Uma Introdução à Genética do Desenvolvimento

O desenvolvimento de cada organismo é guiado pelas informações genéticas codificadas em seu DNA. Ao estudar como os genes controlam processos de desenvolvimento, como migração celular e diferenciação, cientistas do campo da genética do desenvolvimento estão tentando entender melhor como as estruturas complexas dos organismos multicelulares são formadas.

Este vídeo apresentará algumas das principais descobertas neste campo, uma série de perguntas fundamentais feitas por geneticistas do desenvolvimento, principais ferramentas que os cientistas usam para responder a essas perguntas e, finalmente, estudos específicos que estão sendo conduzidos sobre genética do desenvolvimento hoje.

Vamos começar revendo algumas das descobertas importantes que moldaram o campo da genética do desenvolvimento.

Em 1865, um monge austríaco, Gregor Mendel, realizou experimentos de reprodução com ervilhas. Ele observou que os traços visíveis das ervilhas ou "fenótipos", como a cor das sementes, foram herdados de acordo com regras consistentes. Ao propor que esses fenótipos sejam realmente controlados por alguns fatores de hereditariedade invisíveis e discretos, Mendel plantou as sementes do campo da genética.

Esses fatores de herediidade foram chamados de "genes" pelo botânico dinamarquês Wilhelm Johannsen em 1909. Então, em 1910, Thomas Hunt Morgan e seus alunos usaram a mosca-das-frutas Drosophila como um organismo modelo para descobrir que genes são encontrados em estruturas físicas no núcleo celular chamado cromossomos.

Em 1938, Salomé Gluecksohn-Waelsch mostrou que um gene específico era necessário para o desenvolvimento de uma estrutura embrionária conhecida como notochord. Esta foi uma das primeiras evidências de que os genes controlam os processos de desenvolvimento precoce.

Em 1940, Conrad Hal Waddington propôs que as células em um embrião se diferenciam ao longo de caminhos, ou "destinos", que são controlados por genes. Ele formulou uma metáfora para este processo, refinada ao longo dos próximos 17 anos, chamada de "paisagem epigenética", onde uma célula é vista como um mármore rolando por uma encosta em direção a diferentes destinos celulares. Os caminhos tomados pela célula seguem os cumes e vales da paisagem, que por sua vez são controlados por genes e seus padrões de expressão.

Em 1952, Wolfgang Beermann confirmou que, embora diferentes células em um organismo tenham o mesmo conteúdo genético, diferentes regiões dos cromossomos estão ativas, e essa expressão genética diferencial define a identidade celular.

Uma vez determinado que a expressão genética influencia o desenvolvimento, a próxima pergunta foi, quais genes? Para responder a isso, na década de 1970, Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard e Eric Weischaus usaram produtos químicos para mutar aleatoriamente genes em moscas frutíferas. Através dessas telas de mutação, os cientistas identificaram um grande número de genes controlando cada etapa do processo de desenvolvimento.

Em 2007, um consórcio internacional de cientistas começou a trabalhar na criação de uma coleção de ratos em que cada gene, um em cada rato, é excluído ou "nocauteado". O fenótipo de cada um desses camundongos está sendo caracterizado, e nos dará o primeiro catálogo da função de todos os genes em um mamífero.

Agora que revisamos as raízes do campo, vamos olhar para algumas perguntas-chave que os geneticistas do desenvolvimento estão tentando responder.

Alguns pesquisadores estão focando nos primeiros eventos durante a transformação de ovos fertilizados, ou zigotes, em embriões multicelulares. Esses eventos dependem de RNAs e proteínas que são depositadas no óvulo pela mãe, em um fenômeno conhecido como "contribuição materna" ou "efeito materno". Os cientistas estão interessados em aprender como o genótipo de uma mãe influencia o fenótipo de um embrião.

Outra questão central na genética do desenvolvimento é: como as células geneticamente idênticas adotam diferentes destinos celulares? Os cientistas estão identificando os muitos fatores que controlam a expressão genética diferencial entre diferentes células, incluindo as vias de sinalização que dizem à célula quais genes expressar, e quando expressá-los, durante o desenvolvimento.

Finalmente, os cientistas também perguntam como o embrião precoce, uma massa amorfa de células, se transforma em um organismo complexo com partes distintas e funcionais. A formação deste plano corporal é chamada de morfogênese, e os cientistas estão tentando identificar os genes e caminhos que governam esse processo.

Agora que você conhece algumas das perguntas que os geneticistas do desenvolvimento estão fazendo, vamos rever as técnicas que eles estão usando para responder a essas perguntas.

Os cientistas podem estudar o papel de genes específicos no desenvolvimento, interrompendo sua expressão. Uma maneira de fazer isso é "nocauteando" o gene no DNA do organismo introduzindo mutações, ou substituindo-o por DNA não funcional. Alternativamente, a expressão genética pode ser "derrubada" introduzindo oligonucleotídeos que se ligarão às sequências mRNA alvo e impedirão a produção de proteínas funcionais.

Para identificar quais genes são responsáveis por fenótipos específicos, os cientistas podem realizar telas genéticas. Em uma tela genética avançada, mutações são geradas aleatoriamente em organismos por radiação ou produtos químicos conhecidos como mutagens. Quando um mutante é encontrado para exibir um fenótipo de interesse, o gene desconhecido que foi mutado pode então ser identificado. A abordagem oposta é uma tela genética reversa, onde os cientistas primeiro visam um grande número de genes candidatos específicos para a interrupção, e depois olham para os fenótipos resultantes dos mutantes.

Finalmente, os biólogos também estão interessados em determinar a expressão genética em diferentes estágios de desenvolvimento. Uma ferramenta para medir a expressão genética é a microarray, que é um chip pontilhado com oligonucleotídeos contendo sequências dos genes a serem testados. Em um experimento típico, o RNA extraído de organismos em dois estágios diferentes de desenvolvimento é usado para gerar dois conjuntos diferentes de sondas fluorescentes rotuladas, que são então hibridizadas para a microarray. Alterações na expressão genética podem então ser interpretadas a partir do sinal fluorescente em cada ponto na matriz.

Com essas técnicas experimentais em mente, vamos dar uma olhada em como os pesquisadores estão aplicando-as para estudar genética do desenvolvimento.

Cientistas estão realizando telas genéticas em larga escala em organismos modelo, como C. elegans, para procurar genes que afetam o desenvolvimento. Isso geralmente é feito através da interferência de RNA, ou RNAi, um processo pelo qual os genes são silenciados usando pequenas moléculas de RNA. Aqui, os cientistas alimentaram vermes com bactérias contendo uma biblioteca RNAi projetada contra um grande número de genes de vermes, e analisaram o efeito da derrubada genética no desenvolvimento dos animais.

Outros pesquisadores estão realizando telas genéticas avançadas usando mutagênese aleatória para identificar fenótipos de desenvolvimento. Neste experimento, os pesquisadores usaram a técnica gene-trap para mutagenizar embriões de zebrafish, onde uma construção de repórter é aleatoriamente direcionada a introns de genes e torná-los não funcionais. Os cientistas podem então identificar facilmente os animais em que o gene é interrompido com sucesso procurando o sinal do repórter, e aqueles que exibem um defeito de desenvolvimento podem ter o gene responsável identificado.

Finalmente, a expressão genética de diferentes tipos de células em um organismo em desenvolvimento pode ser perfilada por microarrays para identificar quais genes são ligados ou desligados durante a diferenciação e especialização celular. Neste estudo, células neuronais únicas de diferentes tipos celulares foram isoladas da retina em desenvolvimento. O RNA foi então extraído dessas células para análise de microarray para identificar genes que desempenham um papel no desenvolvimento de cada tipo celular específico.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à genética do desenvolvimento. Este vídeo revisou alguns destaques históricos deste campo, as grandes perguntas feitas pelos geneticistas do desenvolvimento, alguns dos métodos proeminentes atualmente sendo usados em laboratórios, e aplicações específicas dessas abordagens para estudar biologia do desenvolvimento. Como sempre, obrigado por assistir!