Gilbert, Biologia do desenvolvimento, 5ed

1. Biologia doDesenvolvimento QUINTA EDIO

2. Biologia doDesenvolvimentoQUINTA EDIO Scott F. Gilbert Swarthmore College Traduo e RevisoAdolfo Max RothschildZuleika Rothschild Francisco A. de Moura Duarte Maria Helena Corra Marques 3. A capaFOTOGRAFIA DA CAPA: O mRNA para o Fator 8 de CrescimentoFibroblstico pode ser detectado pela hibridizao in situ da montagemtotal usando RNA marcado quimicamente que complementar aessa mensagem. No embrio de pinto de 3 dias, a mensagem do Fgf8 encontrada no ectoderma mais distal dos brotos dos membros, nolimite entre o crebro posterior e o crebro intermedirio, nos somitos,nos arcos branquiais do pescoo e na cauda em desenvolvimento. OFGF8 importante para diversos processos desenvolvimentais edesempenha papis crticos no crescimento dos membros e napadronizao do desenvolvimento do crebro. Captulos 3, 7 e 18.(Fotografia cortesia de E. Laufer, C.-Y. Yeo e C. Tabin.)FOTOGRAFIA DA CONTRACAPA: Fotografia de um embrio de pintode 20-21 dias nos estgios de pipping (bicando a casca internamente)Do original: Developmental biology, e pr-ecloso. Note o revestimento peridrmico proeminente naFifth Edition extremidade do bico (dente do ovo), usado pelo pinto para fazerCopyrigth 1997 by Sinauer Associates,Inc.buracos na casca do ovo, a qual se tornou mais fina e mais quebradia,como uma conseqncia da utilizao de minerais pelo embrio paraDados Internacionais de Catalogao naseu crescimento esqueltico. Esse estgio desenvolvimental marca a Publicao (CIP)(Cmara Brasileira do livro, SP, Brasil)transio do embrio em um pinto que respira ar. Captulos 1 e 5. _____________________________________(Fotografia do International Poultry Journal, cortesia de R. Tuan.)Gilbert, Scott F., 1949-Biologia do desenvolvimento /Scott F. Gilbert. --As pginas de ttulo5. ed. -- Ribeiro Preto, SP :FUNPEC Editora, 2003. PGINA ESQUERDA: A expresso gnica gera limites nos discos imagi-Ttulo original : Developmental biology nais da Drosophila. Os discos grandes e pequenos dentro da larva daVrios tradutores e revisores.mosca formam as asas e os halteres, respectivamente, no adulto. Nes-Bibliografia. se estgio, a protena Apterous (vermelho) expressa somente nosISBN 85-87528-61-0compartimentos dorsais; a protena Cubitus interruptus (azul) mar-ca os compartimentos anteriores (mas no os posteriores) (uma linha1. Biologia do desenvolvimento I. Ttulo.formando esse limite pode ser observada). A colorao verde (origi-03-4459 CDD-571.8 nria da protena Vestigial) no interior demarca o limite entre o mem- _____________________________________bro livre e a articulao ligando-o parede torcica. Captulo 19. (Fo-ndices para catlogo sitemtico: tografia cortesia de J. Williams, S. Paddock e S. Carroll.)1. Bilogia do Desenvolvimento: Cincias da vida 571.8PGINA DIREITA: Expresso do gene paraxis no embrio de pinto noestgio de 6 somitos. Hibridizao in situ da montagem total usandoDireitos para a lngua portuguesa cedidos pela Sinauer Associates, Inc. para a RNA marcado com digoxygenin complementar a uma poro da Fundao de Pesquisas Cientficas de mensagem paraxis do pinto mostra a expresso desse gene durante a Ribeiro Preto que se reserva aformao do somito. A protena Paraxis importante no estabeleci- propriedade desta traduo.mento da estrutura desses grupos mesodrmicos. Captulos 2 e 9.Proibida a reproduo dos textos(Montagem fotogrfica cortesia de R. Tuan.) originais, mesmo parcial e por qualquer processo, sem autorizao da editora. 4. Para Daniel, Sarah, e David 5. Tabela de ContedosPARTE I Introduo Biologia do DesenvolvimentoIntroduo ao desenvolvimento Genes e desenvolvimento:animal 1 1Introduo e tcnicas 35 2O objetivo da biologia do desenvolvimento 1 As origens embriolgicas da teoria dos genes 35Os problemas da biologia do desenvolvimento 2Ncleo ou Citoplasma: Qual Controla aOs estgios do desenvolvimento animal 3 Hereditariedade? 35Nossa herana eucaritica 5O Cromossomo X como uma Ponte Entre Genes eDesenvolvimento entre eucariotos unicelulares 6 Desenvolvimento 37 Controle da Morfognese no Desenvolvimento emA ciso entre a embriologia e a gentica 38 Acetabulria 6 Primeiras tentativas da gentica do desenvolvimento 39 Diferenciao em Ameboflagelados Naegleria 10Evidncia para a equivalncia genmica 40 As Origens da Reproduo Sexual 12Metaplasia 40Eucariotos coloniais: A evoluo da diferenciao 16 Clonagem de Anfibios: A Restrio da Potncia As Volvocaceanas16 Nuclear 42 Informaes adicionais & Especulaes Clonagem de Anfbios: A Pluripotncia de Clulas Sexo e Individualidade em Volvox18 Somticas 43 Diferenciao e Morfognese em Dictyostelium21Informaes adicionais & Especulaes Informaes adicionais & Especulaes Clonando Mamferos por Prazer e Lucro45 Evidncia e Anticorpos 25Sobre E.coli e elefantes: O modelo operon 47 Informaes adicionais & EspeculaesSntese diferencial de RNA 49 Como o Grex Sabe Qual Lado Est Para Cima 27 Hibridizao de cido nuclico 54Padres desenvolvimentais entre metazorios28 Clonagem de DNA genmico 55 Os Porferos 29Hibridizao de DNA: entre e intra espcies58 Protostomatas e Deuterostomatas30Seqenciamento de DNA59Anlise de mRNA atravs de bibliotecas de cDNA 61Tcnicas de localizao de RNA 63 Hibridizao In Situ 63 Transferncias Northern 64 6. Tabela dos ContedosviiEncontrando mensagens raras pela reao da polimerase Identificando molculas de adeso celular e seuem cadeia 66papel no desenvolvimento 92Determinando a funo do gene: clulas e organismos Caderinas 92transgnicos 69 CAMs da superfamlia de imunoglobulinas 95 Tcnicas de insero de DNA novo em uma clula 69 Molculas da juno celular: protenas da juno em Camundongos quimricos 70 fenda 97 Experimentos com genes com endereamentoA base molecular da afinidade clula-substrato 99 (Gene targeting ou Knockout) 70Afinidade diferencial a substrato 99Determinando a funo de uma mensagem: RNA antisense 73 A matriz extracelular 99Reinvestigao de velhos problemas com novos mtodos 73 Receptores celulares para molculas da matrizUma concluso e um alerta 75extracelular 104Adeso diferencial resultante de sistemas deBase celular da morfognese:adeso mltipla 106Afinidade celular diferencial 793Molculas de receptores e vias de transduo de sinais 107A via JAK-STAT 107Afinidade celular diferencial 80A via RTK-Ras 108 O modelo termodinmico de interaes celulares 84Informaes adicionais & Especulaes Informaes adicionais & EspeculaesMutaes negativas dominantes em receptores 110 Evidncia para o modelo termodinmico87A via do inositol fosfato 111A base molecular das adeses clula-clula 88 Cruzamentos entre vias 112 As classes de molculas de adeso celular88A matriz extracelular e a superfcie da clula como Informaes adicionais & Especulaesfontes de sinais crticos para o Anticorpos monoclonais e gentica reversa89desenvolvimento112Molculas de adeso celular 92Interaes recprocas na superfcie celular113PARTE II Padres de DesenvolvimentoFertilizao: Iniciando umPreveno da Polispermia140novo organismo 1214 Informaes adicionais & EspeculaesA Ativao do Metabolismo dos Gametas Ativao do metabolismo do vulo 149147Estrutura dos gametas121Respostas precoces149 Espermatozide121Respostas tardias 151 O vulo 125Fuso do material gentico 152Reconhecimento do vulo e do espermatozide: Ao Informaes adicionais & Especulaesdistncia 128 A No-Equivalncia dos Proncleos de Atrao do Espermatozide 128 Mamferos 154 Ativao Espermtica: A Reao Acrossmica no Rearranjo do citoplasma do vulo 156 Ourio-do-Mar 129Preparao para a Clivagem158 Informaes adicionais & Especulaes Ao Distncia: Gametas de Mamferos 131 Clivagem: Criando Reconhecimento do vulo e espermatozide: Contato de gametas 132 Reconhecimento Espcie-Especfico em Ourios- multicelularidade 1675 do-Mar 132PADRES DE CLIVAGEM EMBRIONRIA 168 Ligao de Gametas e Reconhecimento emClivagem holoblstica radial 169 Mamferos 135A holotria, Synapta169Fuso de gametas e a preveno da polispermia 139 Ourio-do-Mar 170 Fuso entre as membranas do vulo e do Anfbios 173espermatozide 139 Clivagem holoblstica espiral175 7. viii Tabela dos Contedos Informaes adicionais & EspeculaesMecanismos de gastrulao em aves238 Adaptao pela modificao da clivagemGastrulao em mamferos242 embrionria 178Modificaes para desenvolvimento dentro de Clivagem Holoblstica Bilateral 179 outro organismo 242Clivagem holoblstica rotacional180 Formao de membranas extra-embrionrias 245 Compactao181 Informaes adicionais & Especulaes Incio do desenvolvimento vertebrado: A Superfcie da Clula e o Mecanismo deCompactao 184 Formao da massa celular interna 185 Neurulao e ectoderma 253 FORMAO DO SISTEMA NERVOSO CENTRAL254 7 Fuga da Zona Pelcida 185 Neurulao: aspectos gerais 254 Informaes adicionais & EspeculaesNeurulao primria 255 Gmeos e clulas embrionrias precursoras186 A mecnica da neurulao primria 257Clivagem Meroblstica 188 A formao da placa neural 257 Clivagem discoidal 189 Formao do assoalho da placa neural 258 Clivagem Superficial 192 A modelagem e dobramento da placa neural 259 Informaes adicionais & EspeculaesFechamento do tubo neural 260 Excees, Generalizaes, e Clivagem Informaes adicionais & EspeculaesParastica da Vespa 195 A modelagem dorsoventral do sistema nervoso 264MECANISMO DE CLIVAGEM 196Neurulao secundria 264Regulando o ciclo da clivagem 196Diferenciao do tubo neural 265 Fator promotor de maturao197 Formao das regies do crebro265 Informaes adicionais & EspeculaesInformaes adicionais & Especulaes MPF e Seus Reguladores 198 Determinando as regies do crebro anterior eO mecanismo citoesqueltico da mitose 201 crebro mdio 268A formao de novas membranas 203 Arquitetura de Tecido no Sistema Nervoso Central 270Organizao do cerebelo 272Gastrulao: Reorganizando as Organizao cerebral 274clulas embrionrias 209 6 Tipos de neurnios 276 Desenvolvimento do olho em vertebrados279Dinmica do desenvolvimento tico279Gastrulao em ourio-do-mar210Diferenciao da retina neural 280 Ingresso do Mesnquima Primrio 210Informaes adicionais & Especulaes Primeiro estgio da invaginao do arquntero 215Porque os bebs no enxergam bem 282 Segundo e terceiro estgios da invaginao doDiferenciao do cristalino e da crnea283 arquntero 217 A CRISTA NEURAL 284Gastrulao em peixes218 A crista neural e seus derivados284 A transio da blstula intermediria e a aquisio A crista neural do tronco 285 de motilidade celular 218Vias de migrao das clulas da crista neural do Formao das camadas germinais 220tronco 285Gastrulao de anfbios 221A matriz extracelular e a migrao da crista neural Movimentos celulares durante a gastrulao dedo tronco 287 anfbios 221Informaes adicionais & Especulaes Posicionando o blastporo 224Anlise das mutaes que afetam o desenvolvi- Movimentos celulares e a construo do arquntero 226 mento das clulas da crista neural 290 Migrao do mesoderma involutivo 229 A potncia do desenvolvimento das clulas da crista Informaes adicionais & Especulaesneural do tronco 291 Reguladores moleculares do desenvolvimento:Diferenciao final das clulas da crista neural 292 Fibronectinas e as vias da migrao A crista neural ceflica 293 mesodrmica 230Vias migratrias das clulas da crista neural Epibolia do ectoderma 232ceflica 293Gastrulao em aves233Potncia de desenvolvimento das clulas da crista Generalidades sobre gastrulao em aves233neural ceflica 295 8. Tabela dos ContedosixA crista neural cardaca 296Incio do desenvolvimentoA EPIDERME E A ORIGEM DAS ESTRUTURAS CUTNEAS297 A origem das clulas epidrmicas297vertebrado: Mesoderma e Apndices cutneos 299Concluses 300endoderma 341 9Especificidade axnica 3078 MESODERMA 341Mesoderma dorsal: A notocorda e a diferenciao dos somitos 341A gerao da diversidade neuronial 307 Mesoderma Paraxial 341 Especificao do Neurnio Motor de Vertebrado308Somitmeros e a Iniciao da Formao do Especificao dos Neurnios Motores emSomito 343Drosophila 310 Gerao de Tipos de Clulas Somticas 344Formao de padres no sistema nervoso 312 Miognese: Diferenciao do MsculoSeleo de trajetrias: Orientao pela matriz Esqueltico 347 extracelular 313Informaes adicionais & Especulaes Orientao pelo Terreno Fsico: Orientao porConstruo Muscular e a Famlia MyoD de Contato 313Reguladores Transcricionais 349 Orientao para Gradientes de Adeso: Osteognese: O Desenvolvimento Haptotaxia 314 dos Ossos 351 Conduo por Sinais Migratrios especficos Informaes adicionais & Especulaes do Axnio: A Hiptese das Trajetrias Controle da Condrognese na Placa de Marcadas 315 Crescimento 357 Orientao pela Repulso Especfica de Cones deMesoderma da Placa Lateral 358 Crescimento 317 Formao das Membranas Informaes adicionais & EspeculaesExtra-Embrionrias 359 Sexo,Odor e Adeso Especfica 319 O Corao 361Seleo de trajetria: Orientao por molculasFormao dos vasos sangneos 366 difusveis 320Informaes adicionais & EspeculaesSinais para conduo mltipla 323Redirecionando o Fluxo Sangneo no Neurnios Motores Vertebrados323 Mamfero Recm-nascido 372 Axnios da Retina 325O Desenvolvimento de clulas sangneas 373Selees de alvos 326O Conceito de Clula-tronco 373 Especificidades Adesivas em Diferentes RegiesClulas-tronco Pluripotenciais e Microambientesdo Tectum 328 Hematopoticos 374Seleo de endereo: Desenvolvimento dependente de Desenvolvimento Osteoclstico 377 atividade 331 Locais de Hematopoiese 378Sobrevivncia diferencial aps a inervao: Fatores ENDODERMA 380 neurotrficos 331Faringe 380 Informaes adicionais & EspeculaesO tubo digestivo e seus derivados382 Neurnios Fetais em Hospedeiros Adultos334Fgado, Pncreas e Vescula Biliar382O desenvolvimento de comportamentos: constncia eO Tubo Respiratrio 383plasticidade 334 9. x Tabela dos ContedosPARTE III Mecanismo da Diferenciao CelularRegulao transcricional da expresso Ruptura e reorganizao de nucleossomos: o papel dos complexos de ruptura 436gnica: Fatores de transcrioRuptura e reorganizao de nucleossomos: o papele a ativao de promotores da competio de histonas 437especficos 39110Regies de controle de loco: transcrio do gene daglobina 437Informaes adicionais & Especulaesxons e ntrons 392 Trocas no gene de globina 440Estrutura e funo do promotor 394 Metilao de DNA e atividade gnica 442 Estrutura do promotor 396Correlaes entre metilao do promotor e Funo do promotor 397inatividade gnica 442 Informaes adicionais & EspeculaesMetilao e a manuteno dos padres de RNA polimerase e os fatores trans-reguladores transcrio 443 no promotor 399Informaes adicionais & EspeculaesEstrutura e funo dos intensificadores 402 Metilao e impresso gnica 444 Necessidade de intensificadores402Compensao de dosagem do cromossomo X de Funo do intensificador: Modelos temporais e mamferos 446espaciais de transcrio 403 Informaes adicionais & EspeculaesFatores de transcrio: Os trans-reguladores dosO mecanismo de inativao do cromossomo X 449 promotores e dos intensificadores 404 Associao do DNA ativo com a matriz nuclear451 Protenas de homeodomnio 405Ligao da cromatina ativa a uma matriz nuclear 451 Os fatores de transcrio POU 406Topoisomerases e a transcrio gnica 453 Informaes adicionais & EspeculaesIsoladores e domnios 454 Regulao da transcrio dos genes de cadeia Resumo 455 leve das imunoglobulinas 409 Fatores de transcrio bsicos do tipo hlice-ala- hlice 415Controle do desenvolvimento pelo Informaes adicionais & Especulaes processamento e traduo Regulando as protenas bHLH miognicas: Governando a troca entre proliferao e diferenciao de clulas musculares 416 diferencial do RNA 46112 Fatores de transcrio do zper bsico da leucina 416 CONTROLE DO DESENVOLVIMENTO PELO PROCESSAMENTO Informaes adicionais & EspeculaesDIFERENCIAL DE RNA 461 Armadilhas do intensificador: natural e Controle do desenvolvimento precoce pela seleo de experimental 418 RNA nuclear 462 Fatores de Transcrio Dedo de Zinco 420Os mecanismos de emenda de RNA: Spliceosomes 465 Receptores Nucleares de Hormnios e SeusEmenda alternativa do RNA: Criando protenas Elementos Responsivos a Hormnios420 alternativas a partir do mesmo gene 466Protenas que dobram o DNA 423Um gene, Muitas Protenas Relacionadas 466Ativao dependente de contexto ou silenciamento 423Processamento Alternativo de RNA eRegulao da atividade do fator de transcrio 425 Determinao Sexual em Drosophila 468Uso Disseminado do Processamento de RNA para o Controle da Expresso Gnica 471Regulao transcricional daREGULAO DA TRADUO DOS PROCESSOSexpresso gnica: A ativao da DESENVOLVIMENTAIS 471cromatina 43111Mecanismos da traduo eucaritica 472 Controle da sntese protica pela longevidade diferencialdo mRNA 474Nucleossomos e a ativao da cromatina reprimida431 Degradao Seletiva de mRNAs475 Acessibilidade a fatores trans-reguladores 432Controle da traduo de mensagens do ocito476 Stios hipersensveis DNAase I 434 10. Tabela dos Contedos xi Caracterizao de RNAs Mensageiros Informaes adicionais & EspeculaesArmazenados em Ocitos 477A Ativao do Genoma Embrionrio 488 Informaes adicionais & Especulaes Regulao dos genes da traduo em larvas e Determinando o Destino Celular por Meio doadultos 490mRNA Localizado do Ocito 480 Determinao de Gametas em C. elegans 490Mecanismos para a regulao da traduo das RNA Antisenso Natural 491 mensagens dos ocitos 481Disjuntores do Controle da Traduo 492 A Hiptese da Mensagem Materna Mascarada 482 Editorao do RNA 493 A Hiptese da Cauda Poli(A) 483 Controle da traduo e sntese protica coordenada: A Hiptese da Eficincia da Traduo 486 Produo de Hemoglobina 494 Outros sistemas de ativao do mRNA: MensagensEplogo: Regulao Ps-traduo 497 sem Cap e Mensagens Seqestradas 486PARTE IV Especificao do Destino Celular e osEixos EmbrionriosEspecificao celular autnoma A gentica dapor determinantesespecificao axial emcitoplasmticos 50513Drosophila 54314Comprometimento celular e diferenciao505 Resumo do desenvolvimento de Drosophila 543Pr-formao e epignese 507 AS ORIGENS DA POLARIDADE NTERO-POSTERIOR 545 Os Teratologistas Franceses509Viso Panormica 545Especificaes autnomas em embries de tunicados510 Os genes de efeito materno 546 O determinante formador de msculos do Evidncia Embriolgica da Regulao dacrescente amarelo 511 Polaridade pelo Citoplasma do Ocito 546 Especificao citoplasmtica das linhagens O Modelo Molecular: Gradientes Proticos noendodrmicas e epidrmicas e o eixo ntero- Embrio Precoce 547posterior 514 Informaes adicionais & EspeculaesLocalizao citoplasmtica em embries de moluscos 515Modelos de Gradientes da Informao O lbulo polar 517 Posicional 551Especificao celular no nematdeo Caenorhabditis Evidncia que o Gradiente da Protena Bicoid elegans 521Constitui o Centro de Organizao Anterior 552 Controle maternal da identidade do blastmero: O O Centro de Organizao Posterior: Localizando econtrole gentico das clulas progenitorasAtivando o Produto de nanos 556farngeas de C. elegans 524 O Grupo Gene Terminal 557 Regulao em C. elegans 527 Os genes da segmentao559 Informaes adicionais & EspeculaesUma Viso Panormica 559 Ser ou No Ser: Esse o Fentipo 529Os Genes de gap 561Divises celulares assimtricas no desenvolvimentoOs Genes pair-rule 563 tardio 530 Os Genes de Polaridade Segmentar 565Localizao citoplasmtica de determinantes de clulas Os genes de Seleo hometica 569 germinativas 531 Padres de Expresso dos Genes Hometicos 569 Determinao de clulas germinativas emIniciando os Padres da Expresso dos genes nematdeos 531Hometicos 572 Determinao da clula germinativa em insetos 532Mantendo os Padres de Expresso dos genes Componentes do plasma polar da Drosophila 534 Hometicos 572 Determinao de clulas germinativas emOs Elementos Cis-Reguladores e o Complexo anfbios 536Bithorax 574 Resumo538 11. xii Tabela dos ContedosInformaes adicionais & EspeculaesInduo de especificidade mesodrmica ventral eRegulao Molecular do Desenvolvimento: As lateral 612 Protenas do Homeodomnio576 A criao da atividade do organizador613A GERAO DA POLARIDADE DORSOVENTRAL EMProtenas secretadas do organizador 613 DROSOPHILA 577Informaes adicionais & EspeculaesA protena Dorsal: Morfgeno para a polaridade BMP4 e a lagosta de Geoffroy 616 dorsoventral 577Fatores de transcrio induzidos noTranslocao da Protena Dorsal 577organizador 619Provendo o sinal assimtrico para a translocao daInformaes adicionais & Especulaesprotena Dorsal 578Como o Organizador Neuraliza oSinal do Ncleo do Ocito para as ClulasEctoderma? 621Foliculares 578 A especificidade regional de induo621Sinalizao das Clulas Foliculares para o A determinao das diferenas regionais 621Citoplasma do Ocito 580 O modelo do duplo gradiente 623O Estabelecimento do Gradiente da Protena Correlatos moleculares da caudalizaoDorsal 581neural 624PRIMRDIOS DE RGOS E EIXOS 585 Informaes adicionais & EspeculaesO modelo de coordenadas cartesianas e a especificaoSinais verticais e horizontais dodos primrdios dos rgos 585 organizador 626Resumo: Alguns princpios do desenvolvimento daGenes homeobox na especificao neural 628Drosophila 586Competncia e cascatas indutivas 628Especificao do destino celularEstabelecimento dos eixospor interaes clula-clulacorporais em mamferosprogressivas 59115e aves 635 16Desenvolvimento regulativo 591Iniciando o eixo ntero-posterior 635Testando a teoria do plasma germinativo592 Estabelecendo um Centro de Nieuwkoop 635August Weismann: A teoria do plasmaExpresso Gnica em Tecidos Organizadores 636germinativo 592 Especificando o eixo ntero-posterior de mamfero: AWilhelm Roux: Desenvolvimento em mosaico 593 hiptese do cdigo Hox 637Hans Driesch: Desenvolvimento Regulativo594Homologia dos Complexos de Genes HometicosSven Hrstadius: Potncia e gradientes em ocitos 597entre Drosophila e Mamferos 637Formao de um organismo integrado: Restringindo Expresso de Genes Hox no Sistema Nervosoa potncia das clulas vizinhas 598Central e seus Derivados 638Regulao durante o desenvolvimento de anfbios 600Anlise Experimental de um Cdigo Hox: GeneHans Spemann: Determinao progressiva das Alvo 640 clulas embrionrias 600Transformao Parcial de Segmentos porHans Spemann e Hilde Mangold: InduoEliminao de Genes Hox Expressos no embrionria primria 603Tronco 642O centro de Nieuwkoop606 Anlise Experimental do Cdigo Hox: TeratogneseA formao do centro de Nieuwkoop e a polaridade do cido Retinico 643mesodrmica 606Evidncia para um Cdigo Hox da AnatomiaA especificao da polaridade dorsoventral naComparada 645fertilizao 607 Informaes adicionais & EspeculaesA base molecular da induo mesodrmica 609Animais como Variaes sobre o Mesmo TemaEstabelecendo a regionalizao dorsal: o possvel Desenvolvimental 646papel da -catenina 609 Eixos dorsoventral e esquerdo-direito em mamferos eO funcionamento do centro de Nieuwkoop: funesaves 647para Vg1 e Noggin 610 12. Tabela dos Contedos xiiiPARTE V Interaes Celulares Durante a Formao do rgoInteraes proximais de tecidos:de crescimento dos fibroblastos comoInduo secundria 655 17 indutores do broto do membro 704Induo da crista ectodrmica apical 704 Produo do eixo prximo-distal dos membros 706Interaes instrutivas e permissivas655 A crista ectodrmica apical: O componenteCompetncia e receptores 656ectodrmico 706Fatores parcrinos 657A zona progressiva: O componente mesodrmico 708 Os Fatores de Crescimento Fibroblstico 658Genes Hox e a especificao do eixo prximo- A famlia hedgehog 659 distal do membro 709 A famlia Wnt 660Interaes entre a AER e a zona progressiva 711 A superfamlia TGF- 661 Mutaes nas interaes entre a zona progressiva Sinalizao Justcrina 662 e a AER 711Interaes epitlio-mesnquima663 Informaes adicionais & Especulaes Especificidade Regional da Induo663A regenerao dos membros da salamandra e a Especificidade Gentica da Induo666reteno do eixo prximo-distal 714Cascatas de induo embrionria: Induo do cristalino 667 Especificao do eixo ntero-posterior dos membros 716 Os Fenmenos da Induo do Cristalino 667A zona de atividade polarizante 716 A Base Celular da Induo do Cristalino 668Sonic hedgehog como definidor da ZPA 717 Formao da Crnea 672 Interaes entre a AER e a ZPA para integrarFormao de rgos parenquimatosos 672crescimento e padro 718 Morfognese do Rim de Mamfero 673 Especificando a ZPA 721 Os Mecanismos da Organognese Renal 676 A produo do eixo dorsoventral 721 Informaes adicionais & Especulaes Distinguindo o membro anterior do membro posterior 722 Diferenciao Coordenada e Morfognese no Informaes adicionais & Especulaes Dente 682Lies de limbless 724Mecanismos de ramificao na formao de rgosMorte celular e a formao de dgitos 724parenquimatosos 683Informaes adicionais & Especulaes A Matriz Extracelular como um Elemento Crtico Evoluo do membro tetrpode 726 na Ramificao 684 Fatores Parcrinos Efetuando Padres de Ramificao 686 Interaes celulares distncia:Induo ao nvel de uma nica clula 687 Hormnios como mediadores do Induo Vulvar no Nematide Caenorhabditis elegans 690 Informaes adicionais & Especulaes desenvolvimento 73319 Interaes Clula-Clula e Possibilidade na Metamorfose: o direcionamento hormonal do Determinao de Tipos Celulares 692desenvolvimento 733 Metamorfose anfbia 734Controle hormonal da metamorfose de anfbios 735Desenvolvimento do membrode tetrpode 701 18 Respostas Moleculares aos Hormnios da Tireide Durante a Metamorfose 740Informaes adicionais & EspeculaesPadronizao no membro 701Heterocronia743Formao do broto do membro 702Metamorfose em insetos 746 O campo do membro 702Everso e Diferenciao dos Discos Imaginais 746 Especificao dos campos do membro: GenesInformaes adicionais & EspeculaesHox e cido retinico 703 A determinao dos discos imaginais da perna Crescimento do broto de membro precoce: fatores e da asa 750Remodelao do sistema nervoso 753 13. xiv Tabela dos ContedosControle Hormonal da Metamorfose de Insetos754Hermafroditismo795A biologia Molecular da Atividade da Hermafroditismo no Nematide C. elegans 795Hidroxiecdisona 757Hermafroditismo em Peixes 797Informaes adicionais & Especulaes Determinao ambiental do sexo 798Controle ambiental sobre a forma e a funo da Determinao Sexual Dependente de Temperatura larva 761em Reptis 798Interaes hormonais mltiplas no desenvolvimento da Determinao Sexual Dependente da Localizao glndula mamria 762 em Bonellia viridis e Crepidula fornicata 799Estgio embrionrio762Resumo800Adolescncia 765Gravidez e lactao765Regulao ambiental doDeterminao do sexo 77320desenvolvimento animal 805 21REGULAO AMBIENTAL DO DESENVOLVIMENTO NORMAL806Determinao cromossmica do sexo em mamferos 774Sugestes ambientais usadas pelos organismos paraDeterminao Sexual Primria 774 completar seus desenvolvimentos 806Determinao Secundria do Sexo 774 A colonizao larval 806As Gnadas em Desenvolvimento775 Refeies de sangue 808Determinao sexual primria dos mamferos: Genes Simbiose no desenvolvimento 808cromossmicos Y para a determinao dosDiferenas ambientais previsveis como sugestes para otestculos 777 desenvolvimento 810SRY: O Determinante Sexual do Cromossomo Y778 Sazonalidade e sexo: Afdios e Volvox 810Determinao sexual primria em mamferos: Genes Diapausa 812autossmicos na determinao de testculos 780Plasticidade fenotpica: Polifenismo e regras deSOX9: Reverso Autossmica na Displasia reao 813 Campomlica 780 Polifenismo sazonal em borboletas 814SF1: A Ligao Entre SRY e as Trajetrias Polifenismo nutricional 816 Desenvolvimentais Masculinas 780 Determinao sexual dependente do ambiente 817Determinao sexual primria em mamferos:Fatores ambientais imprevisveis controlando oDesenvolvimento ovariano 781 desenvolvimento animal 818DAX1: Um Potencial Gene Determinante de Ovrio Defesas induzveis contra a predao 819 no Cromossomo X 781 Plasticidade fenotpica e mudanas no ambiente 820Wnt4a: Um Potencial Gene Determinante de Informaes adicionais & Especulaes Ovrio em um Autossomo 781 Assimilao Gentica 821Determinao sexual secundria em mamferos782A contnua plasticidade do desenvolvimento 822Regulao Hormonal do Fentipo Sexual 782 O sistema imune: Desenvolvimento no adulto 822Testosterona e Diidrotestosterona 783 Aprendizado: Um sistema nervoso adaptvel aoHormnio Anti-Mlleriano 784 ambiente 823O Sistema Nervoso Central 785DISTRBIOS AMBIENTAIS DO DESENVOLVIMENTO NORMAL827Informaes adicionais & EspeculaesMalformaes e distrbios 827O Desenvolvimento de ComportamentosAgentes teratognicos 828 Sexuais 787 cido retinico como um teratognico 829Determinao sexual cromossmica em Drosophila 788 Talidomida como um teratognico 830A Via do Desenvolvimento Sexual 788 lcool como um teratognico 833O Gene Sex-lethal como o Piv para a Outros agentes teratognicos 835 Determinao do Sexo 790 Informaes adicionais & EspeculaesOs Genes transformer793 Estrgenos Ambientais 836doublesex: O Gene Comutador da DeterminaoInteraes gentica-ambiental837 Sexual 793Resumo 837Genes-alvo para a Cascata de Determinao Sexual 794 14. Tabela dos Contedos xvA saga da linhagemMecanismos desenvolvimentaisgerminativa 843 22da mudana evolucionria 883 23Migrao das clulas germinativas 843 Unidade de Tipo e Condies de Existncia883Migrao das Clulas Germinativas em A Sntese de Charles Darwin 883 Anfbios 843E. B.Wilson e F. R. Lillie 885Migrao das Clulas Germinativas emA evoluo do desenvolvimento precoce: E. Pluribis Mamferos 844Unum 885Informaes adicionais & EspeculaesA emergncia dos embries 885Teratocarcinomas e Clulas-TroncoFormao de um Novo Filo: Modificando osEmbrionrias 847Caminhos do Desenvolvimento 887Migrao de Clulas Germinativas em Aves eModularidade: O pr-requisito para mudana evolutivaRpteis 848 atravs do desenvolvimento 891Migrao de Clulas Germinativas Primordiais emModularidade 891Drosophila 849 Dissociao: Heterocronia e Alometria 891Meiose 850 Duplicao e Divergncia 893Informaes adicionais & EspeculaesCo-opo 894Grandes Decises: Mitose ou Meiose?Progresso correlacionada 896 Espermatozide ou vulo? 853 Restries ao desenvolvimento898Espermatognese 855Restries Fsicas 898Espermiognese857Restries Morfogenticas 898Informaes adicionais & EspeculaesRestries Filticas899Expresso Gnica Durante o Desenvolvimento Evoluo Conjunta do Ligante e Receptor: do Espermatozide 858Isolamento Reprodutivo 901Oognese 860O mecanismo gentico do desenvolvimento daMeiose oognica 860 mudana evolucionria: Genes reguladoresMaturao do Ocito em Anfibios 861 homlogos 902Concluso da meiose: Progesterona ePax6 e o desenvolvimento do olho 902Fecundao 864 BMP4 e a Morfognese dos Membros 904Transcrio Gnica em Ocitos 865Genes Hox e a Evoluo dos Vertebrados 905Oognese Merostica em Insetos867Genes Hox e a Evoluo dos Artrpodes 907Informaes adicionais & EspeculaesCaminhos homlogos do desenvolvimento 909A Origem dos Eixos Embrionrios deCriando novos tipos de clulas: O mistrio evolucionrio Drosophila Durante a Oognese 869bsico 911Oognese em Mamferos 870 Uma nova sntese evolucionria 912Informaes adicionais & EspeculaesO Reincio da Meiose nos Ocitos de Fontes Para as Citaes das Aberturas Mamferos 875dos Captulos C-1ndice de Autores IA-1ndice de Assuntos IA-2ndice de Abreviaturas IA-3 15. Prefcio O s ltimos anos do sculo 20 encontram a biologia do desenvolvimento retornando posio que ela ocupou no incio do sculo: a disciplina que unifica os estudos da hereditariedade, evoluo e fisiologia. Em 1896, a primeira edio de B. Wilson do The Cell in Development and Inheritance anunciou a verdade maravilhosa que uma nica clula pode conter em seu interior sua extenso microscpica da soma-total da herana das espcies. Hoje, a biologia do desenvolvimento est na vanguarda desse estudo de nossa herana natural. Nos seus aspectos moleculares, ela toca a qumica fsica na sua investigao dos mecanismos bioqumicos pelos quais protenas diferentes so produzidas em clulas diferentes do mesmo genoma. Ela tambm est na liderana dos estudos evolucionrios que procuram entender como mudanas macroevolucionrias ocorreram. Ela abriu recentemente uma rea nova da biologia do desenvolvimento ecolgico, onde mudanas ambientais so vistas criando alteraes no desenvolvimento do organismo. Durante os ltimos 3 anos, a biologia do desenvolvimento tambm expandiu para a medicina, fundindo-se com a gentica clnica para criar uma cincia revitalizada da embriologia humana, uma cincia que j se tornou importante na explanao das malformaes congnitas. A quinta edio do Biologia do Desenvolvimento foi revisada e reescrita para refletir essas revolues que esto acontecendo. Aconteceram quatro mudanas importantes na estrutura do livro desde sua ltima edio. Pri- meiro, tornou-se impossvel discutir os princpios fundamentais da embriologia sem o conhecimento da atividade gnica ou vias da transduo de sinais. Portanto, essa informao foi trazida dentro da seo introdutria do livro de modo que interaes celulares, tais como fertilizao e induo, podem ser apreciadas tanto no mbito molecular quanto no morfolgico. Segundo, novo interesse nos efeitos do ambiente no desenvolvimento normal e anormal conduziu a um novo captulo. O Captulo 21, Regulao Ambiental do Desenvolvimento Animal, diz respeito s vias pelas quais o meio ambiente afeta o fentipo do organismo. Interesse na proteo ambiental e em controvrsias envolvendo a possibilidade de poluentes teratognicos foraram uma nova percepo das influncias que o meio ambiente repre- senta no desenvolvimento normal e anormal. Na verdade, os biologistas do desenvolvimento podem rapidamente encontrar-se frente dos movimentos da conservao ecolgica. As primeiras quatro edies deste livro bus- caram integrar abordagens molecular, celular e orgnica biologia do desenvolvimento; esta edio adiciona a dimenso ecolgica. Terceiro, esta edio introduz novas nfases nos papis dos fatores parcrinos no desenvolvimento. No somente os estudos da transduo de sinais esto colocados na seo introdutria deste livro, como a Parte V 16. Prefcio xviida Quinta Edio inicia com uma viso geral das famlias do fator de cres-cimento fibroblstico, TGF-, Wnt e Hedgehog dos fatores de crescimentoe diferenciao.Quarto, este livro est conectado a um website onde estudantes e pro-fessores podem encontrar mais material em muitos tpicos selecionados.Tal material inclui (1) detalhes de experimentos que so extremamenteespecializados para serem colocados no texto, (2) informao histrica so-bre reas particulares da biologia do desenvolvimento e personalidadesenvolvidas, (3) implicaes mdicas de fenmenos particulares do desen-volvimento, (4) debates ou comentrios em questes relevantes para o cam-po, e (5) atualizaes do material do texto nessa rea da biologia de cresci-mento cada vez mais rpido. Filmes e entrevistas gravadas esto includase esses artigos de destaque podero ser expandidos medida que a tecnologiaos tornar mais fceis para serem usados. Esse website est conectado tam-bm a outros websites e podem ser usados para enriquecer a perspectiva dealgum sobre o que est acontecendo no desenvolvimento animal. A presen-a de um website nos permite manter o direcionamento deste livro s pesso-as para as quais isso foi originalmente pretendido: estudantes dos ltimosanos da graduao e do incio da ps-graduao. Ele tambm me ajudou ano deixar o livro tornar-se um substituto para peso de papel.A viso de Roux foi que a biologia do desenvolvimento algum dia cons-tituiria a base de todas as outras disciplinas biolgicas e, em continuadasimbiose com essas disciplinas, desempenharia uma parte proeminente nassolues dos problemas da vida. Essas foram palavras audaciosas, at mes-mo arrogantes h cem anos atrs; hoje, elas expressam uma aceitao ampla-mente sustentada. O desenvolvimento integra todas as reas da biologia edesempenha um papel crucial em relacionar o gentipo ao fentipo. O desen-volvimento pode ser estudado usando qualquer organismo e em qualquernvel de organizao, de molculas a filos. medida que o campo continuar a se expandir e se aprofundar , umapalavra de advertncia requerida: a biologia do desenvolvimento no podeser aprendida ou ensinada em um nico semestre. Este texto uma tentati-va para prover cada pessoa com material suficiente para seu curso, mas uminstrutor no necessita se sentir culpado por no determinar todos os cap-tulos, e os estudantes no necessitam se sentir privados se eles no leremtodos os captulos. Isto o comeo do caminho, no sua concluso.Como usar o websiteQualquer pessoa pode entrar no website atravs de sua homepage[http://zygote.swarthmore.edu/index.html] ou atravs da sua lista de ar-quivos de captulos localizada no [http://zygote.swarthmore.edu/info.html].Alternativamente, ns colocamos acessos especficos endereados em todoo livro onde quer que exista uma entrada relevante no momento da publica-o. Todos esses endereos comeam com [http://zygote.swarthmore.edu/]e so seguidos por um cdigo dado no livro texto. Assim, a localizaoespecificada na pgina 20 do livro : http://zygote.swarthmore.edu/intro2.html Mais localizaes esto sendo adicionadas no website, e essas podemser acessadas entrando nos arquivos do captulo. Em adio, clicando noboto Outros Arquivos abaixo de cada captulo, as conexes para outroswebsites sero facilitadas. Divirta-se. 17. xviii Prefcio Agradecimentos Esta edio, como suas precursoras, deve muito s sugestes e crticas dos estudantes em minhas classes de biologia do desenvolvimento e gentica do desenvolvimento. O grupo de funcionrios e docentes extremamente corporativo da Universidade Swarthmore tambm desempenharam papis importantes na produo deste livro, e os bibliotecrios da rea de cincia E. Horikawa e M. Spencer merecem agradecimentos especiais por terem segurado volumes recentes na biblioteca enquanto eu estava escre- vendo o livro. Os cientistas que revisaram estes captulos forneceram enorme ajuda tanto na preciso tcnica dos captulos quanto nas sugestes para trabalho futuro. Esses investigadores incluem: S. Carroll, J. Cebra- Thomas, E. M. De Robertis, S. DiNardo, E. Eicher, C. Emerson, G. Grunwald, D. J. Grunwald, M. Hollyday, L. A. Jaffe, W. Katz, R. Keller, K. Kemphues, D. Kirk, G. Martin, H. F. Nijhout, D. Page, R. Raff, R. Schultz, C. Stern, S. Tilghman, R. Tuan e M. Wickens. Eu tambm quero agradecer aos muitos cientistas que desviaram do seu caminho para ajudar a tornar esta edio melhor lendo pores especficas dos captulos. Eles incluem: M. Bronner- Fraser, J. Fallon, N. M. Le Douarin, E. McCloud, J. Opitz, K. Sainio, H. Sariola, I. Thesleff e T. Valente. Se eu deixei algum fora, por favor me desculpem. desnecessrio dizer que os julgamentos editoriais finais foram de minha responsabilidade. Meus agradecimentos especiais a Judy Cebra-Thomas que no somente me aconselhou em certos captulos mas quem deu excelente ajuda durante meu perodo sabtico permitindo-me terminar este livro. Agradecimentos tambm aos cientistas e filsofos, especialmente: C. van der Weele, R. Amundson, L. Nyhart, R. Burian, H. F. Nijhout, A. F. Sterling, K. Smith e A. I. Tauber, que participaram nos workshops de biologia do desenvolvimento da Sociedade Internacional para a Histria, Filo- sofia e Estudos Sociais da Biologia. Algumas das melhores crticas cons- trutivas deste livro-texto vieram dessas pessoas.Andy Sinauer uma vez mais conseguiu reunir as mesmas e extraor- dinrias pessoas neste projeto, e foi um privilgio trabalhar com eles. Meus agradecimentos a ele e aos editores Nan Sinauer e Carol Wigg, coordenador de produo Chris Small, artistas John Woolsey e Gary Welch, designer Susan Schmidler, editor de texto Janet Greenblatt, e artista de layout Janice Holabird. As habilidades editoriais de Tinsley Davis so extremamente re- conhecidas. Devido ao fato de que os prazos finais devem ser cumpridos e outro trabalho posto de lado, eu tenho que agradecer minha famlia por mais uma vez me permitir prosseguir com isso. Em particular, este livro nunca poderia ter sido completado se no fosse pelo encorajamento de minha esposa, Anne Raunio, que, como uma obstetra, gosta do lado mais pr- tico da biologia do desenvolvimento. Meus agradecimentos a todos vocs. SCOTT F. GILBERT 1 DE MARO DE 1997 18. Introduo Biologiado Desenvolvimento1 Introduo ao desenvolvimento animal 12 Genes e desenvolvimento: Introduo e tcnicas353 Base celular da morfognese: Afinidade celular diferencial 79I 19. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 1Introduo ao desenvolvimento animal 1OA natureza parece nunca mudar, ainda que CONCEITO DE EMBRIO assombroso, e a formao de um embrio asua aparncia esteja sempre mudando. tarefa mais rdua que algum haver de realizar. Para se tornar um embrio,nosso dever como artistas transmitir junta- voc teve que construir a si mesmo a partir de uma nica clula. Teve quemente com todos os seus elementos a emo-respirar antes que tivesse pulmes, digerir alimentos antes que seus rgos estives-o dessa permanente transformao.sem formados, construir ossos a partir de uma massa e ordenar os neurnios antesPaul Cezanne (ca. 1900)mesmo de adquirir a capacidade de pensar. Uma diferena marcante entre voc e amquina que a mquina nunca requisitada para uma funo antes que estejaFeliz a pessoa que consegue discernir ascausas das coisas.terminada. Todo animal tem que estar em funcionamento enquanto se auto-constri.Virglio (37 A.C.)O objetivo da biologia do desenvolvimentoPara plantas e animais, o nico caminho para o desenvolvimento a partir de uma clula, desenvolvendo um embrio. O embrio o intermedirio entre o gentipo e o fentipo,ou seja, entre os genes herdados e o organismo adulto. Enquanto a maior parte dabiologia estuda a estrutura adulta e funo, a biologia do desenvolvimento encontramaior interesse nos estgios mais transitrios. Biologia do desenvolvimento a cin-cia do vir a ser, a cincia do processo. Dizer que um inseto efmero vive apenas um diano significa nada para um biologista do desenvolvimento, porque o inseto pode seradulto apenas por um dia, mas passou outros 364 dias como um embrio e larva.As questes levantadas por um biologista do desenvolvimento so freqente-mente questes mais ligadas ao vir a ser do que ao ser propriamente dito. Dizer quemamferos XX so geralmente fmeas e mamferos XY so geralmente machos, noexplica a determinao sexual para um biologista do desenvolvimento. Esse quer sa-ber como o gentipo XX produz um ser feminino e como o gentipo XY produz um sermasculino. Da mesma maneira, um geneticista gostaria de saber como os genes globinaso transmitidos de uma gerao outra, e um fisiologista pode fazer perguntas sobrea funo da globina no corpo. Porm, o biologista do desenvolvimento perguntaporque os genes globina se expressam somente nas hemcias e como essas se tornamativas apenas em certas fases do desenvolvimento (ainda no sabemos as respostas).Biologia do desenvolvimento uma cincia excelente para pessoas que queremintegrar diferentes nveis da biologia. Diante de um problema, podemos estud-lo a 1 20. 2 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimentonveis molecular e qumico (p. ex., Como os genes globina so transcritos, e como osfatores que ativam sua transcrio interagem uns com os outros e com o DNA?), a nveiscelular e tissular (p. ex., Quais so as clulas capazes de produzir globina, e como omRNA da globina deixa o ncleo?), a nvel de rgos ou sistema de rgos (p. ex., Comovasos capilares so formados em cada tecido, e como so instrudos a se conectarem eramificarem?) e, at mesmo, a nveis ecolgicos e evolucionrios (p. ex., Como diferenasna ativao do gene globina permitem o fluxo de oxignio da me para o feto, e comofatores ambientais acionam a diferenciao de mais hemcias?). Biologistas do desen-volvimento podem estudar qualquer organismo e todo tipo de clula.Biologia do desenvolvimento um dos campos que mais tem crescido e tambmum dos mais emocionantes da biologia. Parte dessa emoo vem dos assuntos estu-dados, porque estamos apenas comeando a entender o mecanismo molecular dodesenvolvimento animal. Outra parte da emoo vem do papel unificador que a biolo-gia do desenvolvimento assume nas cincias biolgicas. A biologia do desenvolvi-mento est criando uma estrutura que integra a biologia molecular, fisiologia, biologiacelular, anatomia, pesquisa do cncer, neurobiologia, imunologia, ecologia, e biologiaevolucionria. O estudo do desenvolvimento tornou-se essencial para a compreensode qualquer rea da biologia.Os problemas da biologia do desenvolvimentoO desenvolvimento realizado por duas funes principais: gera diversidade e ordemcelular dentro de cada gerao, o que assegura a continuidade da vida que passa deuma gerao outra. Assim, existem duas questes fundamentais para a biologia dodesenvolvimento: Como um ovo fertilizado origina um ser adulto, e como esse seradulto produz um outro ser? Cada espcie tem suas prprias respostas, mas algumasgeneralizaes podem ser feitas. Tradicionalmente, essas questes tm sido subdivi-didas em quatro problemas gerais da biologia do desenvolvimento: O problema da diferenciao. Uma nica clula, o ovo fertilizado, se desenvolve e gera centenas de clulas de diferentes tipos - clulas musculares, clulas epidrmicas, neurnios, linfcitos, clulas do sangue, clulas gorduro- sas, e assim por diante. Essa gerao de diversidade celular chamada diferenciao. Desde que cada clula do corpo contm o mesmo conjunto de genes, precisamos entender como esse mesmo conjunto de instrues genticas pode produzir diferentes tipos de clulas. O problema da morfognese. Nossas clulas diferenciadas no so distribu- das aleatoriamente; pelo contrrio, so organizadas em intrincados tecidos e rgos. Esses rgos esto dispostos de tal maneira que: dedos esto nas pontas e no no meio de nossas mos, os olhos esto na nossa cabea e no nos ps ou intestinos. Essa criao de forma ordenada, chamada morfognese. Como as clulas se auto-organizam e formam um arranjo correto? O problema do crescimento. Somos maiores do que um ovo, mas como as clulas sabem quando devem parar de se dividir? Se cada clula de nossa face realizasse mais uma diviso celular, seramos considerados horrivelmente mal formados. Se cada clula de nossos braos tivesse realizado apenas mais uma srie de divises, poderamos amarrar nossos sapatos sem nos abaixar. O problema da reproduo. O espermatozide e o vulo so clulas muito especializadas. Somente eles podem transmitir instrues para produzir um organismo de uma gerao para outra. Como essas clulas so separadas para formar a prxima gerao, e quais as informaes no ncleo e no citoplasma que permitem tal funcionamento?Recentemente, tem-se dado grande nfase a um quinto problema: O problema da evoluo. A evoluo envolve mudanas herdadas durante o desenvolvimento. Quando dizemos que o cavalo de um dedo s de hoje, teve um ancestral de cinco dedos, estamos dizendo que mudanas no desenvolvi- 21. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 3 mento da cartilagem e dos msculos ocorreram ao longo de muitas geraes de embries nos ancestrais do cavalo. Como mudanas no desenvolvimento cri- am novas formas de corpo? Quais modificaes hereditrias so possveis, dadas as restries impostas pela necessidade do organismo sobreviver enquanto se desenvolve?Os estgios do desenvolvimento animalDe acordo com Aristteles, o primeiro grande embriologista da histria, a cinciacomea com a curiosidade: graas a curiosidade que as pessoas comearam afilosofar, e a curiosidade permanece desde o incio do conhecimento. O desenvolvi-mento de um ser a partir do ovo tem sido motivo de admirao atravs da histria dahumanidade. O simples procedimento de se abrir um ovo de galinha a cada dia do seuperodo de incubao de trs semanas proporciona uma notvel experincia quandose observa desde uma fina camada de clulas at o total desenvolvimento da ave.Aristteles realizou esse procedimento e observou a formao dos principais rgos.Qualquer um pode se admirar com esse fenmeno, ainda que ordinrio, mas cientistasso os que procuram descobrir como o desenvolvimento realmente ocorre. E aindamais do que dissipar essa admirao, novo conhecimento s faz aument-la.Organismos pluricelulares no se formam de imediato, ao contrrio, so formadospor um processo relativamente lento de mudana progressiva, o qual chamamos dedesenvolvimento. Em quase todos os casos, o desenvolvimento de um organismopluricelular comea com uma nica clula - ovo fertilizado ou zigoto, que divididoatravs da mitose, produz todas as clulas do corpo. O estudo do desenvolvimentoanimal tem sido tradicionalmente chamado de embriologia, se referindo ao fato de queentre a fertilizao e o nascimento, o organismo em desenvolvimento conhecidocomo embrio. Mas o desenvolvimento no cessa no nascimento, ou mesmo na vidaadulta, porque a maioria dos organismos nunca pra de se desenvolver. A cada dia nsrepomos mais de um grama de clulas de pele (fazendo com que as clulas mais velhasse desprendam assim que nos movemos), e nossa medula ssea sustenta o desenvol-vimento de milhes de novos eritrcitos a cada minuto de nossas vidas. Portanto, nosltimos anos tem sido comum se falar em biologia do desenvolvimento, como a discipli-na que estuda processos embrionrios e outros do desenvolvimento.As principais caractersticas do desenvolvimento animal esto ilustrados na Figu-ra 1.1. A vida de um novo indivduo iniciada pela fuso do material gentico de doisgametas, o espermatozide e o vulo. Essa fuso, chamada fertilizao, estimula oovo a iniciar o desenvolvimento. Os estgios subseqentes do desenvolvimento socoletivamente chamados de embriognese. Por todo reino animal existe uma incrvelvariedade de tipos embrionrios, mas a maioria dos padres de embriognese compre-ende variaes em quatro temas: 1. Ocorrncia de clivagem imediatamente aps a fertilizao. Clivagem umasrie de divises mitticas extremamente rpidas, onde o enorme volume cito-plasmtico do zigoto dividido em numerosas clulas menores. Essas clulasso chamadas blastmeros e, ao fim da clivagem, eles geralmente formam umaesfera conhecida como blstula. 2. Aps a reduo na taxa de diviso mittica, os blastmeros passam pormudanas dramticas quanto s suas posies, um em relao ao outro. Essasrie de redistribuio de clulas chamada de gastrulao. Como resultadoda gastrulao, o embrio tpico contm trs regies celulares chamadascamadas germinativas*. O ectoderma, a camada exterior, produz as clulasda epiderme e do sistema nervoso; o endoderma, camada interior, produz o*Do Latim germen, significa broto ou rebento (a mesma raiz da palavra germinao). Osnomes das trs camadas germinativas so do Grego: ectoderma de ektos (fora) mais derma(pele); mesoderma de mesos (meio) e endoderma de endon (dentro). 22. 4PARTE I Introduo Biologia do DesenvolvimentoEsperma-tozideMrula BlstulaOcito Local das clulas embrionrias Clula germinativa (Germ plasm) Esperma-Blastoceletozide(gametaOcitomasculino) (gameta feminino) GAMETOGNESE Adulto sexualmente maduro Blastporo Ectoderma GnadaMesodermaEstgios Endodermalarvaisimaturos INCUBAO (NASCIMENTO)Figura 1.1Histrico do desenvolvimento de um repre-sentante animal, um sapo. Estgios que voda fertilizao at o nascimento so coletiva-mente conhecidos como embriognese. Asregies responsveis por produzir clulas em-brionrias so mostradas em cores. Gameto-gnese, que completa no adulto sexualmen-te maduro, comea em pocas diferentes, de-pendendo da espcie. revestimento do tubo digestivo e rgos associados (pncreas, fgado, pulmes, etc.); e o mesoderma, camada do meio, d origem a diversos rgos (corao, rins, gnadas), tecidos conjuntivos (ossos, msculos, tendes, vasos sangneos) e clulas sangneas.3. Uma vez que as trs camadas embrionrias esto estabelecidas, as clulas interagem umas com as outras e se reorganizam para produzir tecidos e rgos. Esse processo chamado organognese. (Nos vertebrados, a organognese iniciada quando uma srie de interaes celulares induzem as clulas ectodr- micas da poro mediana do dorso a formar o tubo neural. Esse tubo originar o crebro e a coluna vertebral). Muitos rgos contm clulas de mais de uma camada embrionria, e no incomum o exterior de um rgo ser derivado de uma determinada camada e o interior de outra. Tambm durante a organognese, 23. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 5algumas clulas sofrem longas migraes do seu lugar de origem at sua loca-lizao final. Essas clulas migrantes incluem os precursores das clulas san-gneas, clulas linfticas, clulas pigmentadas e gametas. A maior parte dosossos de nossa face so provenientes de clulas que migraram ventralmenteda regio dorsal da nossa cabea. 4. Como observado na Figura 1.1, em muitas espcies, uma parte especializadado citoplasma do ovo d origem s clulas que so precursoras dos gametas.Essas clulas so chamadas de clulas germinativas, sendo destinadas funo reprodutiva. Todas as outras clulas do corpo so chamadas clulassomticas. Essa separao entre clulas somticas (que do origem a umcorpo individual) e clulas germinativas (que contribuem para a formao deuma nova gerao) freqentemente uma das primeiras diferenciaes queocorrem durante o desenvolvimento animal. As clulas germinativas final-mente migram para as gnadas, onde se diferenciam em gametas. O desen-volvimento de gametas, chamado de gametognese, normalmente no com-pletado at que o organismo tenha se tornado fisicamente maduro. Na matu-ridade, os gametas podem ser liberados e participar de uma fertilizao dandoincio a um novo embrio. O organismo adulto finalmente sofre envelheci-mento e morre.Nossa herana eucariticaOs organismos esto divididos em dois grupos principais, dependendo apenas seas clulas possuem um envoltrio nuclear ou no. Os procariotos (do grego karion,significa ncleo), onde esto includas as arqueobactrias e as eubactrias, nopossuem um ncleo verdadeiro. Os eucariotos que incluem os protistas, animais,plantas e fungos, possuem um tegumento nuclear bem formado circundando osseus cromossomos. Essa diferena fundamental entre os eucariotos e procariotosinfluencia a maneira como esses grupos organizam e utilizam seu material gentico.Em ambos os grupos, a informao herdada necessria para o seu desenvolvimentoe metabolismo se encontra codificada nas sequncias de cido desoxirribonuclico(DNA) dos cromossomos. Os cromossomos procariticos normalmente so hlicesduplas de DNA, pequenas e circulares consistindo de aproximadamente 1 milho depares de bases. As clulas eucariticas geralmente possuem diversos cromosso-mos, e um simples protista eucaritico possui 10 vezes, ou mais, a quantidade deDNA encontrada na maioria dos procariotos complexos. Alm disso, a estrutura deum gene eucaritico mais complexa do que a de um gene procaritico. A seqnciade aminocidos de uma protena procaritica a reflexo direta da seqncia deDNA do cromossomo. O DNA de um gene eucaritico que codifica uma protena,geralmente, dividido de tal forma que a seqncia completa de aminocidos daprotena derivada de segmentos descontnuos de DNA (Figura 1.2). O DNA entreos segmentos freqentemente contm seqncias que esto envolvidas na regulaodo momento e lugar em que o gene ativado.Cromossomos eucariticos tambm so muito diferentes dos cromossomosprocariticos. O DNA eucaritico reveste complexos proticos especficos, chamadosnucleossomos, compostos por protenas histonas. Os nucleossomos organizam oDNA em estruturas compactas e so importantes na designao de qual gene ir seexpressar em qual clula. Nas bactrias no existem histonas. Mais ainda, clulaseucariticas sofrem mitose, na qual o tegumento nuclear se parte e os cromossomosreplicados so igualmente divididos entre as clulas filhas (Figura 1.3). Nos procariotos,a diviso celular no mittica; no se desenvolve o fuso mittico e, tambm, noexiste tegumento celular para se partir. Ao invs disso, os cromossomos filhos perma-necem ligados a pontos adjacentes na membrana celular. Esses pontos de ligao soseparados entre si pelo crescimento da membrana celular, e finalmente colocam oscromossomos em diferentes clulas filhas. 24. 6 PARTE I Introduo Biologia do DesenvolvimentoFigura 1.2(A) CLULA PROCARITICA (B) CLULA EUCARITICAResumo dos passos pelos quais as protenasso sintetizadas a partir do DNA. (A) Ex-Envoltrio nuclearpresso procaritica (bacteriana) do gene.Regies codificadoras do DNA so colinearesntronntroncom o produto protico. (B) Expresso de Gene 1 2genes eucariticos. Os genes so descontnuos DNAe um envoltrio nuclear separa o DNA doxonxonxoncitoplasma. 1 2 3NcleoTranscrioRNA nuclearTranscrioProcessamento de RNAmRNAmRNA Traduo Citoplasma TraduomRNAmRNAProtena ProtenaProcariotos e eucariotos tm mecanismos diferentes de regulao do gene. Emambos, o DNA transcrito por enzimas chamadas RNA polimerases para produzirRNA. Quando o RNA mensageiro (mRNA) produzido nos procariotos, ele imedia-tamente traduzido em uma protena enquanto o seu outro terminal est sendo transcri-to do DNA (Figura 1.4). Sendo assim, nos procariotos, transcrio e traduo soeventos simultneos e coordenados. Mas a existncia de envoltrio nuclear emeucariotos proporciona a oportunidade de se obter um tipo de regulao celular total-mente novo. Os ribossomos, que so responsveis pela traduo, esto de um lado doenvoltrio nuclear, e o DNA e a RNA polimerase necessria para a transcrio esto dooutro. Entre a transcrio e a traduo, o RNA transcrito deve ser processado para quepossa passar atravs do envoltrio nuclear. A regulao pela qual o mRNA podepassar para o citoplasma, torna a clula capaz de selecionar quais das mensagensrecm-sintetizadas sero traduzidas. Assim, um novo nvel de complexidade foi adici-onado, que extremamente importante para o organismo em desenvolvimento.Desenvolvimento entre eucariotos unicelularesTodos os organismos eucariticos pluricelulares se desenvolveram de protistas uni-celulares. nesses protistas que as caractersticas bsicas do desenvolvimento apa-receram primeiro. Eucariotos simples nos deram os primeiros exemplos da morfognesedirecionada pelo ncleo, o uso da superfcie da clula para mediar cooperao entreclulas individuais e as primeiras ocorrncias de reproduo sexual.Controle da Morfognese no Desenvolvimento em AcetabulriaH um sculo, ainda no havia sido provado se o ncleo continha alguma informaohereditria ou de desenvolvimento. Algumas das melhores evidncias para essa teoriavieram de estudos onde organismos unicelulares foram fragmentados em pedaos 25. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal7 Prfase: O envoltrio nuclear quebra e um fuso se forma entre dois centrolos.Prometfase:Interfase: DNA duplicado em Os cromossomos sepreparao para a diviso celular.ligam s fibras dos fusos. Cromatdeos do cromossomo NcleoCromatina NucloloRegio do centrmeroFuso emdesenvolvimentoCentrolos sterEnvoltrio Envoltrionuclear nuclear Nuclolorompe Cromossomos filhosMetfase:Os cromossomos sealinham no equador da clula. Telfase: Os cromossomos atingem os plos mitticos e a clula comea a invaginar. Figura 1.3 Diagrama de mitose em clulas animais. Du-Anfase:Os cromossomos duplicados rante a interfase o DNA duplicado em pre-(chamados cromatdeos) so parao para a diviso celular. Durante aseparados. prfase, o envoltrio nuclear quebra e forma-se um fuso entre os dois centrolos. Nanucleados e anucleados (reviso por Wilson, 1986). Quando vrios protistas foram metfase, os cromosssomos se alinham no equador da clula e se inicia a anfase, osfragmentados, quase todas as partes morreram. No entanto, os fragmentos que conti- cromossomos duplicados (cada duplicata denham ncleo foram capazes de sobreviver, regenerando todo a complexa estrutura cromossomo um cromatdeo) so separa-celular (Figura 1.5) dos. Na telfase os cromossomos atingemO controle nuclear da morfognese celular e a interao do ncleo e citoplasma os plos mitticos e a clula comea aesto muito bem demonstrados nos estudos da Acetabulria. Essa enorme clula invaginar. Cada plo contm o mesmo nme-individual (2 a 4 cm de comprimento) consiste de trs partes: o disco reprodutivo, o ro e tipos de cromossomos que continha apednculo e o rizide (Figura 1.6A). O rizide est localizado na base da clula ondeclula antes da diviso.essa presa ao substrato. O ncleo individual da clula se localiza dentro do rizide. Otamanho da Acetabulria e a localizao do seu ncleo permitiram que pesquisadores 26. 8 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento DNA RibossomosRNA Figura 1.4 Transcrio e traduo simultnea em procariotos. Uma poro de DNA de Escherichia coli se estende horizontalmente por essa microfotografia eletrnica. Transcries de RNA mensageiro podem ser vistas dos dois lados. Ribossomos se juntaram ao mRNA e esto sintetizando protenas (que no podem ser vistas). O mRNA pode ser visto aumentando de tamanho, da esquerda para a direita, indicando a direo da transcrio. (Cortesia de O. L. Miller, Jr.) removessem o ncleo de uma clula e o substitusse por outro, de outra clula. Nos anos 30, J. Hmmerling tirou proveito dessa singular caracterstica e trocou ncleos entre duas espcies morfologicamente distintas, A. mediterranea e A. crenulata. Como mostrado na fotografia, essas duas espcies tm discos reprodutivos muito diferentes. Hmmerling descobriu que quando um ncleo de uma determinada espcie era transplantado para o pednculo de outra, o novo disco em formao finalmente assu- mia a forma associada com o ncleo do doador (Figura 1.6B). Assim, foi considerado que o ncleo era o controlador do desenvolvimento da Acetabulria. A formao de um disco reprodutivo um evento morfognico complexo, envolvendo a sntese de um grande nmero de protenas, que devem ser acumuladas em certa poro da clula e ento organizadas em estruturas complexas especficas da espcie. O ncleo transplantado da clula realmente direciona a sntese de seu disco reprodutivo espcie-especfico, mas uma tarefa que pode levar semanas para ser realizada. Alm disso, se o ncleo for removido da clula de Acetabulria em estgio inicial do desenvolvimento, antes de formar o disco reprodutivo, um disco normal se formar semanas depois, ainda que o organismo ir morrer. Esses estudos sugerem que (1) o ncleo contm informao especfica sobre o tipo de disco reprodutivo produzido (isto , contm informao gentica que especifica as protenas necessri- as para a produo de um certo tipo de disco reprodutivo), e (2) o material contendo essa informao entra no citoplasma muito antes dessa produo ocorrer. A informa- o no citoplasma no ser usada por vrias semanas.Fragmentoanucleado morre CorteFragmento Ncleo nucleadose regenera CorteFigura 1.5Regenerao do fragmento nucleado do protista unicelularStylonychia. Os fragmentos anucleados sobrevivem por al-Fragmentogum tempo, mas finalmente morrem. anucleado morre 27. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 9(B) Disco reprodutivo(A) Disco reprodutivoPednculoA. crenulata A. mediterranea PednculoNcleos transplantadosNcleoNcleo RizideRizideRizide 1 cm1 cmA estrutura do disco reprodutivo a do ncleo doadorFigura 1.6(A) Acetabulria mediterranea (esquerda) e A.crenulata (direita). Cada unidade uma clula singu-lar. O rizide contm o ncleo. (B) Efeitos da troca dencleos entre duas espcies de Acetabulria. Ncleosforam transplantados para fragmentos de rizidesanucleados. Estruturas de A. crenulata esto sombre-adas; estruturas de A. mediterranea no esto som-breadas. (Fotografias cortesia de H. Harris.)Uma hiptese atual, proposta para explicar essas observaes, que o ncleo sintetizaum mRNA estvel, posicionado em estado dormente no citoplasma at a formao dodisco reprodutivo. Essa hiptese amparada por uma observao publicada por Hmmerlingem 1934. Hmmerling fracionou uma Acetabulria jovem em diversas partes (Figura 1.7). Aporo com o ncleo finalmente formou um novo disco, conforme esperado; da mesmaforma o fez a extremidade apical do pednculo. No entanto, a parte intermediria do pedn-culo no formou o disco reprodutivo. Por isso, Hmmerling postulou (aproximadamente 30anos antes de sabermos da existncia do mRNA), que as instrues para a formao dodisco reprodutivo se originavam no ncleo, sendo de alguma forma guardadas dormen-tes prximo extremidade do pednculo. Muitos anos mais tarde, Kloppstech eSchweiger (1975) estabeleceram que o mRNA derivado do ncleo se acumula nessaregio. Ribonuclease, uma enzima que cliva RNA, inibe completamente a formao dodisco reprodutivo quando adicionada gua marinha na qual cresce a Acetabulria. Emclulas anucleadas, esse efeito permanente; uma vez que o RNA destrudo, no podemais haver a formao do disco reprodutivo. Em clulas nucleadas, no entanto, um novodisco pode ser formado aps a eliminao da ribonuclease, presumivelmente porque umnovo mRNA ento produzido pelo ncleo. Garcia e Dazy (1986) tambm demonstraramque a sntese da protena especialmente ativa no pice da Acetabulria.Fica claro pela discusso anterior, que a transcrio nuclear tem um papel impor-tante na formao do disco reprodutivo da Acetabulria. Mas deve ser notado que o 28. 10 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento Disco reprodutivo e pednculo regenerados Extremidadeapical do pednculo Poro centraldo pednculoSem regenerao Rizidee ncleo Regenerao total Figura 1.7 Habilidade regenerativa de diferentes fragmentos da A. mediterranea citoplasma tambm cumpre uma parte essencial na formao desse disco. O mRNA no traduzido durante semanas, mesmo estando no citoplasma. Algo no citoplasma controla quando as mensagens devem ou no ser utilizadas. Portanto, a expresso do disco reprodutivo controlada no somente pela transcrio nuclear como tambm pelo controle de traduo do RNA citoplasmtico. Nesse organismo unicelular, o desenvolvimento controlado em ambos estgios de transcrio e de traduo. Diferenciao em Ameboflagelados Naegleria Um dos casos mais marcantes de diferenciao em protistas, aquele de Naegleria gruberi. Esse organismo ocupa um lugar especial na taxonomia protista porque pode mudar sua forma, de uma ameba para a de um flagelado (Figura 1.8). Durante a maior parte do seu ciclo de vida, a N. gruberi uma ameba tpica, alimentando-se de bactrias do solo e dividindo-se por ciso. No entanto, quando as bactrias so diludas (tanto pela gua da chuva quanto pela gua nos experimentos), cada N. gruberi desenvolve rapidamente uma forma aerodinmica e dois longos flagelos anteriores, que so usados para encontrar regies mais abundantes em bactrias. Nessas condies, ao invs de existirem diversos tipos de clulas diferenciadas em um nico organismo, essa clula nica tem estruturas celular e bioqumica diferentes nos diferentes estgios de sua vida. Diferenciao para a forma de flagelado ocorre aproximadamente em uma hora (Figura 1.9). Durante esse perodo, a ameba tem que criar centrolos para servir como corpos basais do flagelo (centros organizadores de microtbulos), assim como criar o prprio flagelo. Os corpos basais e os flagelos so compostos de diversas protenas, das quais a mais abundante a tubulina. As molculas de tubulina so organizadas em microtbulos; esses so posteriormente arranjados para permitir o movimento flagelar. Fulton e Walsh (1980) mostraram que a tubulina dos flagelos de Naegleria no existe 29. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 11(A)(B)(C)(D)Figura 1.8Transformao de Naegleria gruberi da formaem seu estgio de ameba. produzida de novo (desde o comeo), comeando comamebide ao estado flagelado. Linha superioruma nova transcrio no ncleo. Para mostrar isso, os pesquisadores manipularam corada com Iodo/Lugol; linha inferior coradacom um anticorpo fluorescente protena tu-transcries em vrios estgios com actinomicina D, uma droga antibitica que seleti-bulina dos microtbulos. A transformao vamente inibe a sntese do RNA. Quando adicionada anteriormente diluio do iniciada pela eliminao do alimento (bactri-alimento, esse antibitico previne a sntese da tubulina. No entanto, se a actinomicina as) da colnia de Naegleria. (A) 0 minutos;D adicionada 20 minutos aps a diluio, a tubulina ainda produzida em tempo(B) 25 minutos, mostrando sntese de novanormal (aproximadamente 30 minutos mais tarde). Portanto, parece que o mRNA paratubulina; (C) 70 minutos, emergncia dea tubulina foi produzido durante os primeiros vinte minutos aps a diluio e usado flagelos visveis (D) 120 minutos, mostrandologo em seguida. Essa interpretao foi confirmada quando foi demonstrado que o flagelos maduros e forma aerodinmica do cor-mRNA extrado da ameba no continha mensagem alguma, detectvel para tubulina po (de Walsh, 1984, cortesia de C. Walsh.)flagelar, ao passo que mRNA extrado de clulas diferenciadas continha muitas mensa-gens desse tipo (Walsh, 1984).Ento, temos aqui um excelente exemplo de controle transcricional de um proces-so de desenvolvimento: O ncleo da Naegleria responde a mudanas ambientaissintetizando o mRNA para tubulina flagelar. Notamos tambm um outro processo quepermanece extremamente importante no desenvolvimento de todos os outros animaise plantas, que o agrupamento de molculas de tubulina para a produo do flagelo.Esse arranjo, pelo qual a tubulina polimerizada em microtbulos, e esses por sua vezagrupados de forma ordenada, visto em toda a natureza. Em mamferos, est evidenteno flagelo do espermatozide e nos clios da medula espinhal e do trato respiratrio.Mais ainda, no somente a tubulina que produz o flagelo. Existem em torno de 300outras protenas em cada flagelo, e o movimento flagelar depende da orientao ade-quada dessas protenas uma em relao a outra. At mesmo processos celulares tm asua prpria morfognese baseada em interaes moleculares entre os fragmentosde protena. Tal controle ps-traduo, onde uma protena no funcional at queesteja ligada a outras molculas, ser discutido melhor mais tarde. Vimos ento, que odesenvolvimento em eucariotos unicelulares pode ser controlado nos estgios detranscrio, traduo e ps-traduo. 30. 12PARTE I Introduo Biologia do DesenvolvimentoFigura 1.9 osDiferenciao do fentipo flagelado emrp coNaegleria. Amebas que vinham crescendo ade oam linto s rp rnem um meio enriquecido com bactria sobu a co ela ca o en isde lagal n t tu e m ula mve os elavadas afim de se eliminar as bactrias noda m pa cl nda iso a fel r i m e co ugr s, ova m agtempo 0. Aos 80 minutos, praticamente toda es rA asai rredosm or Fl o m p l nt l ael or fa populao desenvolveu flagelo. (SegundoS a g eb aag F mc taflse FlcotoFulton, 1977.)100 Porcentagem da populao com flagelo80 Clulas de corpo com60 forma flagelar4020 0 0 20 406080 100Tempo aps suspenso (minutos) As Origens da Reproduo Sexual A reproduo sexual outra inveno dos protistas que teve um profundo efeito em organismos mais complexos. Deve-se notar que sexo e reproduo so dois processos separveis e distintos. A reproduo envolve a criao de novos indivduos. Sexo envolve a combinao de genes de dois indivduos distintos em um novo arranjo. Reproduo na ausncia de sexo uma caracterstica de organismos que se reproduzem por ciso; no h discriminao nos genes quando uma ameba se divide ou quando uma hidra brota clulas para formar uma nova colnia. Sexo sem reprodu- o tambm comum entre os organismos unicelulares. As bactrias so capazes de transmitir genes de um indivduo para o outro por meio dos pilos sexuais (Figura 1.10). Essa transmisso independente da reproduo. Protistas so tambm capazes de reorganizar genes sem reproduo. Os paramcios, por exemplo, se reproduzem por ciso, mas o sexo realizado atravs de conjugao. Quando dois paramcios se juntam, eles se unem atravs de seus aparelhos orais formando uma conexo citoplasmtica atravs da qual podem trocar material gentico (Figura 1.11). Cada macroncleo (que controla o metabolismo do organismo) degenera enquanto oFigura 1.10microncleo passa por meiose para produzir oito microncleos haplides, dos quaisSexo em bactrias. Algumas clulas de bactri- todos, exceto um, degeneram. O microncleo remanescente divide-se mais uma vezas esto cobertas de numerosos apndices para formar um microncleo estacionrio e um microncleo migratrio. Cada(pilos) sendo capazes de transmitir genes parauma clula recipiente (sem pilos) atravs de microncleo migratrio atravessa a ponte citoplasmtica e se funde com o microncleoum pilus sexual. Nessa figura, o pilus sexualestacionrio (fertilizante), criando um novo ncleo diplide em cada clula. Esseest realado por partculas virais que se ligam ncleo diplide se divide mitoticamente fazendo surgir um novo microncleo e umespecificamente quele estrutura. (Cortesia de novo macroncleo quando os dois parceiros se separam. Ainda que no tenhaC. C. Brinton, Jr. e J. Carnahan.) ocorrido reproduo, houve sexo. 31. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 13MicroncleoFuso meiticoMacroncleoPontecitoplasmticaDois paramciosMicroncleos passamTodos menos umformampor meiose, formando 8 dos microncleos deponte citoplasmticancleos haplides por clula;cada parceiro degeneram macroncleos degeneram Microncleo estacionrioMicroncleo migratrio Microncleo restante seMicroncleos migratriosNcleo diplide se forma e divide para formar um microncleo atravessam a ponte citoplasmtica sofre divises mitticas paraestacionrio e um migratrioe fertilizam os microncleosgerar um novo macroncleo eestacionrios do parceirodois microncleos quando osparamcios se separamFigura 1.11Unio de paramcios atravs da ponte citoplasmtica, onde dois paramcios podem trocarmaterial gentico, deixando cada um com genes que diferem daqueles com os quais iniciaram oprocesso. (Strickberger, 1985.)A unio desses dois processos distintos, sexo e reproduo, em reproduosexual, visto em eucariotos unicelulares. A Figura 1.12 mostra o ciclo de vida daChlamydomonas. Esse organismo geralmente haplide, portando apenas umacpia de cada cromossomo (como os gametas dos mamferos). Os indivduos decada espcie, no entanto, esto divididos em dois grupos de parceiros: mais emenos. Quando se encontram, juntam-se os citoplasmas e seus ncleos se fundempara formar um zigoto diplide. Esse zigoto a nica clula diplide do ciclo de vidae passar por meiose para formar quatro novas clulas de Chlamydomonas. Aquiest uma reproduo sexual, pois cromossomos so realinhados durante as divi-ses meiticas onde mais indivduos so formados. Note que nesse tipo de reprodu-o sexual protista, os gametas so morfologicamente idnticos e a distino entreespermatozide e vulo ainda no aconteceu.Com a evoluo da reproduo sexual, dois importantes avanos foram alcana-dos. O primeiro o mecanismo da meiose (Figura 1.13), pelo qual o complementodiplide dos cromossomos reduzido ao estado haplide (discutido em detalhe noCaptulo 22). O outro avano o mecanismo pelo qual os parceiros reprodutivosdiferentes se reconhecem um ao outro. Em Chlamydomonas, o reconhecimento ocorreprimeiro nas membranas flagelares (Figura 1.14; Bergman et al., 1975; Goodenough eWeiss, 1975). A aglutinao dos flagelos permite que regies especficas das membra-nas celulares se juntem. Esses setores especializados contm componentesreprodutivos especficos que permitem a fuso dos citoplasmas. Seguindo-se aglutinao, os indivduos mais iniciam a fuso estendendo um tubo de fertilizao. 32. 14PARTE I Introduo Biologia do DesenvolvimentoFigura 1.12 Reproduo assexual (mittica)Reproduo sexual em Chlamydomonas. DuasParceiro tipo maisParceiro tipo menoslinhagens, ambas haplides, podem se repro- (haplide) (haplide)duzir assexuadamente quando separadas. Res-peitando certas condies, os dois cordespodem se unir para produzir uma cluladiplide que pode sofrer meiose para formarquatro novos organismos haplides. (SegundoStrickberger, 1985.)Reproduosexual Acasalamento Fuso citoplasmtica Zigoto (diplide) Maturao (meiose)Germinao Dois parceiros tipo mais e tipo menosFigura 1.13Sumrio da meiose. O DNA e as protenas associadas replicam durante a interfase. Durante aprfase, o envoltrio nuclear se rompe e os cromossomos homlogos (cada cromossomo duplicado, com os cromatdeos juntos no centrmero) se alinham em pares. Reagrupamentoscromossmicos podem ocorrer entre quatro cromatdeos homlogos nesse estgio. Aps aprimeira metfase, os dois cromossomos homlogos originais so segregados em clulas dife-rentes. Durante a segunda diviso, o centrmero se divide, deixando cada nova clula com umacpia de cada cromossomo.MEIOSE I Envoltrio CromossomosCromatdeosnuclear Cromatinahomlogos homlogosNcleoInterfasePrfase I precoceMeia prfase IPrfase I tardiaMetfase IO envoltrio nuclear se rompe e cromossomos homlogos (cada cromossomosendo duplo, com os cromatdeos ligados no centrmero) se alinham aos pares.Rearranjos cromossmicos podem ocorrer entre os quatro cromatdeos homlo-gos neste momento. 33. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 15(A) (B)Figura 1.14 Duas etapas do reconhecimento no acasalamento de Chlamydomonas. (A) Varredura por micrografia eletrnica (7000x) de par em acasalamento. Os flagelos que interagem, torcem- se um em torno do outro, aderindo nas pontas (flexas). (B) Microfotografia eletrnica de transmisso (20.000x) de uma ponte citoplasmtica conectando os dois organismos. Os microfilamentos se estendem da clula doado- ra (abaixo) para a clula recipiente (acima). (de Goodenough e Weiss, 1975 e Bergman et al., 1975; com permisso de U. Goodenough.)MicrofilamentosEsse tubo conecta e se funde com um local especfico no indivduo menos. interes-sante que o mecanismo usado para estender esse tubo - polimerizao da protenaactina - tambm usado para estender processos do espermatozide e vulo doourio-do-mar. No Captulo 4, veremos que o reconhecimento e fuso de espermato-zide e vulo ocorrem de uma maneira espantosamente semelhante a desses protistas.Eucariotos unicelulares parecem ter os elementos bsicos do processo de desen-volvimento que caracterizam os organismos mais complexos: a sntese celular con-trolada pela regulao transcricional, por traduo e ps-traduo; existe um mecanis-mo para processar o RNA atravs da membrana nuclear; as estruturas de genes indi-viduais e cromossomos so como sero atravs da evoluo eucaritica; mitose emeiose so aperfeioadas; e a reproduo sexual existe, envolvendo a cooperaoentre clulas individuais.Tal cooperao intercelular se torna ainda mais importantecom a evoluo de organismos multicelulares.MEIOSE II Anfase I Telfase IMetfase II Anfase II Telfase IIOs dois cromossomosO centrmero se divideCada nova clula tem homlogos originais souma cpia de cadasegregados em clulas cromossomodiferentes 34. 16PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento Eucariotos coloniais: A evoluo da diferenciao Um dos mais importantes experimentos da evoluo foi a criao de organismos pluricelulares. Parece ter havido diversos caminhos pelo qual uma nica clula evo- luiu para uma disposio pluricelular; discutiremos apenas dois deles (veja o Captulo 23 para uma discusso mais completa). O primeiro caminho envolve a diviso ordenada da clula reprodutiva e a subseqente diferenciao da sua prognie em diferentes tipos de clulas. Esse caminho para a multicelularidade pode ser visto em uma notvel srie de organismos pluricelulares, coletivamente referidos como a famlia das Volvocaceas ou volvocaceanas. As Volvocaceanas Os organismos mais simples entre as volvocaceanas so reunies ordenadas de numerosas clulas, cada uma parecida ao protista unicelular Chlamydomonas. Um nico organismo de volvocacea do gnero Gonium (Figura 1.15), por exemplo, consiste de uma placa plana contendo de 4 a 16 clulas, cada uma com seu prprio flagelo. Em um gnero relacionado, Pandorina, 16 clulas formam uma esfera; e no Eudorina, a esfera contm 32 ou 64 clulas organizadas em um padro regular. Nesses organismos, um princpio muito importante tem-se desenvolvido: a diviso ordenada de uma clula para gerar um nmero de clulas que so organizadas de uma maneira previsvel. Como ocorre na maioria dos embries animais, as divises celulares pelo qual uma nica clula de volvocacea produz um organismo de 4 a 64 clulas ocorrem em uma seqncia muito rpida e com ausncia de crescimento celular. Os dois prximos gneros da srie volvocacea exibem um outro princpio importante do desenvolvimento: a diferenciao de tipos celulares em organismo individual. As clulas reprodutivas se diferenciam das clulas somticas. Em todos os gneros j mencionados, toda a clula pode, e normalmente o faz, produzir um organismo novo completo por mitose (Figura 1.16 A,B). Nos gneros Pleodorina e Volvox, porm, relativamente poucas clulas podem se reproduzir. Na Pleodorina californica, as clulas da regio anterior so restritas uma funo somtica; somente aquelasFigura 1.15Representante da ordem dos Volvocales. (A)o protista unicelular Chlamydomonas rei-nhardtii. (B) Gonium pectorale com oito c-lulas Chlamydomonas-smiles em um discoconvexo. (C) Pandorina morum. (D) Eudo-rina elegans. (E) Pleodorina californica. Aquitodas as 64 clulas so originalmente simila-res, mas as posteriores desdiferenciam e redi- (A) (B) (C)ferenciam como clulas assexuadas reprodu-tivas chamadas gondios, enquanto as clulasanteriores permanecem pequenas e biflagela-das, como o Chlamydomonas. (F) Volvoxcarteri. Aqui, clulas destinadas a se torna-rem gondios so separadas no comeo dodesenvolvimento e nunca desenvolvem carac-tersticas somticas. As clulas menores,somticas, lembram Chlamydomonas. Todas,menos o Chlamydomonas, so membros dafamlia das Volvocaceas. A complexidade au-menta do Chlamydomonas unicelular aoVolvox pluricelular. Barra em A de 5m; B-D, 25m; E, F, 50m (Cortesia de D. Kirk.) (D) (E) (F) 35. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 17 Figura 1.16 Reproduo assexuada nas volvocaceanas. (A) Colnia madura de Eudorina elegans. (B) Cada uma das clulas de E. elegans se divide e produz uma nova colnia. (C) Volvox carteri maduro. A maioria das clulas so incapazes de se reproduzir. Clulas germinativas (gondia) comearam a se dividir em novos organismos. (A e B segundo Hartmann,1921; C de Kirk et al., (A)(B) (C) 1982, cortesia de D. Kirk.)clulas do lado posterior podem se reproduzir. Em P. californica, a colnia normalmen-te tem 128 ou 64 clulas, e a relao do nmero de clulas somticas para o nmero declulas reprodutivas normalmente 3:5. Dessa maneira, uma tpica colnia de 128clulas tem 48 clulas somticas e uma colnia de 64 clulas tem 24 clulas somticas. Nos Volvox, quase todas clulas so somticas, e muito poucas clulas so capa-zes de produzir novos indivduos. Em algumas espcies de Volvox, clulas reproduti-vas como as da Pleodorina, so derivadas de clulas que originalmente parecem efuncionam como clulas somticas antes de crescer e se dividir para formarem umanova prognie. No entanto, em outros membros do gnero, como o V. carteri, existeuma diviso do trabalho completa: as clulas reprodutivas que vo criar a nova gera-o so colocadas de lado durante a diviso das clulas reprodutivas que estoformando um novo indivduo. As clulas reprodutivas nunca desenvolvem um flagelofuncional e nunca contribuem para motilidade e outras funes somticas do indiv-duo; so inteiramente especializadas para reproduo. Ainda que as volvocaceasmais simples sejam consideradas organismos coloniais (porque cada clula capaz deexistncia independente e perpetuao da espcie), no V. carteri temos um organismoverdadeiramente celular com dois tipos de clulas independentes e distintos (somticoe reprodutivo), ambos requeridos para a perpetuao da espcie (Figura 1.16C). Embo-ra nem todos os animais separem suas clulas reprodutivas das clulas somticas (eas plantas raramente o fazem), essa separao de clulas germinativas das clulassomticas no incio do desenvolvimento caracterstica de muitos filos animais e serdiscutida em maior detalhe no Captulo 13. Embora todas as volvocaceas, incluindo seu parente unicelular Chlamydomo-nas, se reproduzam predominantemente por meios assexuados, tambm so capazesde reproduo sexual. Isso envolve a produo e fuso de gametas haplides. Emmuitas espcies de Chlamydomonas, incluindo a ilustrada na Figura 1.12, a reprodu-o sexual isogmica, j que os gametas haplides que se encontram so similaresem tamanho, estrutura e motilidade. No entanto, em outras espcies de Chlamydo-monas - assim como as vrias espcies de volvocaceas coloniais - gametas nadado-res de diversos tamanhos so produzidos por parceiros de acasalamentos diferen-tes. Isso chamado heterogamia. Mas as volvocaceas maiores desenvolveram umaforma especializada de heterogamia, chamada oogamia, que envolve a produo devulos grandes e relativamente imveis por um parceiro do acasalamento e esper-matozides pequenos e mveis pelo outro parceiro (veja Vises Colaterais & Espe-culaes). Aqui vemos um gameta especializado para reteno de recursos nutricionaise de desenvolvimento e outro gameta especializado para transporte de ncleos.Assim, as volvocaceas incluem os organismos mais simples que tm macho e fmeadistinguveis, e possuem caminhos diferentes para desenvolver o vulo ou o es-permatozide. Em todas as volvocaceas, a reao da fertilizao se assemelha doChlamydomonas porque resulta na produo de um zigoto diplide dormente, ina-tivo, capaz de sobreviver a condies ambientais severas. Quando as condiespermitem aos zigotos germinar, eles primeiro sofrem meiose para produzir herdeiroshaplides dos dois parceiros em nmeros iguais. [other.html#intro1] 36. 18PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento Informaes adicionais & EspeculaesSexo e Individulidade em VolvoxSimples como , o Volvox comparti- lha muitos traos que caracterizam o ciclo de vida e histrico de desen-volvimento de organismos muito mais com-so parentes. A morte chega para umaameba apenas se ela ingerida ou sofreum acidente fatal; quando isso acontece,a clula morta no deixa prole.conjunto de gondios. No fim da clivagem,todas as clulas que estaro presentes noadulto, foram produzidas de cada um dosgondios. Mas o embrio est virado deplexos, incluindo ns mesmos. Como j foi Porm, a morte se torna uma parte es- dentro para fora: seus gondios esto domencionado, o Volvox est entre os orga-sencial da vida para qualquer organismo lado de fora e os flagelos de suas clulasnismos mais simples a exibir a diviso de pluricelular que estabelece diviso de tra- somticas esto apontando para o interi-trabalho entre dois tipos de clulas dife-balho entre clulas somticas e clulas or da esfera oca de clulas. Essa condiorentes. Como conseqncia disso, est en- germinativas (reprodutivas). Considere oadversa corrigida por um processo cha-tre os organismos mais simples a incluir ahistrico de vida do Volvox carteri quan- mado inverso, pelo qual o embrio se viramorte como uma parte regular, geneticamen-do se reproduz assexuadamente (Figura com o lado certo para fora atravs dete programada, da sua histria de vida. 1.17). Cada adulto assexuado um movimentos celulares que fazem lembraresferide contendo aproximadamentemovimentos de gastrulao no embrioMorte e Diferenciao 2000 pequenas clulas somticas biflage-animal (Figura 1.18). Um agrupamento deOrganismos unicelulares que se reprodu- ladas ao longo de sua periferia e por voltazem atravs de uma simples diviso celu-de 16 grandes clulas reprodutivasFigura 1.17lar, tais como as amebas, so potencial-assexuadas, chamadas gondios, dispos-Reproduo assexual em V. carteri. Quando asmente imortais. A ameba que vemos sob tas em umas das extremidades do interior. clulas reprodutivas (gondios) esto maduras,um microscpio no tem ancestrais mor-Quando maduro, cada gondio divide-se entram em um estado semelhante clivagem dotos! Quando uma ameba se divide, nenhu- rapidamente 11 ou 12 vezes. Parte dessa desenvolvimento embrionrio para produzir se-ma das duas clulas resultantes pode serdiviso assimtrica e produz as 16 clu-res juvenis dentro do adulto. Atravs de umaconsiderada ancestral ou prognie; elas las grandes que iro se tornar um novosrie de movimentos celulares semelhantes gastrulao, o volvox embrionrio se inverte e finalmente liberado do progenitor. As clulassomticas do progenitor, sem gondios, passampor senescncia e morrem, enquanto a colniajuvenil amadurece. O ciclo sexual total dura doisExpansodias. (Segundo Kirk, 1988.)de adultos Embriognese e juvenis Adulto com juvenis Adulto com gondios madurosMaturaodos gondiosExpanso continuadada matriz extracelularExpanso Morte de clulas continuada somticas - progenitoresde juvenisLiberaode juvenis 37. CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal19(A)(F)Figura 1.18Inverso dos embries V. carteri produzidosassexuadamente. A-E so micrografias eletr-nicas de varredura de embries completos. F-J so cortes sagitais atravs do centro do em-brio, visualizado por microscopia diferencialde interferncia. Antes da inverso, o embrio uma esfera cncava de clulas conectadas.Quando as clulas mudam a sua forma, umburaco (o fialoporo) abre-se no topo do em-brio (A,B,F,G). As clulas se curvam e serenem em um dos plos (C-E, H-J). (Kirk et(B)(G)al., 1982, cortesia de D. Kirk.)das clulas que as produzem (Pommervillee Kochert, 1982). Alm do mais, nessa mor-te, as clulas liberam para o uso de ou-tras, incluindo sua prpria cria, todo o nu-triente acumulado durante toda a vida.Dessa maneira emerge, como assinalaDavid Kirk, um dos grandes temas davida no planeta Terra: Alguns morrem para(C)(H)que outros possam viver.Em V. carteri, foi identificado um gene*especfico que tem um papel importante re-gulando a morte das clulas (Kirk, 1988).Em linhagens laboratoriais possuindo mu-taes desse gene, as clulas somticasabandonam suas tendncias suicidas,ganham a habilidade de se reproduzirem(D)(I)* Esse gene (regA) foi clonado e mostroucodificar uma protena que age para reprimir(direta ou indiretamente) todos os genes cujosprodutos so requeridos pela clula para se de-senvolver como gondio. Mutaes de perda dafuno impediro a protena de agir, e as clulassero capazes de se tornarem gondios (D. Kirk,comunicao pessoal).(E)(J)clulas em forma de garrafa abre um bura-O que acontece s clulas somticasco em um dos lados do embrio produzin-do progenitor Volvox agora que as jo-Figura 1.19 Clulas garrafas prxi-do tenso sobre a camada de clulas in-vens deixaram o lar? Tendo produzido mas abertura do fialoporo. Essas clulasterconectadas (Figura 1.19). O embrio seuma cria e sendo incapazes de uma nova permanecem estreitamente conectadas atra-utiliza desse buraco para fazer a inverso reproduo, essas clulas somticas mor- vs de pontes citoplasmticas prximas aseus pices alongados, desse modo criandoe depois o fecha. Posteriormente, as col- rem. Para ser mais exato, elas cometem a tenso que causa a curvatura da lmina ce-nias juvenis so enzimaticamente soltassuicdio, sintetizando um conjunto de pro- lular interconectada. ( Kirk et al., 1982, cor-do progenitor e nadam livres.tenas que causam a morte e a dissoluo tesia de D. Kirk.) 38. 20PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento(A) assexuadamente e se tornam potencialmen- advento da inevitvel morte naturalte imortais (Figura 1.20). O fato desses mu- no reino animal, e tudo em nome dotantes nunca terem sido encontrados na sexo. E pergunta: Vale a pena?natureza, indica qu

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Gilbert, Biologia do desenvolvimento, 5ed