubx abd-A demonstrando que a expressão de Dll (círculos vermelhos) deixa de ser reprimida nos primeiros sete segmentos abdominais. (A. Fotomicrografia por Dave Kosman, Ethan Bier e Bill McGinnis; B e C. Dados de B. Gebelein, D. J. McKay e R. S. Mann, “Direct integration of Hox and Segmentation Gene Inputs During Drosophila Development”, Nature 431, 2004, 653-659.)

Como a expressão de Distal-less é restrita aos segmentos mais

anteriores? Por meio da repressão de sua expressão no abdome. Diversas linhas de evidências revelaram que o gene Distal-less é reprimido por duas proteínas Hox — as proteínas Ultrabithorax e Abdominal-A — que atuam

em colaboração com duas proteínas de segmentação. Observe na Figura

13.5 que Ultrabithorax é expressa nos segmentos abdominais um a sete e Abdominal-A é expressa nos segmentos abdominais dois a sete, com sobreposição de todos os segmentos, com exceção do primeiro segmento, coberto por Ultrabithorax. Em embriões mutantes Ultrabithorax, a expressão de Distal-less se expande até o primeiro segmento abdominal

(Figura 13.16 B) e em embriões duplos mutantes Ultrabithorax/Abdominal-A, a expressão de Distal-less se estende pelos primeiros sete segmentos

abdominais (Figura 13.16 C), indicando que ambas as proteínas são necessárias para a repressão da expressão de Distal-less no abdome.

O elemento regulador de ação cis responsável pela expressão de Distal-

less no embrião foi identificado e caracterizado em detalhes (Figura 13.17

A). Ele contém dois sítios de ligação para as proteínas Hox. Se esses dois sítios de ligação estiverem mutados de tal modo que as proteínas Hox não consigam se ligar, a expressão de Distal-less deixa de ser reprimida no

abdome (Figura 13.17 B). Diversas proteínas adicionais colaboram com as proteínas Hox na repressão de Distal-less. Duas são proteínas codificadas por genes de polaridade do segmento, Sloppy-paired (Slp) e engrailed (en). As proteínas Sloppy-paired e Engrailed são expressas nas listras que marcam os compartimentos anterior e posterior de cada segmento, respectivamente. Cada proteína também se liga ao elemento regulador de ação cis de Distal-less. Quando o sítio de ligação Sloppy-paired está mutado no elemento regulador de ação cis, a expressão do gene repórter deixa de ser reprimida nos compartimentos anteriores dos segmentos

abdominais (Figura 13.17 C). Quando o sítio de ligação de Engrailed está mutado, a expressão do repórter deixa de ser reprimida nos compartimentos

posteriores de cada segmento abdominal (Figura 13.17 D). E quando os sítios de ligação em relação a ambas as proteínas estão mutados, a expressão do gene repórter deixa de ser reprimida em ambos os compartimentos de cada segmento abdominal, assim como quando os sítios

de ligação Hox estão mutados (Figura 13.17 C). Duas outras proteínas, denominadas Extradenticle e Homothorax, que são amplamente expressas em cada segmento, também se ligam ao elemento regulador de ação cis de Distal-less e são necessárias para a repressão da transcrição no abdome

(Figura 13.17 F).

FIGURA 13.17 Integração dos estímulos das proteínas Hox e de segmentação por meio de um elemento regulador de ação cis. A. Um elemento regulador de ação cis do gene Dll regula a repressão da expressão de Dll no abdome por meio de um conjunto de fatores de transcrição (esquerda). A expressão de Dll (vermelho) se estende até o tórax, mas não para dentro do abdome em um embrião do tipo selvagem (direita). B a F. Mutações nos respectivos sítios de ligação demonstram desrepressão da expressão de Dll em diversos padrões no abdome. Os sítios de ligação são: Slp, Sloppy-paired; Hox1 e Hox2, Ultrabithorax e Abdominal-A; Exd, Extradenticle; En, Engrailed; Hth, Homothorax. (Dados de B. Gebelein, D. J. McKay e R. S. Mann, “Direct Integration of Hox and Segmentation Gene Inputs During Drosophila Development”, Nature 431, 2004, 653-659.)

Portanto, em conjunto, duas proteínas Hox e quatro outros fatores de

transcrição se ligam a um trecho de 57 pares de bases e atuam em conjunto para reprimir a expressão Distal-less e, portanto, a formação de apêndices no abdome. A repressão da expressão Distal-less é uma clara demonstração de como as proteínas Hox regulam a identidade dos segmentos e o número de estruturas corporais reiteradas. Também é uma boa ilustração de como diversos estímulos reguladores atuam de modo combinatório em elementos reguladores de ação cis. Nesse caso, a presença de sítios de ligação Hox não é suficiente para a repressão da transcrição: são necessárias interações colaborativas e cooperativas entre diversas proteínas para reprimir totalmente a expressão gênica no abdome.