Blog da SBI

Sobre rãs e homens (Tim Mohun and Jim Smith)

Sobre rãs e homens
Biologia do Desenvolvimento
blog sa SBI – julho – 2013

A revista Science (340:1156 e 1183) de 7 de junho passado, distribuída entre os membros da Gordon Conference sobre desenvolvimento, publicou uma seção intitulada “Mistérios do Desenvolvimento” com sub-seções encabeçadas por perguntas realmente misteriosas: “Como os órgãos sabem que atingiram o tamnaho certo?” “Por que tantos neurônios comitem suicídio durante o desenvolvimento cerebral?” “De que maneiras micróbios participam do desenvolvimento animal?” “Como o desenvolvimento fetal influencia a saúde do adulto?” Desde que temas tão básicos continuam a fazer parte de discussões sobre o desenvolvimento, decidi contribuir com um ensaio de pesquisadores de Mill Hill (Londres) (“De rãs e homens”) que, embora escrito em 2000, é muito lúcido e informativo para gente como nós imunologistas que não lidam (ainda) com assuntos dete tipo. Havia traduzido o ensaio para uso de estudantes de graduação e forneço a minha tradução. Vale também a indicação da coleção de ensaios de Mill Hill.

Nelson Vaz

5/11/13 Mill Hill Essays | MRC National Institute for Medical Research, London

www.nimr.mrc.ac.uk/mill-hill-essays/of-frogs-and-men 1/2

OF FROGS AND MEN
Tim Mohun and Jim Smith

Tyger Tyger burning bright,
In the forests of the night;
What immortal hand or eye,
Dare frame thy fearful symmetry?
William Blake (1757‑1827)

 

A ideia de que cada um de nós surgiu de um único, minúsculo ovo tem sido há muito uma fonte de inspiração igualmente para artistas e cientistas. Os eventos que transformam o ovo fertilisado em um indivíduo perfeitamente formado tem provocado espanto e fascinação em igual medida e talvez não seja surpreendente de compreender que o desenvolvimenrto embrionário tem sido o principal deafio da biologia moderna. Seu estudo resultou em descobertas que iluminaram muitos ramos diferentes da biologia, desde o estudo da evolução até a natureza de doenças genéticas. Enquanto os métodos utilizados por cientsitas têm variado com o progresso, muitas vezes avanços decisivos surgiram do estudo de um tema familiar: os girinos de rãs que muitos de nós lembramos de haver coletado em águas da vizinhança.

Admite-se em geral que o corpo humano contém cerca de duzentos tipos diferentes de células, cada um especialisado no desempenho de funções diferentes. Quase todos estes tipos celulares são formados durante odesenvolvimento embrionário. A pergunta mais simples e profunda que os biólogos procuram responder é: como surge esta diversidade de tipos celulares? Em outras palavras, desde que todas as células de um embrião se originam de repetidas divisões de um único ovo fertilisado, o que determina o destino de uma célula embrionária individual?

Quem quer que seja que tenha observado o desenvolvimento de um ovo de rã através de uma lente terá testemunhado como os embriões se transformam rapidamente de conglomerados ou bolas de células aparentemente similares em estruturas complexas contendo tecidos diferentes e possuindo uma forma cada vez mais reconhecível. Que esta transformação notável ocorra com tamanha precisão e previsibildade cada vez que um embrião se desenvolve, sugere que cada célula “sabe” qual é o seu destino de maneira confiável. Se cada célula já sabe a qual tecido ou órgão ela contribuirá para formar ou se ela “aprende” sobre seu destino como resultado de sua posição no embrião é uma pergunta que intrigava os filósofos da natureza muito antes do surgimento da biologia experimental. Em um extremo, podemos imaginar que, de alguma maneira, o plano corporal inteiro está preformado no ovo fertilizado, e que as divisões celulares distribuem adequadamente os destinos das células filhas. A visão alternativa é de que as células “aprendem” seu destino durante o curso do desenvolvimento incial do embrião, através de interações com células vizinhas e com o meio. Em vez de seguir independentemente instruções originais herdadas do ovo, as células no embrião em desenvolvimento poderiam interagir com células vizinhas, e esta comunicação poderia suprir a base do estabelecimento de seu futuro destino.

A simples observação não consegue distinguir entre estas duas possibilidades e os embriologistas do último século procuraram em vez disso testar a importância da vizinhança celular, quer removendo células de embriões recentes, ou deslocando-as de uma parte do embrião para outra. Tais experimentos requeriam embriões que fossem grandes o bastante para tornar possível micro-cirurgias e suficientemente robustos para sobreviver a estes procedimentos. Além disso, os embriões deveriam estar disponíveis em quantidade desde os estágios iniciais do desenvolvimento. Embriões precoces de mamíferos eram de pouca utilidade por serem muito pequenos e estarem escondidos nas entranhas da mãe. Até mesmo embriões de pinto eram de pouca utilidade desde que se sabia que os estágios iniciais do desenvolvimento ocorrem antes que o ovo seja posto. En contraste, os ovos de rãs são grandes e numerosos. Além disso, protegidos em sua capa gelatinosa individual, eles atravessam o curso total de seu desenvolvimento externamente na água do brejo, da fertilização do ovo a formação dos girinos que nadam. Não supreende, portanto, que embriões de anfíbios se tornaram rapidamente os objetos favoritos de embriologistas experimentais.

Uma característica óbvia da reprodução das rãs é que os ovos recém postos são de tamanho similar aos girinos aos quais dão origem. Todos os nutrientes necessários ao desenvolvimento embrionário inicial já estãoi presentes dentro do ovo fertilizado, guardado na forma de moléculas de proteínas da gema (yolk). Quando o ovo se divide, cada célula filha recebe a metade deste estoque de nutrientes, e o processo é reptido a cada divisão celular sucessiva. Como resultado, os embriões de anfíbios, ao contrário dos embriões de mamíferos e aves, não crescem realmente. Até que o girino comece a se alimentar, todas as divisões celulares simplesmente cortam a célula ao meio. Enquanto o número de células em um girino está talvez na ordem de cem mil, a massa do girino é a mesma que a do ovo fertilizado, e permite processos metabólicos talvez ligeiramente menores que o ovo fertilizado.

Uma consequência disso é que se células individuais são marcadas com um corante não-tóxico, a cor será herdada pelas células filhas sem se desbotar (muito) e permanecerá detectável muito mais tarde no desenvolvimento. Com esta técnica simples, embriologistas construiram mapas detalhados que descrevem o destino de diferentes células e regiões do embrião inicial de anfíbios. A ausência de crescimento tem outras vantagens para o experimentador. Desde que as células contêm seus nutrientes, elas continuarão a se dividir em um meio de cultura, que não precisa ser mais que uma solução salina simples. Isto possibilita um teste para prever em que estágio as células embrionárias demonstram “saber’ o seu destino. Se, depois de removidas do embrião, elas continuam a formar as células ou tecidos previstos pelo “mapa de destinos”, no momento em que foram colocadas no meio de cultura, tais células já “sabiam” sua posição no futuro plano corporal. Por outro lado, se sua especialização falha e não tem o resultado esperado, isto sugere que as células ainda não “sabiam” seu destino normal. Estudos desta tipo formaram a base da embriologia experimental e permanecem na base da pesquisa até hoje.

Por experimentos deste tipo sabemos que, em grande parte, os padrões complexos de especialização celular vistos no embrião de anfíbios não surgem da atividade autônoma de células individuais, programadas para “saber” o seu destino em virtude de sua linhagem de descendência a partir do ovo fertilizado. Ao contrário, estes padrões dependem criticamente de sinais trocados entre células vizinhas. Estas interações estabelecem um esboço do plano corporal do embrião, que é progressivamente sofisticado à medida que o embrião se desenvolve. A aquisição gradual de “padrões” de identidade celular é suficientemente precisa de forma que seus resulatdos sejam praticamente idênticos cada vez que se desenvolve um embrião de uma espécie em particular. Ainda assim, como os experimentadores logo constataram, (o processo) é suficientemente flexível para acomodar variações naturais ou experimentalmente induzidas tanto no tamanho quanto na estrutura de embriões individuais.

Estudos subsequentes do desenvolvimento embrionário em espécies que vão de peixes a mamíferos mostraram que mecanismos similares estão na base do desenvolvimento em todos os vertebrados. O objetivo de biólogos do desenvolvimento tem sido identificar a natureza dos sinais trocados entre as células do embrião inicial e como eles dirigem as células através de um trajeto particular de desenvolvimento. Notavelmente, ao passo que aprendemos sobre a natureza das moléculas envolvidas nesta sinalização, tornou-se claro que mecanismos básicos similares guiam o desenvolvimento embrionário em criaturas tão diversas quanto moscas e seres humanos. Em resumo, podemos confiar em que as lições aprendidas pelo estudo do embrião de rãs avançarão nosso conhecimento sobre o desenvolvimento do embrião humano.

Antes da Segunda Guerra Mundial, a maioria dos embriologistas estudava embriões convenientemente obtidos de espécies de anfíbios locais. Os embriões de salamandras eram particularmente atraentes, devido a seu tamanho e seu ritmo lento de desenvolvimento. Qualquer que fosse a espécie usada, o suprimento de embriões era naturalmente limitado pelo período natural de reprodução e, na medida em que as análises bioquímicas se tornaram populares, a demanda de embriões cresceu. Felizmente, em 1931, no curso de alguns experimentos endocrinológicos, foi achado que extratos da hipófise anterior induziriam a postura de ovos pela rã sul-africana Xenopus. Constatou que o agente ativo era o hormônio luteinizante produzido por mamíferos durante a gravidez e excretado na urina. Esta descoberta teve várias consequências. Primeiro, levou ao desenvolvimento de um teste de gravidez, baseado na injeção de extratos de urina em rãs fêmeas. Como resultado, grande número de Xenopus foram usados em laboratórios, criando o temor de que a espécie silvestre fosse dizimada. Felizmente, métodos imunológicos mostraram ser mais sensíveis para a detecção do hormônio luteinizante e o teste com Xenopus foi abandonado. Seu legado, contudo, foi estabelecer o Xenopus como um animal comum de laboratório e, para os biologistas do desenvolvimento, a capacidade de induzir a postura de ovos em qualquer época do ano tornou o Xenopus o anfíbio de escolha para experimentos em embriologia.

Aqui em nosso Instituto (Mill Hill) os Xenopus foram inicialmente utilizados para estudar como nervos individuais se conectam a tecidos alvo, usando o desenvolvimento do sistema visual de girinos como um modelo. Pesquisas sobre as ações de hormônios esteróides levaram a estudos da metamorfose. As profundas mudanças que transformam um girino em uma rã mostraram estar sob o controle de hormônios da tireóide. Um fenômeno destacado na metamorfose é a perda da cauda do girino, que resulta da morte celular desencadeada por hormônios. Estes estudos levaram à criação de uma colônia de Xenopus laevis emnosso Instituto (Mill Hill, Londres) possibilitando outros cientistas a se juntarem ao grupo de estudo do desenvolvimento de anfíbios. Outros estudos pioneiros com Xenopus se concentraram na padronização espacial em embriões jovens. Usando microcirurgias para interferir com o desenvolvimento normal, estes estudos foram centrais em entender como blocos de tecido muscular são formados nos primeirosdois dias do desenvolvimento embrionário. Os “blocos” visíveis de músculos se formam ao longo do dorso do embrião, de cada lado da coluna vertebral embrionária. Eles se formam progressivamente da cabeça à cauda em um ritmo preciso e em números exatos. Procurou-se um mecanismo que pudesse arcar com esta precisão por interferências com sua formação. Como ocorre muitas vezes, as conclusões deste trabalho tiveram implicações mais amplas para a biologia do desenvolvimento desde que muitas outras estruturas do embrião de vertenbrados mostram evidências de um padrão repetitivo similar e cientistas em todo o mundo buscam identificar os sinais moleculares responsáveis pelos mesmos.

Vimos que o destino de diferentes regiões do embrião inicial de Xenopus pode ser previsto com precisão e, ainda mais, que em virtude de seus estoques de nutrientes, fragmentos do embrião podem ser mantidos isolados em cultura de tecidos. Os embriologistas rapidamente perceberam que estas propriedades forneciam uma maneira simples de testar e identificar as moléculas sinalizadoras. Extratos específicos ou moléculas purificadas podem ser adicionadas ao meio de cultura e testadas em sua capacidade de alterar o destino de células embrionárias no desenvolvimento. Exatamente esta abordagem foi usada pelo embriologista germânico Tiedemann ao meostrar que um extrato de embrião de pinto com 10 dias poderia fazer com que células que futuramente dariam a pele fossem redirigidas em células que formavam músculos e a coluna dorsal do embrião. Este resultado espantoso mostrou que fatores indutores podiam realmente derivar de tecidos embrionários. Infelizmente, a natureza do teste tornou praticamente impossível um estudo sistemático e pouco progresso foi feito no isolamento dos fatores envolvidos.

Um exemplo similar de sinalização entre células foi também descrito com embriões de anfíbios. Com 5 horas de desenvolvimento, o embrião de rã é pouco mais que uma bolinha com alguns milhares de células, com uma cavidade interna em sua metade superior. A partir de mapas do desenvolvimento sabemos que as células que formam o teto desta cavidade normalmente formarão a pele e o tecido nervoso, enquanto que as células do polo oposto gerarão o intestino e o fígado. As células intermediárias, formando uma faixa em volta do equador do embrião, contribuirão para formar músculos, os rins e a coluna vertebral. O embriologista de anfíbios Pieter Nieuwkoop demonstrou elegantemente que sanduíches de células dos dois polos recriavam um tecido similar à faixa equatorial. Em outras palavras, os tecidos “futuros” pele e nervo originários do teto da cavidade embrionária eram redirigidos a formar músculos, rins e coluna vertebral pelo contato como tecido do fundo da cavidade embrionária, que geram os “futuros” intestino e fígado. Com um suprimento abundante de embriões para preparar extratos, pesquisadores em vários laboratórios se propuseram a identificar as moléculas sinalizadoras que o trabalho de Nieuwkoop mostrou estarem presentes.

Pesquisa bem sucedias na identificação do fator de Nieuwkoop começaram em 1984. Porém, a fonte da atividade sinalisadora finalmente identificada não veio de um extrato de embriões, mas sim de um tipo de célula de Xenopus que originalmente foi obtida de girinos, mas que tem sido cultivada em muitos laboratórios há muitos anos. Quando células prospectivas de pele de embriões de 5 horas foram postas em contato com uma camada destas células cultivadas, as células embrionárias foram redirigidas a formar tecido muscular. Na verdade, simplesmente por exposição das células embrionárias ao fluido no qual tais células foram cultivadas, era suficiente para induzir a formação das células musculares. Significativamente, isto mostrou que o fator sinalizador era secretado para o meio e poderia, em princípio, ser purificado. Mas isto foi mais fácil dizer do que realizr, em parte porque a atividade era muito potente. Depois de três anos de esforços, cento e sesenta e cinco litros de flúido de cultura forneceram 1,6 milionésimos de grama de uma proteína pura. Colegas na quimica de proteínas em nosso instituto a identificaram como um hormônio chamado ativina.

A ativina já era conhecida dos endocrinologistas como um hormônio responsável pela produção, na hipófise, de outro hormônio chamado estimulador de folículos (FSH), que é necessário para a maturação e liberação de óvulos pelo ovário de mamíferos. Este novo resultado foi a primeira indicação de que a ativina poderia estar também envolvida no desenvolvimento embrionário. Igualmente importante, talvez, a ativina se tornou uma potente ferramenta experimental para estudar o mecanismo pelo qual eram estabelecidas as células da faixa equatorial do embrião, coletivamente chamadas de mesoderma pelos embriologistas. Permanecia incerto se a ativina, em si mesma, era realmente a molécula sinalizadora ou se ela mimetizava fortuitamente um fator sinalizador. No entanto, estudos subsequentes identificaram várias outras proteínas presentes em fases inicias dos embriões que são relacionadas à ativina e possuem propriedades similares. Mapas do desenvolvimento demonstram que a região equatorial do embrião inicial formam diferentes tipos de tecidos mesodérmicos de maneira regular. Células equatoriais de um lado do embrião formam a coluna vertebral embrionária, células adjacentes formam músculos e células do outro lado formam os rins.

Se todos os tipos de células mesodérmicas são induzidas pela ativina, como explicar esta padronização? Este tipo de problema já foi considerado anteriormente no trabalho de colegas nossos na Middlesex Hospital Medical School, que propuseram que uma única molécula sinalizadora poderia ter efeitos diferentes em células alvo, dependendo de sua concentração. Exatamente este efeito foi demonstrado para a ativina. Concentrações baixas de ativina tendem a induzir tecidos como os rins e o sangue, normalmente formados pelo lado ou ventre do girino. Concentrações mais altas formam tecidos do dorso do girino, tais como músculos e a coluna vertebral.

De que maneira moléculas como a ativina alteram o destino celular? Com o advento da biologia miolecular tornou-se possível colocar esta pergunta em termos mais específicos. Quando as células se especializam, eslas começam a produzir certos tipos de proteínas necessárias à sua função. particular. Células musculares, por exemplo, farão todas as proteínas necessárias à contração de fibras musculares, juntamente com aquelas necessárias para prover a energia requerida pela contração muscular. Elas fazem isto ativando o conjunto apropriado de genes que codificam estas proteínas. Os sinais que dirigem uma célula embrionária em uma dada direção precisam, portanto, modificar o padrão de genes ativados pela célula, ativando alguns e talvez inibindo outros. Estas mudanças não parecem se dar em um único passo, parecem ser estabelecidas em série, com alguns genes codificando proteínas que regulam outras mais abaixo em uma hierarquia sequencial. O resultado final é a diferenciação de um tipo célular especializado que é geralmente irreversível.

Desde a perspectiva da biologia molecular, as células “sabem” seu destino eventual quando sinais gatilham estas cascatas de mudanças na expressão gênica. Compreender de que maneira sinais como a ativina estabelecem mudanças no destino celular significa identificar os genes em cada passo do processo. Isto agora se tornou um objetivo viável e, novamente, experimentos com embriões de anfíbios forneceram avanços decisivos.

Uma maneira de testar o papel de um gene particular no desenvolvimento é averiguar qual o efeito da proteína que o gene codifica sobre células que normalmente não a sintetizam. Embriões de Xenopus se prestam a este tipo de experimentos. Ácidos nucleicos clonados codificando a proteína podem ser colocados por microinjeção no embrião, fazendo com que a proteína seja produzida em todas as células injetadas e seus descendentes. Os métodos de clonagem do DNA podem ser usados para alterar o DNA a ser injetado de forma que as células do embrião agora fazem uma proteína mutante. Este mutante pode ser uma forma super-ativa da proteína, mas também pode adotar uma forma que inibe a função da proteína normal. Examinado o efeito de versões mutantes e normais de um produto gênico no desenvolvimento embrionário, podemos começar a identificar o papel que ele desempenha no desenvolvimento. Por exemplo, sabemos agora identificar uns poucos genes que são ativados nos precursores de células da pele por exposição à ativina, Um destes genes, chamdo Bracyury, codifica uma proteína que, por si só, pode desencadear células embrionárias indecisas a formar músculo ou notocórdio. Isto sugere que a síntese da proteína Brachyury é um evento bem precoce no trajeto desenvolvimental que conduz a estes tipos celulares. Consistente com esta ideia, a proteína parece se ligar ao DNA, controlando a ativação de outros genes que atuam adiante no trajeto do desenvolvimento.

Como podemos nos assegurar que um gene que identificamos realmente desempenha o papel que lhe atribuímos neste tipo de estudos? Um modo simples é averiguar o efeito que a remoção do gene terá no desenvolvimento normal. Mutaçãoes que têm algum efeito podem ser induzidas ao axaso no material genético,por tratamento químico ou exposiçnao a radiaçnies, . Mutantes individuais podem então ser identificados para outros estudos, por pesquisas através do embriões identificando aqueles que fracassam em desenvolver um órgão particular ou um tecido de interesse. Esta abordagem foi usada antes por geneticistas usando a mosca das frutas, mas foi aplicado mais recentemente ao desenvolvimento de vertebrados usando embriões do peixe paulistinha (Zebra fish). Uma estratégia alternativa é a mutação seletiva de genes individuais por engenharia genética, um procedimento que se tornou bem estabelecido no estudo do desenvolvimento de embriões de camundongo. Seja a mutação ao acaso ou dirigida, um aspecto crucial de cada método é a capacidade cruzar e manter populações para cada mutação genética individual. Isso mostrou ser impossível com o Xenopus laevi, não apenas porque ele leva um ano ou mais para atingir a maturação sexual a partir de embriões. No entanto, rãs da espécie relacionada Xenopus tropicalis podem cruzar em menos de 4 meses, e parecem reter muitas senão todas as vantagens evidentes em seus primos de desenvovimento mais lento. A combinação de abordagens genéticas, moleculares e embriológicas para estudar as fases iniciais do desenvolvimento em um único vertebrado é uma possibilidade poderosa e entusiasmante.

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