2.1: Uma Introdução à Genética do Desenvolvimento

O desenvolvimento de cada organismo é guiado pela informação genética codificada em seu DNA. Ao estudar como os genes controlam os processos de desenvolvimento, como a migração e diferenciação celular, os cientistas no 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, as 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 revisando 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 ou "fenótipos" das ervilhas, como a cor da semente, eram herdados de acordo com regras consistentes. Ao propor que esses fenótipos são realmente controlados por alguns fatores de hereditariedade invisíveis e discretos, Mendel plantou as sementes do campo da genética.

Esses fatores de hereditariedade foram chamados de "genes" pelo botânico dinamarquês Wilhelm Johannsen em 1909. Então, em 1910, Thomas Hunt Morgan e seus alunos usaram a mosca da fruta Drosophila como um organismo modelo para descobrir que os genes são encontrados em estruturas físicas no núcleo da célula chamadas cromossomos.

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

Em 1940, Conrad Hal Waddington propôs que as células de um embrião se diferenciam ao longo de caminhos, ou "destinos", que são controlados por genes. Ele formulou uma metáfora para esse processo, refinada nos 17 anos seguintes, chamada de "paisagem epigenética", onde uma célula é vista como uma bola de gude rolando pela encosta em direção a diferentes destinos celulares. Os caminhos percorridos pela célula seguem as cristas 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 gênica diferencial define a identidade celular.

Uma vez determinado que a expressão gênica 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-das-frutas. Por meio dessas telas de mutação, os cientistas identificaram um grande número de genes que controlam todas as etapas do processo de desenvolvimento.

Em 2007, um consórcio internacional de cientistas começou a trabalhar na criação de uma coleção de camundongos em que cada gene, um em cada camundongo, 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, vejamos algumas questões-chave que os geneticistas do desenvolvimento estão tentando responder.

Alguns pesquisadores estão se concentrando nos primeiros eventos durante a transformação de óvulos fertilizados, ou zigotos, em embriões multicelulares. Esses eventos dependem de RNAs e proteínas que são depositados 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 células geneticamente idênticas adotam destinos celulares diferentes? Os cientistas estão identificando os muitos fatores que controlam a expressão gênica 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 estão perguntando como o embrião inicial, uma massa amorfa de células, se transforma em um organismo complexo com partes distintas e funcionais. A formação desse 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 revisar 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 "nocautear" o gene no DNA do organismo, introduzindo mutações ou substituindo-o por DNA não funcional. Alternativamente, a expressão gênica pode ser "derrubada" pela introdução de oligonucleotídeos que se ligam às sequências de mRNA alvo e impedem a produção de proteínas funcionais.

Para identificar quais genes são responsáveis por fenótipos específicos, os cientistas podem realizar exames genéticos. Em uma triagem genética avançada, as mutações são geradas aleatoriamente em organismos por radiação ou produtos químicos conhecidos como mutagênicos. Quando um mutante exibe um fenótipo de interesse, o gene desconhecido que sofreu mutação pode ser identificado. A abordagem oposta é uma triagem genética reversa, onde os cientistas primeiro visam um grande número de genes candidatos específicos para interrupção e, em seguida, analisam os fenótipos resultantes dos mutantes.

Finalmente, os biólogos também estão interessados em determinar a expressão gênica em diferentes estágios de desenvolvimento. Uma ferramenta para medir a expressão gênica é o 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 de desenvolvimento diferentes é usado para gerar dois conjuntos diferentes de sondas marcadas com fluorescência, que são então hibridizadas com o microarray. As mudanças na expressão gênica podem então ser interpretadas a partir do sinal fluorescente em cada ponto da matriz.

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

Os cientistas estão realizando triagens genéticas em larga escala em organismos modelo, como C. elegans, para procurar genes que afetam o desenvolvimento. Isso geralmente é feito por meio de 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 de RNAi projetada contra um grande número de genes de vermes e analisaram o efeito do knockdown de genes no desenvolvimento dos animais.

Outros pesquisadores estão realizando triagens genéticas diretas usando mutagênese aleatória para identificar fenótipos de desenvolvimento. Neste experimento, os pesquisadores usaram a técnica de armadilha genética para mutagenizar embriões de peixe-zebra, onde uma construção repórter é direcionada aleatoriamente para íntrons de genes e os torna não funcionais. Os cientistas podem então identificar facilmente os animais nos quais o gene é interrompido com sucesso, procurando o sinal repórter, e aqueles que exibem um defeito de desenvolvimento podem ter o gene responsável identificado.

Finalmente, a expressão gênica de diferentes tipos de células em um organismo em desenvolvimento pode ser perfilada por microarrays para identificar quais genes são ativados ou desativados durante a diferenciação e especialização celular. Neste estudo, células neuronais únicas de diferentes tipos de células 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 específico de célula.

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