Uma Introdução à Biologia Molecular do Desenvolvimento

Estudos no campo da biologia do desenvolvimento molecular fornecem insights sobre as mudanças que ocorrem no nível celular durante a diferenciação e desenvolvimento. Os pesquisadores examinam os mecanismos físicos e químicos que regulam as funções celulares. Isso ajuda a entender como as células dão origem a tecidos especializados dentro do embrião em maturado, e como defeitos no nível molecular podem levar a estados da doença.

Este vídeo apresenta uma breve história da biologia do desenvolvimento molecular, introduz as principais perguntas feitas pelos cientistas neste campo, descreve algumas ferramentas disponíveis para responder a essas perguntas e discute algumas aplicações atuais de laboratório.

Vamos começar revendo alguns estudos marcantes na história da pesquisa de biologia do desenvolvimento molecular.

Em 1957, Conrad Waddington publicou um livro intitulado "A Estratégia dos Genes" no qual ele tentou explicar como o destino celular é decidido. Com base em estudos previamente realizados de transplante de tecido, ele apresentou um modelo conceitual descrevendo que uma célula é como uma bola de gude rolando por uma colina, e o caminho que leva para chegar ao fundo determinará seu estado diferenciado final. Essa ideia de que tipos de células distintas surgem de células indiferenciadas recebendo diferentes sinais durante o desenvolvimento ficou conhecida como a "paisagem epigenética".

Na mesma época, Rita Levi-Montalcini e Stanley Cohen observaram que o transplante de tumores em embriões de filhotes levou ao rápido crescimento dos neurônios. Eles hipóteseram que uma substância secretada pelos tumores causou esse crescimento, e identificaram a proteína como fator de crescimento nervoso, ou NGF. Logo depois disso, Cohen descobriu outro fator de crescimento que foi secretado pela glândula salivar de camundongos e promoveu o crescimento das células epiteliais. Ele identificou essa proteína como fator de crescimento epidérmico, ou EGF.

Mais tarde, em 1969, Lewis Wolpert propôs uma teoria sobre como uma certa classe de moléculas de sinalização, conhecidas como morfogens, agem diretamente nas células para induzir respostas específicas em concentrações variadas. Ele usou cores da bandeira francesa para modelar estados celulares, vermelho servindo como o estado padrão quando nenhum sinal está presente. A partir daí, baixas concentrações de morfogênio, mostradas em branco, podem ativar um gene, enquanto altas concentrações de morfogênio, mostradas em azul, podem ativar um gene diferente.

Expandindo-se neste trabalho, em 1988 Christiane Nusslein-Volhard identificou o primeiro morfogênio conhecido pela condução de telas genéticas em moscas. Ela usou anticorpos para mostrar que uma proteína, conhecida como Bicoid, forma um gradiente de concentração ao longo do eixo anterior-posterior do embrião em desenvolvimento, e controla a expressão de genes importantes para a organização das regiões da cabeça e do tórax.

Durante o início da década de 1990, Peter Lawrence e Ginés Morata usaram seu próprio trabalho em moscas para expandir a teoria dos gradientes de morfogênio. Eles hipóteseram que um conjunto de células é responsável pela organização de um compartimento específico do organismo. À medida que o desenvolvimento prossegue, sinais moleculares instruem essas células a dividir e construir mais compartimentos, continuando até que todo o organismo seja formado.

Agora que revisamos alguns destaques históricos, vamos examinar algumas perguntas fundamentais feitas pelos atuais biólogos do desenvolvimento.

Para começar, alguns pesquisadores se concentram em identificar as moléculas que regulam o desenvolvimento. Por exemplo, eles podem estudar fatores individuais ou de crescimento que possam causar uma resposta celular específica, como diferenciação ou migração.

Outros biólogos de desenvolvimento investigam como essas moléculas regulam o processo de desenvolvimento. Eles podem estudar como a concentração de um sinal molecular pode instruir uma célula a diferenciar ou migrar. Eles também perguntam sobre como as células se comunicam com outras células próximas, e olham para moléculas de sinalização que se difundem a uma curta distância e agem localmente, conhecidas como fatores paracrinos.

Finalmente, alguns biólogos de desenvolvimento querem entender como as células respondem a sinais externos. Eles podem estudar mudanças dentro da própria célula, como aumentos ou diminuição na expressão de determinados genes, olhando para níveis de suas proteínas codificadas. Outros se concentram em mudanças externas, como alterações na forma ou tamanho da célula.

Agora que você tem uma noção de perguntas-chave feitas por biólogos de desenvolvimento molecular, vamos olhar para algumas das técnicas que eles usam para encontrar respostas para essas perguntas.

A coloração é uma das abordagens mais utilizadas para investigar padrões de expressão genética e identificar as moléculas que regulam o desenvolvimento.

A imunohistoquímica é uma técnica de coloração que usa anticorpos conjugados a repórteres químicos ou fluorescentes para rotular proteínas. A visualização de proteínas por microscopia de fluorescência oferece insights sobre sua localização em seções teciduais, e também suas potenciais contribuições para estruturas celulares. Hibridização total in situ é um método alternativo de coloração, que usa oligonucleotídeos rotulados de DNA ou RNA para olhar padrões de expressão genética em tecidos tridimensionais.

A cultura explanta é outra abordagem comumente utilizada neste campo para estudar os mecanismos pelos quais os estímulos externos atuam. Nesta técnica, um tecido é removido do local natural de crescimento e cultivado em cultura. Condições específicas de crescimento, como o substrato nas placas de cultura ou fatores de crescimento adicionados à mídia cultural, podem então ser examinadas por seus efeitos no desenvolvimento de células e tecidos.

A imagem de células vivas é usada para analisar respostas celulares a estímulos de desenvolvimento. Culturas in vitro são adequadas para capturar movimentos celulares e padrões de localização em tempo real. Células manchadas ou fluorescentes também podem ser rastreadas in vivo usando microscopia de lapso de tempo.

Frequentemente, células de um tecido de interesse são transplantadas de um doador para um organismo hospedeiro, e depois monitoradas ao longo do desenvolvimento.

Agora que você está familiarizado com alguns métodos gerais de laboratório, vamos olhar para algumas aplicações de pesquisa de biologia do desenvolvimento molecular.

Uma abordagem para determinar o papel que os produtos genéticos específicos desempenham no desenvolvimento é alterar sua expressão por meios externos. Neste experimento, oligonucleotídeos antissamo-americanos chamados morfolnos foram injetados para derrubar dois genes de zebrafish importantes para o desenvolvimento adequado do ouvido interno. A imunossuagem de proteínas estruturais mostrou que embriões com expressão genética reduzida apresentam menos neurônios e células ciliares dentro do ouvido interno em comparação com os controles.

Outra aplicação da biologia do desenvolvimento molecular é descobrir quando e onde os genes são expressos, para entender melhor como suas proteínas codificadas podem funcionar. Os pesquisadores deste experimento usaram sondas de RNA fluorescentes com rótulos fluorescentes complementares a duas transcrições-alvo, a fim de identificar células que transcrevem um ou ambos os genes de interesse.

Alguns cientistas usam culturas explant para analisar respostas celulares em várias condições. Neste experimento, os pesquisadores dissecaram neurônios sensoriais do ouvido interno de embriões de filhotes e os cultivaram por várias horas. Em seguida, as culturas foram trocadas por mídias contendo contas de proteínas. Imagens confocal de lapso de tempo após a incubação com anticorpos rotulados revelaram que as proteínas nas contas promoveram o crescimento das projeções dos corpos das células neurônios.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à biologia do desenvolvimento molecular. Neste vídeo, revisamos a história da pesquisa de biologia do desenvolvimento molecular e introduzimos as principais perguntas feitas por biólogos do desenvolvimento. Também exploramos estratégias de pesquisa proeminentes e discutimos algumas de suas aplicações atuais. Como sempre, obrigado por assistir!