UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO - UEMACENTRO DE ESTUDOS SUPERIORES DE CAXIAS - CESC

CIÊNCIAS BIOLOGICAS LICENCIATURA

GENETICA DO DESENVOLVIMENTO DE ORGANISMOS-MODELOS

Adriana RêgoAnderson Teixeira

Jessica ValeRonison Ferreira

Caxias-MA2014

• Nas plantas e nos animais pluricelulares, um óvulo fertilizado sofre umaserie de eventos;

• O desenvolvimento da celular e marcado por 3 fases:

Especificação

DeterminaçãoDiferenciação

A genética do Desenvolvimento procura explicar como um estado diferenciado se desenvolve a partir de

padrões de expressão genômica

• Os genomas animais contem dezenas de milhões de genes , mas só um pequenosubgrupo controla os eventos que molda o corpo adulto;

• O desenvolvimento e a obtenção de estado diferenciado por todas as células de umorganismo;

• Hipótese de ativação genica variável.

A conservação evolutiva dos mecanismos de desenvolvimento pode ser estudada por meio de

organismos modelos

• Existe um pequeno número de mecanismo de desenvolvimento e de sistemas de sinalização usados por todos organismos pluricelulares;

• A evolução gerou estratégias novas e diferentes para transforma um zigoto em um adulto.

Organismo modelo no estudo do desenvolvimento

1. Saccharomyces cerevisiae;

2. Drosophila melanogaster;

3. Mus musculus;

4. Danio rerio;

5. Arbidopsis thaliana;

• Com exceção das plantas todos as espécies compartilham vias geneticamentereguladas e mecanismo de desenvolvimento humano.

1. Desenvolvimento do plano do corpo do animal adulto;

2. Programa de expressão genica que transforma celular indiferenciada emdiferenciada;

3. Papel da comunicação das células no desenvolvimento.

As analises dos mecanismo desenvolvimento

• Distribuição desuniforme do citoplasma;

• Os fatores ambientais agora agem sobre o material genético intranuclear, nãoincluindo apenas o citoplasma mais também sinais provenientes de outrascélulas.

Conceitos básicos na genética do desenvolvimento

Zigoto

Ovócito

Espermatozoide

Células Filhas

Células Diferenciadas

Células Indiferenciadas

• Questão central da biologia do desenvolvimento.

• Informações oriundas dos estudos de organismos-modelo.

• A genética e a análise molecular do desenvolvimento

embrionário da Drosophila.

Desenvolvimento embrionário em Drosophila

• Após a fertilização, o núcleo do zigoto

sofre uma série de replicações de DNA e

de divisões nucleares sem citocinese.

Panorama do desenvolvimento em Drosophila

Análise genética da embriogênese

• As moscas fêmeas homozigotas para

mutações deletérias recessivas em genes

de feito materno são estéreis e os

embriões não recebem produtos gênicos

do tipo selvagem de suas mães.

Análise genética da embriogênese

• A maioria dos produtos gênicos de efeito

materno distribuídos no óvulo durante a

ovogênese é ativado após a fertilização e

determina o eixo ântero-posterior do embrião.

Os genes zigóticos programam a formação dos segmentos em Drosophila

TAB.19.1 Genes de Segmentação em Drosophila

GENES GAP GENES PAIR-RULE GENES DE POLARIDADE SEGMENTAR

Kruppel hairy engrailed

knirps even-skipped wingless

hunchback runt cubitis-interruptus

giant fushi-tarazul hedgehog

tailless odd-paired fused

hunckebein odd-skipped armadillo

sloppy-paired patched

gooseberry

paired

naked

disheveled

Os genes zigóticos programam a formação dos segmentos em Drosophila

Genes gap

• São ativados ou desativados por

produtos gênicos expressos ao

longo do eixo ântero-posterior e por

ouros genes do sistema materno.

Genes pair-rule

• São expressos em bandas (ou listras)

estreitas de núcleos que circundam o

embrião em sua circunferência.

Os genes zigóticos programam a formação dos segmentos em Drosophila

• A transcrição dos genes pair-rule é medida pela

ação dos produtos dos genes gap, mas a

resolução do padrão de segmentos em faixas

altamente delineadas resulta da interação entre

os produtos gênicos dos próprios genes pair--

rule

Os genes zigóticos programam a formação dos segmentos em Drosophila

Genes de polaridade segmentar

• A expressão é controlada pelos fatores de

transcrição codificados pelos genes de

pair-rule.

Os genes zigóticos programam a formação dos segmentos em Drosophila

Runt, um dos principais genes pair-rule em

Drosophila.

É altamente conservada na proteína do

camundongo e na humana.

Em humanos, a mutação CBFA, homóloga de

runt causa a displasia cleidocranial.

Genes de segmentação em camundongos e humanos

Nos camundongos, o runt se expressa cedo

no desenvolvimento e controla a

hematopoese a osteogênese.

Um alelo mutante, fenótipo semelhante ao

observado em humanos.

Dois alelos mutantes não têm ossos,

esqueleto composto apenas por cartilagens.

Genes de segmentação em camundongos e humanos

A expressão dos genes homeóticos

determina quais estruturas adultas serão

formadas por cada segmento corporal.

Os genes seletores homeóticos especificam as partes do corpo adulto

Genes seletores homeóticos (HOX) em Drosophila

Os genes seletores homeóticos especificam as partes do corpo adulto

Tab 19.2

GENES HOX EM DROSOPHILA

Complexo Antennapedia Complexo Bithorax

labial Ultrabithorax

Antennapedia abdominal A

Sex comb reduced Abidominal B

Deformed

proboscipedia

• Os genes Hox da Drosophila tem duas propriedades comuns.

• Homeobox e Homeodomínio

• 3’ / / 5’

Os genes seletores homeóticos especificam as partes do corpo adulto

Os genes seletores homeóticos especificam as partes do corpo adulto

• Gradientes de mRNAs e de proteínas de origem materna

• Genes gap

• Genes pair-rule

• Genes de polaridade segmentar

Genes Hox e doenças genéticas humanas

Os humanos e a maioria dos vertebrados têm quatro grupamentos de genes Hox

(HOXA, HOXB, HOXC e HOXD), em um total de 39 genes.

As evidencias de estudos mutacionais em galinhas e em camundongos demonstram

que os genes HOXD próximos da extremidade do grupamento 5’ desempenham

papéis críticos no desenvolvimento de membros.

Os genes seletores homeóticos especificam as partes do corpo adulto

Mutação em HOXD13

Controle da expressão dos genes Hox

• Em Drosophila foram identificados vários genes que controlam a expressão de genes

Hox.

• Controle da expressão de genes de Hox por proteínas codificadas por membros da

família Polycomb.

• Proteínas trithorax

Os genes seletores homeóticos especificam as partes do corpo adulto

• Nos grupamentos de genes Hox, além dos genes homeóticos, existe uma família

grande e diversificada de outros genes que contêm homeoboxes, difundida em

todos os genomas eucarióticos.

• As mutações de Dll produzem grande variedade de fenótipos, inclusive a

transformação das antenas em patas e a formação de patas encurtadas, às quais

faltam estruturas distais.

Cascatas de ações gênicas controlam a diferenciação

Nos humanos, há seis genes da família Distal-less que contêm homeoboxes (DLX1 a

DLX6), com uma sequência gênica estreitamente relacionada com a do gene Dll da

Drosophila.

O gene DLX3 e a condição hereditária da síndrome tricodentoóssea.

Cascatas de ações gênicas controlam a diferenciação

• Os sequenciamentos genômicos e as análises genéticas de mutantes indicam

que, os mecanismos básicos de desenvolvimento evoluíram independentemente

nas plantas e nos animais.

• Uso do desenvolvimento da flor de Arabidopsis thaliana, para o estudo padrão

da formação nas plantas.

As plantas evoluíram sistemas comparáveis aos genes Hox dos animais

Genes homeóticos em

Arabidopsis

As plantas evoluíram sistemas comparáveis aos genes Hox dos animais

Três classes de genes homeóticos florais controlam o desenvolvimento dos órgãos

florais.

A formação de cada órgão depende do padrão de expressão de diferentes genes.

As plantas evoluíram sistemas comparáveis aos genes Hox dos animais

TABELA 19.3 GENES SELETORES HOMEÓTICOS EM ARABIDOPSIS

Classe A APETALA (AP1)

APETALA (AP2)

Classe B APETALA (AP3)

PISTILLATA (P1)

Classe C AGAMOUS (AG)

As plantas evoluíram sistemas comparáveis aos genes Hox dos animais

Divergência evolutiva nos genes homeóticos

• Homeobox e Proteínas MADS-box

• Homologia do gene CURLY LEAF com os membros da família gênica

Polycomb, e a regulação dos genes Homeobox.

As plantas evoluíram sistemas comparáveis aos genes Hox dos animais

• As interações célula a célula influi na programação transcricional e na designaçãodas células circundantes durante o desenvolvimento que são moldadas emC.elegans;

• Os animais usam diversas vias de sinalização para regular o desenvolvimento nasetapas iniciais.

As interações célula a célula no desenvolvimento são modeladas em C. elegans

Sistemas de Sinalização usados no Desenvolvimento embrionário de vertebrados primitivos

Via Wnt Dorsalização do corpo/ Desenvolvimento

reprodutivo feminino/ Diferenciação dorsoventrais

Via TGF-β Indução da mesoderma/ Assimetria direita-esquerda/

Desenvolvimento Ósseo

Via Hedgehog Indução da Notocorda/ Somitogênese/ Mesoderma

Intestinal-Visceral

Via do Receptor da Tirosina-cinase Manutenção da Mesoderma

Via Notch/Delta Desenvolvimento das células sanguíneas/

Neurogênese/ Desenvolvimento da retina

• A via de sinalização Notch atua pelo contato direto entre as células para controla odestino das células no desenvolvimento;

• Variação da via Notch controla vários processos de desenvolvimento emDrosophila. A via Notch especifica a destinação de celular em sua população.

A via de sinalização Notch

• O nematódeo Caenorhabditis elegans é amplamente usado para estudosgenéticos;

• Características do Caenorhabditis elegans :

1. Um milímetro de comprimento;

2. Ovulo fertilizado dura em cerca de dois dias;

3. Possuem quatro fazes larvais;

4. Tem dois sexo.

Panorama do desenvolvimento de C. elegans

• A linhagem das células do Caenorhabditis elegans foi mapeada sendo foi mapeadosendo invariável de indivíduos para indivíduos através de microfaróis de laser comradiação ultra violeta.

• A vulva e formada em etapas por varias rodadas de interação célula a célula: Z1.ppp e Z4.aaa, que interage para formar as células-ancora da gônadas e outra percussora do útero;

• As células Z1.ppp e Z4.aaa sintetizam baixos índices de proteínas de sinalização Delta e da receptora Notch

A analise genética da formação da vulva.

• Uma segunda rodada de comunicação célula a célula leva á formação da vulva.

• Na fase larval 3 , o gene LIN3 é ativado na célula –âncora. O produto gênicoLIN3 é uma proteína-sinal.

• Portanto na via de desenvolvimento que leva a formação da vulva em C.elegans ,existe três níveis de interação intracelular.

• Nos humanos há quatro genes Notch que codifica receptores;

• As mutações na via de sinalização Notch são responsável por vários distúrbioshereditários, inclusive a síndrome de Alagílle.

Sistema de sinalização Notch em humanos

• Os elementos cis-reguladores(CRES), também chamados módulos cis –

reguladores(CRMs).

• Os CRMs contém sítios de ligação para vários fatores de transcrição e geralmente têm

vários sítios para cada fator.

• A ligação dos fatores de transcrição aos sítios dos CRMs determina se o gene em

questão está ativado ou reprimido.

Redes transicionais controlam a expressão gênica no desenvolvimento.

Rede de transcrição

Redes transicionais controlam a expressão gênica no desenvolvimento.

Redes transcricionais na

segmentação de Drosophila

• Um sistema de gradientes materno com

autorredundância que controla diretamente os

eventos de padronização zigótica precoce.

Redes transicionais controlam a expressão gênica no desenvolvimento.