Câncer como uma doença do desenvolvimento

A holoprosencefalia não é causada exclusivamente por mutações em Shh.

A Shh é um ligante em uma via de transdução de sinal. Conforme se pode esperar, mutações nos genes que codificam outros componentes da via afetam a eficiência da sinalização de Shh e também estão associadas à holoprosencefalia. Diversos componentes da via Shh humana foram identificados pela primeira vez como homólogos de membros da via na mosca, demonstrando, novamente, a conservação da toolkit genética e o poder dos sistemas-modelo para as descobertas biomédicas.

 

Câncer como uma doença do desenvolvimento Em animais de vida longa, tais como nós mesmos e outros mamíferos, o desenvolvimento não cessa ao nascimento ou ao final da adolescência. Tecidos e diversos tipos celulares estão sendo constantemente renovados. A manutenção da função de muitos órgãos depende do crescimento controlado e da diferenciação de células que substituem aquelas que são descamadas ou de outro modo morrem. A manutenção de tecidos e órgãos em geral é controlada por vias de sinalização. Mutações hereditárias ou espontâneas nos genes que codificam os componentes dessas vias podem romper a organização tecidual e contribuir para a perda do controle da proliferação celular. Tendo em vista que a proliferação celular descontrolada é uma característica do câncer, a formação de cânceres pode ser uma consequência. O câncer, então, é uma doença do desenvolvimento, um produto dos processos normais de desenvolvimento que deram errado.

Alguns dos genes associados aos tipos de cânceres humanos são

membros compartilhados da toolkit dos animais. Por exemplo, o gene patched codifica um receptor para as proteínas de sinalização Hedgehog. Além de causar distúrbios hereditários do desenvolvimento, tais como polidactilia e holoprosencefalia, mutações no gene patched humano estão associadas à formação de uma diversidade de cânceres. Aproximadamente 30 a 40% dos pacientes com um distúrbio genético dominante denominado síndrome do nevo basocelular (BCNS) apresentam mutações patched. Essas pessoas são fortemente predispostas ao desenvolvimento de um tipo de câncer de pele denominado carcinoma basocelular. Elas também apresentam um grande aumento da incidência de meduloblastoma, um tipo mortal de tumor cerebral. Uma crescente lista de cânceres atualmente está associada a rupturas de vias de transdução de sinal — vias que foram elucidadas pela primeira vez por triagens genéticas sistemáticas iniciais de

padrões mutantes nas moscas-das-frutas (Tabela 13.2).

As descobertas de ligações entre mutações dos genes de vias de

transdução de sinal e o câncer humano facilitaram muito o estudo da biologia do câncer e o desenvolvimento de novas terapias. Por exemplo, aproximadamente 30% dos camundongos heterozigotos para uma mutação específica no gene patched desenvolvem meduloblastoma. Portanto, esses camundongos atuam como um excelente modelo em relação à biologia da doença humana e uma plataforma de testes para terapias. Muitos dos agentes anticâncer mais recentes empregados atualmente são, de fato, direcionados aos componentes das vias de transdução de sinal que estão comprometidos em determinados tipos de tumores.

 

Tabela 13.2 Alguns genes toolkit que apresentam papéis no câncer.

 

Gene de Gene de

mosca mamífero Tipo de câncer

Componentes de vias de

sinalização

 

Wingless armadillo β-catenin Cólon e pele

 

D.TCF TLF Cólon

 

Hedgehog cubitus Gli1 Carcinoma

interruptus basocelular

 

patched patched Carcinoma

basocelular,

meduloblastoma

 

smoothened smoothened Carcinoma

basocelular

 

Notch Notch hNotch1 Leucemia,

linfoma

 

Receptor EGF torpedo C-erbB-2 Mama e cólon

 

Decapentaplégico/TFG- Medea DPC4 Pâncreas e cólon

β

Toll dorsal NF-κB Linfoma

 

Leucemia aguda

Outro extradenticle Pbx1 de célula pré-B

 

É justo dizer que até mesmo os pesquisadores mais otimistas e

previdentes não esperavam que a descoberta da toolkit genética para formar uma mosca viesse a apresentar efeitos de longo alcance sobre a compreensão do desenvolvimento e das doenças em seres humanos. Mas os grandes dividendos inesperados são familiares na história recente da pesquisa genética básica. O advento de medicamentos geneticamente modificados, anticorpos monoclonais para diagnóstico e terapia e testes de DNA forense tiveram, todos, origens semelhantes em investigações aparentemente não relacionadas.

 

RESUMO

 

No Capítulo 11, mencionamos o gracejo de Jacques Monod e François Jacob de que “qualquer coisa que se observe ser verdadeira para a E. coli

também deve ser verdadeira para os elefantes”.2 Agora que vimos os processos reguladores que produzem vermes, moscas, camundongos e elefantes, nós diríamos que eles estavam certos? Se Monod e Jacob estavam se referindo ao princípio de que a transcrição gênica é controlada por proteínas reguladoras sequência-específicas, vimos que o repressor Lac bacteriano e as proteínas Hox das moscas de fato atuam de modo semelhante. Além disso, suas proteínas de ligação ao DNA apresentam o mesmo tipo de motivo. As percepções fundamentais que Jacob e Monod apresentaram a respeito do papel central do controle da transcrição gênica na fisiologia bacteriana e que esperavam se aplicar à diferenciação celular e ao desenvolvimento em organismos multicelulares complexos foram corroboradas em muitos aspectos no controle genético do desenvolvimento animal.

Muitas características em eucariotos unicelulares e multicelulares,

entretanto, não são observadas em bactérias e seus vírus. Geneticistas e biólogos moleculares descobriram as funções dos íntrons, a recomposição do RNA, elementos reguladores de ação cis múltiplos e distantes, a cromatina, a recomposição alternativa e, mais recentemente, os miRNA. Ainda assim, central para o controle genético do desenvolvimento é o controle da expressão gênica diferencial.

Este capítulo apresentou uma visão geral sobre a lógica e os mecanismos

para o controle da expressão gênica e do desenvolvimento em moscas-das-frutas e algumas outras espécies-modelo. Nós nos concentramos nos genes toolkit para os processos de desenvolvimento animal e nos mecanismos que controlam a organização de características importantes do plano corporal — o estabelecimento dos eixos corporais, a segmentação e a identidade dos segmentos. Embora tenhamos explorado apenas um número modesto de mecanismos reguladores de modo aprofundado e apenas algumas poucas espécies, semelhanças na lógica e nos mecanismos reguladores nos possibilitam identificar alguns temas gerais a respeito do controle genético do desenvolvimento.

 

1. Apesar das vastas diferenças no aspecto e na anatomia, os animais

apresentam em comum uma toolkit de genes que regulam o

desenvolvimento. Essa caixa de ferramentas é uma pequena fração de

todos os genes no genoma e a maior parte dos genes dessa toolkit

controla fatores de transcrição e componentes das vias de transdução

de sinal. Genes toolkit individuais apresentam múltiplas funções e

afetam o desenvolvimento de diferentes estruturas em diferentes

estágios.

2. O desenvolvimento do embrião em crescimento e de suas partes

corporais ocorre em uma progressão ordenada espacial e

temporalmente. São estabelecidos domínios dentro do embrião por

meio da expressão dos genes toolkit que marcam subdivisões

progressivamente mais finas ao longo de ambos os eixos embrionários.

3. Os padrões de expressão gênica espacialmente restritos são produtos

da regulação combinatória. Cada padrão de expressão gênica

apresenta uma base causal precedente. Novos padrões são gerados por

meio de estímulos combinados de padrões precedentes. Nos exemplos

apresentados neste capítulo, o posicionamento das listras de regra dos

pares e a restrição da expressão de genes reguladores de apêndices a

segmentos individuais requerem a integração de diversos estímulos

reguladores positivos e negativos por parte de elementos reguladores

de ação cis.

A regulação pós-transcricional no nível do RNA adiciona outra

camada de especificidade ao controle da expressão gênica. A

recomposição alternativa do RNA e o controle da tradução por proteínas

e miRNA também contribuem para o controle espacial e temporal da

expressão de genes toolkit.

O controle combinatório é a chave para a especificidade e para a

diversidade da expressão gênica, bem como para a função de genes

toolkit. Em relação à especificidade, mecanismos combinatórios

proporcionam os meios para localizar a expressão gênica em populações

celulares discretas por meio da utilização de estímulos que não são

específicas do tipo celular ou tecido. As ações de proteínas toolkit,

portanto, podem ser razoavelmente específicas em diferentes contextos.

Em relação à diversidade, mecanismos combinatórios proporcionam os

meios para gerar uma diversidade virtualmente ilimitada de padrões de

expressão gênica.

4. A modularidade dos elementos reguladores de ação cis possibilita o

controle espacial e temporal independente da expressão e da função

de genes toolkit. Assim como os operadores e os elementos UAS dos

procariotos e eucariotos simples atuam como interruptores no controle

fisiológico da expressão gênica, os elementos reguladores de ação cis

de genes toolkit atuam como interruptores no controle da expressão

gênica no desenvolvimento. A característica de distinção de genes

toolkit é a presença típica de diversos elementos reguladores de ação

cis independentes que regulam a expressão gênica em diferentes

domínios espaciais e em diferentes estágios do desenvolvimento. A

regulação espacial e temporal independente da expressão gênica

possibilita que os genes toolkit individual apresentem funções

diferentes, porém específicas, em contextos distintos. Assim, não é

adequado ou preciso descrever a função de um determinado gene

toolkit somente em relação à proteína (ou miRNA) que ele codifica,

tendo em vista que a função do produto gênico quase sempre depende

do contexto no qual ele é expresso.

 

TERMOS-CHAVE

 

complexo gênico

estrutura serialmente reiterada

gene de efeito materno

gene de manutenção

gene de polaridade segmentar

gene de regra dos pares

gene gap

gene Hox

homeoboxe

homeodomínio

informação posicional

toolkit genética

zigoto

 

PROBLEMAS RESOLVIDOS

 

Problema resolvido 1. O gene Bicoid (bcd) é um gene de efeito materno necessário para o desenvolvimento da região anterior de Drosophila. A mãe heterozigota em relação a uma deleção bcd apresenta apenas uma cópia do gene bcd. Com a utilização de elementos P para inserir cópias do gene bcd+ clonado no genoma por meio de transformação, é possível produzir mães com cópias extras do gene. O embrião inicial de Drosophila desenvolve uma endentação denominada sulco cefálico, que é mais ou menos perpendicular ao eixo corporal longitudinal anteroposterior (A-P). Na progênie de mães com apenas uma única cópia de bcd+, esse sulco está muito próximo da ponta anterior, localizado a uma posição a um sexto da distância desde a ponta anterior até a posterior. Na progênie de diploides do tipo selvagem padrão (que apresentam duas cópias de bcd+), o sulco cefálico surge mais posteriormente, em uma posição a um quinto da distância desde a ponta anterior até a posterior do embrião. Na progênie de mães com três cópias de bcd+, ele é ainda mais posterior. Na medida em que doses adicionais do gene são adicionadas, o sulco cefálico se move mais e mais posteriormente, até que, na progênie de mães com seis cópias de bcd+, ele está no ponto médio ao longo do eixo A-P do embrião. Explique o efeito da dosagem gênica de bcd+ sobre a formação do sulco cefálico à luz da contribuição que bcd proporciona para a formação do padrão A-P.

 

Solução

A determinação das partes anteroposteriores do embrião é regulada por um gradiente de concentração da proteína Bicoid. O sulco se desenvolve a uma concentração crítica de bcd. Na medida em que a dosagem gênica de bcd+ (e, portanto, a concentração da proteína Bicoid) diminui, o sulco é deslocado anteriormente; na medida em que a dosagem gênica aumenta, o sulco é deslocado posteriormente.

 

PROBLEMAS

 

QUESTÕES SOBRE AS FIGURAS

1. Na Figura 13.2, o transplante de determinadas regiões do tecido

embrionário induz o desenvolvimento de estruturas em novos locais. Como são denominadas essas regiões especiais e quais são as substâncias que se propõe que elas produzam?

2. Na Figura 13.4, estão ilustrados dois métodos diferentes para a

visualização da expressão gênica em animais em desenvolvimento. Qual método possibilitaria detectar onde, dentro de uma célula, uma proteína está localizada?

3. A Figura 13.6 ilustra a expressão da proteína Hox Ultrabithorax

(Ubx) nos apêndices das asas em desenvolvimento. Qual é a relação entre o local onde a proteína é expressa e o fenótipo que resulta da

perda de sua expressão (demonstrada na Figura 13.1)?

4. Na Figura 13.7, qual é a evidência de que os genes Hox de

vertebrados regulam a identidade de estruturas serialmente repetidas?

5. Conforme demonstrado na Figura 13.10, qual é a distinção

fundamental entre um gene de regra dos pares e um gene de polaridade do segmento?

6. Na Tabela 13.1, qual é a função mais comum das proteínas que

contribuem para a formação do padrão? Por que esse é o caso?

7. Na Figura 13.15, qual proteína gap regula o limite posterior de eve da

faixa 2? Descreva como ela realiza isso em termos moleculares.

8. Conforme demonstrado na Figura 13.17, quantos fatores de

transcrição diferentes regulam onde o gene Distal-less (Dll) será

expresso?

9. Conforme demonstrado na Figura 13.21, o gene Sonic hedgehog é

expresso em muitos locais em uma galinha em desenvolvimento. A proteína Sonic hedgehog expressa em cada tecido é idêntica? Em caso afirmativo, como os tecidos se desenvolvem em diferentes estruturas? Em caso negativo, como as diferentes proteínas Sonic hedgehog são produzidas?

 

PROBLEMAS BÁSICOS

10. Engrailed, even-skipped, hunchback e Antennapedia. Para um

geneticista de Drosophila, o que são eles? Como eles diferem?

11. Descreva o padrão de expressão do gene eve de Drosophila no

embrião inicial.

12. Contraste a função dos genes homeóticos com aquela dos genes de

regra dos pares.

13. Quando um embrião é homozigoto mutante em relação ao gene gap

Kr, a quarta e a quinta listras do gene de regra dos pares ftz (contadas a partir da extremidade anterior) não se formam normalmente. Quando o gene gap kni é mutante, a quinta e a sexta listras de ftz não se formam normalmente. Explique esses resultados em relação ao modo como o número de segmentos é estabelecido no embrião.

14. Alguns dos genes Hox de mamíferos demonstraram ser mais

semelhantes a um dos genes Hox de insetos do que a outros. Descreva uma abordagem experimental que possibilitaria a você demonstrar esse achado em um teste funcional em moscas vivas.

15. As três proteínas de homeodomínio Abd-B, Abd-A e Ubx são

codificadas por genes do completo Bithorax de Drosophila. Em embriões do tipo selvagem, o gene Abd-B é expresso nos segmentos abdominais posteriores, Abd-A nos segmentos abdominais

intermediários e Ubx nos segmentos abdominal anterior e torácico posterior. Quando o gene Abd-B é deletado, Abd-A é expresso em ambos os segmentos abdominal intermediário e posterior. Quando Abd-A é deletado, Ubx é expresso no tórax posterior e nos segmentos abdominal anterior e intermediário. Quando Ubx é deletado, os padrões de expressão do tipo selvagem de Abd-A e Abd-B são inalterados. Quando ambos Abd-A e Abd-B são deletados, Ubx é expresso em todos os segmentos, desde o tórax posterior até a extremidade posterior do embrião. Explique essas observações, levando em consideração o fato de que os genes gap controlam os padrões de expressão iniciais dos genes homeóticos.

16. Quais testes genéticos possibilitam que você diga se um gene é

zigoticamente necessário ou se ele apresenta um efeito materno?

17. Ao considerar a formação dos eixos A-P e D-V em Drosophila,

observamos que, em relação a mutações tais como bcd, mães mutantes homozigotas produzem uniformemente descendentes mutantes com defeitos de segmentação. Esse desfecho sempre é verdadeiro, independentemente de a progênie ser bcd+/bcd ou bcd/bcd. Algumas outras mutações letais de efeito materno são diferentes, porque o fenótipo mutante pode ser “resgatado” por meio da introdução de um alelo do tipo selvagem do gene do pai. Em outras palavras, em relação aos referidos letais de efeito materno resgatáveis, animais mut+/mut são normais, enquanto animais mut/mut apresentam o defeito mutante. Explique a diferença entre as mutações letais de efeito materno resgatáveis e não resgatáveis.

18. Suponha que você isola uma mutação que afeta a padronização A-P

do embrião de Drosophila, na qual estão ausentes segmentos alternados das larvas mutantes em desenvolvimento. a. Você consideraria que essa mutação se encontra em um gene gap, um gene de regra dos pares, um gene de polaridade do segmento ou

um gene de identidade do segmento?

b. Você clonou um fragmento de DNA que contém quatro genes. Como você utilizaria o padrão de expressão espacial de seu mRNA em um embrião do tipo selvagem para identificar qual representa um gene candidato em relação à mutação descrita? c. Presuma que você identificou o gene candidato. Se agora você examinar o padrão de expressão espacial do seu mRNA em um embrião que é homozigoto mutante em relação ao gene gap Krüppel, você espera observar um padrão de expressão normal? Explique.

19. Como o gradiente da proteína Bicoid é formado?

20. Em um embrião de uma fêmea mutante homozigota Bicoid, qual(is)

classe(s) de expressão gênica é(são) normal(is)? a. Genes gap.

b. Genes de regra dos pares. c. Genes de polaridade do segmento. d. Genes Hox.

 

PROBLEMAS DESAFIADORES

21.

a. O gene eyeless é necessário para a formação dos olhos em Drosophila. Ele codifica um homeodomínio. O que você preveria a respeito da função bioquímica da proteína Eyeless? b. Onde você preveria que o gene eyeless seja expresso no desenvolvimento? Como você testaria a sua previsão? c. Os genes Small eye e Aniridia de camundongos e seres humanos, respectivamente, codificam proteínas com sequências muito similares às proteínas Eyeless da mosca e elas são denominadas de acordo com seus efeitos sobre o desenvolvimento ocular. Planeje um teste para examinar se os genes de camundongos e seres humanos são funcionalmente equivalentes ao gene eyeless de mosca. 22. O gene X é expresso no cérebro, no coração e nos pulmões em

desenvolvimento de camundongos. Mutações que afetam seletivamente a função do gene X nesses três tecidos são mapeadas em três regiões diferentes (A, B e C, respectivamente) a 5′ da região codificadora de X.

a. Explique a natureza dessas mutações. b. Desenhe um mapa do locus X consistente com a informação precedente.

c. Como você testaria a função das regiões A, B e C?

23. Por que as mutações reguladoras no gene Sonic hedgehog de

camundongos são dominantes e viáveis? Por que as mutações codificadoras causam defeitos mais difusos?

24. Ocorre uma mutação no gene doublesex de Drosophila que evita a

ligação de Tra ao transcrito de RNA de dsx. Quais seriam as consequências dessa mutação para a expressão da proteína Dsx em machos? E em fêmeas?

25. Você isola uma mutação em glp-1 de C. elegans e descobre que a

região do DNA que codifica o controle espacial (SCR) foi deletada. Qual será o padrão de expressão da proteína GLP-1 em um embrião de quatro células nos heterozigotos mutantes? E em homozigotos mutantes?

26. Avalie a validade da observação de Monod e Jacob de que “qualquer

coisa que se observe ser verdadeira para a E. coli também deve ser verdadeira para os elefantes”.

a. Compare as estruturas e os mecanismos de ação das proteínas Hox de animais e do repressor Lac. De que modos eles são semelhantes?

___________________

1T. H. Morgan, Experimental Embryology. Columbia University Press, 1927.

2F. Jacob e J. Monod, Cold Spring Harbor Quant. Symp. Biol. 26, 1963, 393.

 

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