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

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 porçaõ 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 segmentação diferenciação migração fases indução 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

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 → o feto cresce cerca de 17x atingindo cerca de 50 cm no momento do parto Fecundação Mórula Embrião 8s Feto 11s Feto ~ 34s

Desenvolvimento embrionário do Amphioxus Deteminação Diferenciação b) morfogênese zigoto mamífero mórula blastocisto gastrulação neurulação

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 dorso-ventral -eixo crânio-caudal (anterior-posterior) -eixo direito-esquerdo http://curlygirl.no.sapo.pt/desan.htm

GASTRULAÇÃO Gastrulação: processo com vários movimentos → migraçao para estabelecimento dos três folhetos embrionários → disco embrionário trilaminar -ectoderma -endoderma -mesoderma ectoderme

NEURULAÇÃO Neurulação: diferenciação do ectoderma superficial em placa 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 e de outros derivados do tubo intestinal. 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: 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

Heteropagus epignathus Richieri-Costa e Guion-Almeida (1993)

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 (A até D) 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

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

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: fenda labial ou palatina Síndrome de Waardenburg Associação CHARGE (coloboma, cardiopatia, SNC, genital e auditivo)

Mutações em PAX 3 Síndrome de Waardenburg PATALOGIAS ASSOCIADAS A CRISTA NEURAL Síndrome de Waardenburg 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

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

Moléculas de sinalização parácrina 2-Família Wnt (gene de Drosophila wingless - sem asas): paridade durante a formação de membros de Drosophila -Genes Wnt: glicoproteínas responsáveis pela especificação do eixo dorsal/ventral, formação do cérebro, músculos, gônadas e rins 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 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 http://www.oftalmo.com/seo/2002/07jul02/09.htm

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 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

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) Mutações nos genes fibrilina-1 e elastina  Síndrome de Marfan (malformações do coração e/ou grandes vasos) e estenose aórtica supravalvar

SÍNDROME DE MARFAN 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

Síndrome de Holt - Oram t-box (TBX) 12q 24 mutação Síndrome de Holt-Oram (HOS): defeitos dos elementos anteriores dos membros superiores  mutações no gene TBX5

Desenvolvimento das Asas de Borboleta Diversidade dos padrões das asas de borboleta Que genes e eventos moleculares estão envolvidos? Genes: apterous (ap)→ fator de transcrição wingless (wg) → molécula sinalizadora →organização das células → margem distal da asa Distal-less (Dll) → fator transcrição margem da asa → cresce para fora → distal do corpo Borboleta: Dll → sua expressão extende-se para dentro da margem da asa →série de raios → círculo (intensa expressão) → pontos pigmentados

GENÉTICA DO DESENVOLVIMENTO Identificação de genes relevantes → vias de desenvolvimento Homólogos em vertebrados: sondas de genes de invertebrados → clonar genes homólogos em outros organismos Mutações Fenótipos