GENÉTICA DO DESENVOLVIMENTO Profa. Dra. Ana Elizabete Silva Genética Humana

BIOLOGIA E GENÉTICA DO DESENVOLVIMENTO Duas hipóteses da embriologia: Preformacionismo (século XVII): visão de que todos os órgãos adultos estariam pré configurados no esperma ou óvulo. Hartsoecker (1677): publicou em revista científica a descrição do homúnculo presente na porção cefálica do espermatozóide, fortalecendo a teoria do animalculismo. “Um organismo desenvolve de si próprio”

Duas Hipóteses Da Embriologia: Epigênese: propunha que um organismo adulto se desenvolveria a partir de uma forma indiferenciada ADULTO ZIGOTO TRANSFORMAÇÃO Como é possível que grupos de células assumam diferentes funções já que elas tem genoma idênticos? DIFERENCIAÇÃO CELULAR: regulação e diferenciação da atividade de genes Expressão gênica: quando, onde e quanto?

DIFERENCIAÇÃO CELULAR Transcrição gênica controle da expressão gênica durante o desenvolvimento e toda a vida

Base Genética do Desenvolvimento Introdução Estudos em Drosophila melanogaster mostraram presença de famílias de genes codificam fatores de transcrição ligam e desligam outros genes cascata seqüencial coordenada para o controle do desenvolvimento embrionário

Base Genética do Desenvolvimento Introdução Desenvolvimento Embrionário indução diferenciação migração fases segmentação apoptose controle Gene T Fator de transcrição Gene A Proteína A de sinal secretada Gene C Proteína Citoplasmática Gene R Proteína receptora ligada a membrana Gene X Proteína X em célula diferenciada Morfógenos

Base Genética do Desenvolvimento Ação gênica Diferenciação Células totipotentes Células diferenciadas Genes master expressão diferencial segundo o tipo celular reguladores do desenvolvimento mantenedores do estado diferenciado Outros genes diferenciadores promotores silenciadores acentuadores Mutações em genes que regulam a embriogênese normal → anomalias do desenvolvimento

DESENVOLVIMENTO ANIMAL: processo pelo qual um zigoto se transforma em um organismo maduro capaz de reprodução → muitas instruções necessárias para o desenvolvimento normal são codificadas pelos genes do organismo (ativação e desativação gênica → metilação). PERÍODO EMBRIONÁRIO Primeiros 2 meses (8 semanas): embrião finaliza seu desenvolvimento quando adquire características que permitem seu reconhecimento como "ser humano " Ovo ou zigoto unicelular (0,1 mm) → ser multicelular (3 cm, 300x) PERÍODO FETAL: 9ª a 40 ª semanas → maturação e diferenciação dos órgãos e sistemas. O feto cresce cerca de 17x atingindo cerca de 50 cm no momento do parto Fecundação Mórula Embrião 8s Feto 11s Feto ~ 34s

Etapas Do Desenvolvimento Embrionário Humano: Diferenciação das células somáticas diplóides x células germinativas primordiais (gonócitos haplóides): migração de cerca de 100 células germinativas primordiais provenientes do endoderma extraembrionário do saco vitelino → cristas genitais primitivas 3ª Semana: Linha primitiva (dia 15): discreto sulco na linha mediana, na extremidade caudal da região dorsal do embrião → organização do embrião nos eixos da tridimensionalidade: -eixo crânio-caudal (anterior-posterior) -eixo dorso-ventral -eixo direito-esquerdo (posicionamento do coração e visceras) http://curlygirl.no.sapo.pt/desan.htm

ANORMALIDADE DE ASSIMETRIA ESQUERDA-DIREITA

GASTRULAÇÃO Gastrulação: (14-28 dias) processo com vários movimentos celulares (início da organogênese) → migração para estabelecimento dos três folhetos embrionários → disco embrionário trilaminar -ectoderma -endoderma -mesoderma ectoderme Sulco primitivo

NEURULAÇÃO Neurulação: diferenciação do ectoderma superficial e mesoderma dorsal em tubo neural (epitélio neural ou neuroectoderma) → precursor do SNC extremidade craniana da placa neural → encéfalo: prosencéfalo-1, mesencéfalo-2 e rombencéfalo-3 extremidade caudal da placa neural → medula espinhal-4 http://www.uc.cl/sw_educ/neurociencias/html/035.html

ENDODERMA ENDODERMA: tubo endodérmico (intestino primitivo ou arquenteron) → origem ao revestimento do trato digestório, árvore respiratória e de outros derivados do tubo intestinal. Bifurcação da árvore respiratória: pulmões INTESTINO PRIMITIVO: no período da organogênese → todo aparelho digestório e anexos : pâncreas, fígado, vesícula biliar e pulmão Intestino anterior: -Faringe -Esôfago -Intestino anterior abdominal (diafragma à porção média do duodeno Intestino médio: Segunda metade do duodeno até 2/3 proximais do cólon transverso Intestino posterior: cólon transverso ao canal anorretal

MESODERMA MESODERMA: dividido em 5 componentes Notocórdio: formação do tubo neural e eixo do corpo Mesoderma dorsal (nos dois lados do notocórdio): esqueleto axial e músculos esqueléticos e tecido conjuntivo da pele Mesoderma intermediário: rins e sistema genitourinário Mesoderma lateral: coração, esqueleto apendicular, tecido conjuntivo das vísceras e das paredes corporais Mesenquima cefálico: musculos oculares e da cabeça

MESODERMA segmenta em somitômeros (unidade de pequenos corpos) → formarão os somitos no sentido crânio-caudal - 7 primeiros somitômeros → criarão estruturas da cabeça e pescoço Somitos (formam-se 42 a 43) → desenvolvem na futura região da base do crânio (dia 20) → 5 a 7 mais caudais se degeneram : total 37 somitos : -4 occipitais -8 cervicais -12 torácicos -5 lombares -5 sacrais -3 coccígeos

ALTERAÇÕES NOS PADRÕES DE DESENVOLVIMENTO Gastrulação anormal: Humanos → ciclopia, sirenomelia Alteração eixo antero-posterior: Drosófila mutação antenapédia e bitórax Dismorfogênese da notocorda: Humanos → hemivértebras Patologias da crista neural: Humanos → S. Waardenburg

ANOMALIAS CONGÊNITAS RELACIONADAS À TERCEIRA SEMANA : GASTRULAÇÃO ANORMAL Ciclopia: (holoprosencefalia) → desenvolvimento anormal da linha média cerebral, RM grave e morte precoce → mutação no gene SHH (sonic Hedgehog) http://www.conganat.org/7congreso/imagenes_trabajos/396-ciclope1.jpg

ANOMALIAS CONGÊNITAS RELACIONADAS À TERCEIRA SEMANA : GASTRULAÇÃO ANORMAL Sirenomelia: anormalidade da formação mesodérmica na eminência caudal (membros de sereia) → defeito da linha mediana no estágio 11 → monopodium, simpodium ou rudimentos dos membros inferiores, ausência de tecidos como estruturas sacrococcígeas, períneo, bexiga, intestino posterior, associado à agenesia renal e anomalias vertebrais. http://galenored.com/bolivia/images/sirenom%201%20gral%20.jpg http://www.mediresource.com/CPNews/images/x020807A.jpg

ANOMALIAS CONGÊNITAS RELACIONADAS À QUARTRA SEMANA - SEGMENTAÇÃO plano de segmentação: orientado pelos genes homeóticos → Hox → manifesto na anatomia humana definitiva através das vértebras, costelas, dermátomos e nervos espinhais GENES HOMEÓTICOS: genes envolvidos na segmentação → a sequência destes genes se expressam em todas as classes de vertebrados → denominados homeobox (Hox)

MUTAÇÕES HOMEÓTICAS GENES HOMEÓTICOS Regulam segmentação do corpo Controlam uma cascata regulatória de genes alvos, que controlam a segmentação Codificam fatores de transcrição MUTAÇÕES HOMEÓTICAS Fazem com que uma parte do corpo se pareça com outra

Mutação → causando mudança do local de desenvolvimento Alteração Eixo Anterto-Posterior Formação do eixo anterior/posterior → extremidade da linha primitiva → estrutura denominada nódulo (gene nodal) → início e manutenção da linha primitiva e formação do eixo direito/esquerdo. -complexo gênico homeótico (HOM-C): controla o padrão ao longo do eixo anterior/posterior Drosophila (mutação antenapédia) pertuba a padronagem do eixo → antenas são substituídas por pernas Mutação → causando mudança do local de desenvolvimento de uma parte do corpo http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=iga.figgrp.3681

MUTAÇÃO BITHORAX EM DROSÓFILA Mutação em gene homeótico de segmentação (bx): afeta dois segmentos torácicos a) Asas rudimentares no lugar de altéres; b) dois pares de asas

3 segmentos da cabeça (H) 3 segmentos do tórax (T1-T3) SEGMENTAÇÃO DO CORPO Muitos invertebrados → corpo formado por unidades adjuntas denominadas segmentos Exemplo: Drosófila 3 segmentos da cabeça (H) 3 segmentos do tórax (T1-T3) 8 segmentos do abdomen (A1-A8) embrião larva adulto

GENES HOMEÓTICOS Insetos: genes HOM-C Seres humanos e camundongo: 4 cópias de Hox (HoxA até HoxD) 39 genes Hox: cada grupo gênico de 100 Kb está situado em um cromossomo diferente genes Hox de mamíferos são numerados de 1 a 13 os genes Hox são expressos ao longo do eixo dorsal do limite anterior do rombencéfalo até a cauda Os genes Hox são expressos de 3’ a 5’ ao longo do eixo antero-posterior

Genes homeóticos de insetos e mamíferos: Grupos de genes HOM-C e Hox (genes da mesma cor proximamente relacionados) Domínios de expressão e regiões dos embriões: ordem dos domínios de ambos embriões → mesma dos genes

DISTRIBUIÇÃO DOS GENES HOX

Mutação HOXD13 e Simpolidactilia SIMPOLIDACTILIA: interfalanges aladas e dedos extras nas mãos e pés Mutação HOXD13: expansão de polialanina no domínio aminoterminal da proteína (22 a 24 alaninas – normal: 15)

Dismorfogênese da notocorda Dismorfogênese da notocorda: leva a malformação do corpo vertebral : hemivértebras (escoliose) e falha produzida pelo tubo neural (alteração no arco vertebral) → espinha bífida hemivértebras http://www.srs.org/patients/review/images/9c.jpg http://www.emedicine.com/orthoped/images/748748748ort0618-08.jpg http://paginas.terra.com.br/saude/maninho/sss.html Espinha bífida

PATALOGIAS ASSOCIADAS A CRISTA NEURAL A- Defeito na migração ou morfogênese da crista neural (neuroectoderma): origina melanócitos, medula adrenal, sistema nervoso autônomo (SN entérico), neurônios sensoriais, tecido conjuntivo da cabeça e face fenda labial ou palatina Síndrome de Waardenburg (PAX3) Associação CHARGE (coloboma, cardiopatia, SNC, genital e auditivo)

SEQUÊNCIA DE ROBIN Restrição do crescimento mandibular (antes 9ª sem. gestação) fenda palatina em U e mandíbula pequena → interferência da língua, localizada mais posteriormente, no fechamento normal dos processos palatinos

PATALOGIAS ASSOCIADAS A CRISTA NEURAL Síndrome de Waardenburg: redução ou deficiência de melanócitos nos cabelos, olhos e ouvido interno → mecha branca, olhos claros e heterocromia,surdez Mutações em PAX 3

PATALOGIAS ASSOCIADAS A CRISTA NEURAL Piebaldismo em uma criança → esterilidade, anemia e regiões não pigmentadas da pela e cabelo, → causada por mutação no gene Kit → proteína essencial para a proliferação e migração das células da crista neural, precursores das células germinativas e células sanguíneas Piebaldismo em camundongo (Photographs courtesy of R. A. Fleischman.)

VIAS DE DESENVOLVIMENTO Consiste em eventos envolvidos na diferenciação de tecidos e órgãos, com participação de diferentes produtos gênicos → criando um fenótipo GENES NECESSÁRIOS AO DESENVOLVIMENTO NORMAL Codificam muitos produtos diferentes: -moléculas sinalizadoras e seus receptores -transdutores de sinais -fatores de transcrição do DNA -componentes da matriz extracelular -enzimas -sistemas de transporte e outras proteínas

Moléculas de sinalização parácrina São fatores parácrinos (secretado no espaço circundante das células)  atuam nas células vizinhas através de pequenas distâncias Quatro famílias de moléculas de sinalização parácrina: -família do fator de crescimento de fibroblasto (FGF) -família Hedgehog -família wingless -família do fator  de transformação do crescimento (TGF-) Cada uma das moléculas sinalizadoras se ligam a um ou mais receptores para efetuar uma resposta  mutações nestes genes podem levar a uma comunicação anormal entre as células

Doenças dos Receptores do Fator de Crescimento de Fibroblastos – FGFR3 FGFRs: são receptores para ~22 fatores de crescimento de fibroblastos Estrutura: peptídeo sinal, 3 domínios semelhantes aos da Ig, domínio transmembrana e um domínio intracelular tirosina quinase. Processos biológicos: migração, crescimento e diferenciação celular. Expressão: ossos em desenvolvimento Síndromes: displasias ósseas AD

Doenças dos Receptores do Fator de Crescimento de Fibroblastos – FGFR3 Acondroplasia: mutação substituição de glicina – arginina no domínio transmembrana de FGFR3 – ativação constitutiva do receptor Superativação de FGFR3 aumenta a inibição do crescimento de condrócitos – defeitos do esqueleto Hipocondrodisplasia: graus mais baixos de ativação Displasia tanatofórica (letal): ativação acentuada

Doenças dos Receptores do Fator de Crescimento de Fibroblastos – FGFR2 S. de Crouzon S. de Crouzon Síndromes de Craniossinostose: fusão prematura (sinostose)das suturas cranianas: crânios deformados e defeitos de membros Mutações: FGFR1, FGFR2 e FGFR3 – seis síndromes de craniossinostose Exemplos: S. Apert e S. Crouzon (gene FGFR2 )

Genes no desenvolvimento humano e suas homologias 38% de homologia com SHH de vertebrados (Sonic hedgehog) Gene hedgehog Descoberto em Drosophila Gene de segmentação mutações em hedgehog olhos funcionais em asas e pernas

Via de Sinalização Sonic hedgehog Síndromes relacionadas S. Smith-Lemli-Opitz S. Gorlin Holoprosencefalia S. Greig S. Rubenstein-Taybi Funções de SHH: especificação de eixo; indução de neurônios motores na placa neural;padronização dos membros. S. Gorlin: mutação de PTC causa S. Gorlin e nas células somáticas causa câncer pele

Moléculas de sinalização parácrina 2-Família Wnt (gene de Drosophila wingless - sem asas): polaridade durante a formação de membros de Drosophila -Genes WNT: glicoproteínas responsáveis pela especificação do eixo dorsal/ventral, formação do cérebro, músculos, gônadas e rins. -Mutação em WNT3 causa tetra-amelia (ausência dos quatro membros) em humanos http://elacuarista.com/alimentos/drosofilas.htm

Moléculas de sinalização parácrina 3-Família do supergene TGF-: pelo menos 30 genes estruturais -famílias TGF- -família de proteína morfogenética óssea BMP  formação do osso -família de activina -família Vg1

Moléculas de sinalização parácrina MUTAÇÕES NA FAMÍLIA BMP: proteína 1 morfogenética derivada de cartilagem (CDMP1)  causa várias anormalidades esqueléticas  mutações diferentes podem produzir fenótipos diferentes. 1-mutação sem sentido em CDMP1: braquidactilia (AD) 2-duplicação em 22pb em CDMP1: braquidactilia e encurtamento dos ossos longos dos membros (displasia acromesomélica - AR) 3-mutação homozigoto de sentido trocado: condrodisplasia AR de Grebe  encurtamento dos ossos longos e dedos

MUTAÇÕES NA FAMÍLIA BMP Braquidactilia Síndrome de Grebe Displasia acromesomélica http://www.oftalmo.com/seo/2002/07jul02/09.htm

VIA DE TRANSDUÇÃO DE SINAL – RAS-MAPK transdução de sinais extracelulares para célula: regula várias funções celulares (expressão, divisão, diferenciação e morte celular S. Noonan: mutação de ganho de função do gene PTPN11  proteína que interage com a via RTK-MAPK S. Costello e S. carciofaciocutânea: mutações em outros componentes da via

Fatores de Transcrição do DNA São proteínas codificadas por genes que ligam (ativam) ou desligam (inativam) outros genes  regulam a transcrição de muitos genes  que regulam outros genes  efeito cascata  mutações nesses genes tem efeitos pleiotrópicos Exemplos: genes contendo homeobox: família HOX, PAX (domínios de ligação ao DNA) Pax6 camundongo: olhos pequenos anormais; PAX6 humano: catarata e aniridia homólogo de Drosophila gene eyeless (fator de transcrição → ativa vários genes)

Mutações em PAX 6 Aniridia Anoftalmia Drosophila eyeless http://www.exploratorium.edu/imaging_station/gallery.php?Category=drosophila http://www.ucm.es/info/genetica/AVG/practicas/Drosophila/Drosophila.htm

Mutações em PAX 6 Genes PAX6 humano, Pax6 de camundongo e Eyeless de Drosophila: são homólogos e codificam fatores de transcrição (os genes e vias do desenvolvimento do olho foram conservados durante a evolução)

Proteínas da Matriz Extracelular (EMP) Macromoléculas secretadas que servem de arcabouços para todos os tecidos e órgãos  colágeno, fibrilinas, proteoglicanas e glicoproteínas (fibronectina, laminina e tenascina)  mediadores ativos do desenvolvimento EMPs: se aderem à superfície das células para permitir a migração (pelos receptores: integrinas e glicosiltransferases) Integrinas: integram a matriz extracelular ao citoesqueleto

SÍNDROME DE MARFAN Mutações nos genes fibrilina-1 e elastina  Síndrome de Marfan (malformações do coração e/ou grandes vasos) e estenose aórtica supravalvar http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/images/ency/fullsize/9611.jpg

DESENVOLVIMENTO DOS MEMBROS Membros dos vertebrados: -elementos derivados da placa mesodérmica lateral: ossos, cartilagem e tendões -mesoderma somítico: músculos, nervos e vasculatura Sinal que inicia indução dos membros anteriores e posteriores  mesoderma intermediário Fator 8 de crescimento de fibroblastos (FGF8): - expresso nos membros anteriores e posteriores  induz o programa de brotamento dos membros

BROTAMENTO DE MEMBRO -Antes da diferenciação da ARE: dois genes Radical fringer (r-Fng) e Wnt7a são expressos no ectoderma dorsal -Ectoderma ventral: expressão de r-Fng e Wnt7a é bloqueada pelo fator de transcrição En-1 (Engrailed-1) -O crescimento proximal/distal pela AER: controlado por FGF (FGF2, FGF4, FGF8)

Síndrome de Holt - Oram t-box (TBX5) 12q 24 mutação Fator de transcrição de DNA mutação Síndrome de Holt-Oram (HOS): defeitos dos elementos anterior e posterior dos membros superiores  mutações no gene TBX5

SÍNDROMES DE DEFEITOS DE MEMBROS SUPERIORES S. Holt-Oram S. Cubital-mamária (ulnar-mamária): mutação no gene TBX3

GENÉTICA DO DESENVOLVIMENTO Identificação de genes relevantes → vias de desenvolvimento Vias de sinalização do desenvolvimento (conservadas) → usadas p/diferentes programas morfogenéticos no embrião Homólogos em vertebrados: sondas de genes de invertebrados → clonar genes homólogos em outros organismos Mutações Fenótipos

LIM-2 – Genética do Desenvolvimento http://www.cienciablogada.com.br/2011/12/biologia-do-desenvolvimento-segundo-as.html - Teorias epigenistas https://www.youtube.com/watch?v=tbOlV150P8U - Da concepção ao nascimento http://www.sogab.com.br/apostiladeembriologiaegenetica.pdf - Apostila de embriologia e genética http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/desenvolvimento-embrionario-humano/desenvolvimento-embrionario-humano.php Desenvolvimento embrionário humano http://www.publico.pt/ciencia/noticia/descobertos-genes-que-ajudam-a-construir-a-cara-que-temos-1610446 - Genes reguladores do desenvolvimento da face e crânio http://www.biocel.icb.usp.br/~ireneyan/EMBRIOLOGIAMOLECULAR_arquivos/SemataTEMBio1.pdf - genes homeóticos http://www.drscope.com/pac/pediatria-1/d5/p1d5_p17.htm - Família Hox humano http://enfermedadesraras2.blogspot.com.br/2011/10/el-sindrome-de-la-sirenomelia.html - síndrome da sirenomelia http://www.fecolsog.org/userfiles/file/revista/Revista_Vol58No1_Enero_Marzo2007/v58n1a11.pdf - artigo ciclopia http://www.hermespardini.com.br/atual_manual/pdf_genetica_novos_exames/Acondroplasia.pdf - Estudo Genético das várias formas de Nanismo http://geneticanaescola.com.br/wp-home/wp-content/uploads/2012/10/Genetica-na-Escola-12-Artigo-14.pdf - Genética do desenvolvimento e evolução http://dreyfus.ib.usp.br/bio208/arquivos2011/evodevo_2011.pdf - Genética do desenvolvimento e evolução

Consulte o link: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim Questões: 1. As síndromes de craniossinostose, como S. de Apert e S. de Crouzon, apresentam características clínicas semelhantes: Consulte o link: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim Compare ambas as síndromes e descreva: a-padrão de herança, gene mutado e localização cromossômica b- características clínicas c- qual o principal sinal clínico que diferencia estas síndromes Obs.: procure no google imagens fotos das síndromes

Caracterize os genes homeóticos e faça uma comparação entre os genes homeóticos de insetos (HOM) e mamíferos (Hox). 3. Alterações no processo de gastrulação provoca anomalias como ciclopia e sirenomelia. Descreva o processo que provoca essas alterações, as características clinicas, causas prováveis e genes envolvidos. 4. Compare e descreva a base genética das várias formas de Nanismo devido mutações no gene do Receptor 3 do Fator de Crescimento de Fibroblastos (FGFR3): Acondroplasia, Hipocondroplasia e Displasia Tanatofórica.