Os homólogos dos genes seletores homeóticos de Drosophila são encontrados em quase todas as espécies animais estudadas, dos cnidários (hidras) e nematoides até os moluscos e mamíferos. Notavelmente, esses genes frequentemente são agrupados em complexos semelhantes ao complexo Hox de insetos. No camun dongo, existem quatro desses com- plexos – chamados de complexos HoxA, HoxB, HoxC e HoxD – cada um em um cromos- somo diferente. Os genes indivi duais em cada complexo podem ser reconhecidos pe las suas sequências correspondentes de membros específicos do conjunto de genes de Dro-
sophila. Na realidade, os genes Hox de mamíferos podem funcionar na Droso phila como
substitutos parciais dos genes Hox correspondentes de Drosophila. Parece que cada um dos quatro complexos Hox de mamíferos é, grosseiramente falando, o equivalente a um complexo completo de inse tos (ou seja, o complexo Antennapedia mais o complexo Bitho- rax) (Figura 22-46).
A ordenação dos genes dentro de cada complexo Hox dos vertebrados é essencialmente a mesma do com plexo Hox de insetos, sugerindo que todos os quatro complexos dos verte- brados se originaram por dupli cações de um único complexo primordial e que pre servaram
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sua organização básica. Mais surpreenden temente, quando os padrões de expressão dos ge- nes Hox são examinados no embrião de vertebrados por hibridização in situ, percebe-se que os membros de cada complexo são expressos em uma série cabeça -cauda ao longo do eixo do corpo, assim como em Droso phila (Figura 22-47). O padrão é mais claramente observa- do no tubo neural, mas também é visível em outros tecidos, especialmente na mesoder me. Com exceções menores, essa ordenação anatômica corresponde à ordenação cromos sômica dos genes em cada complexo, e os genes correspondentes nos quatro diferentes complexos Hox possuem domínios ântero-posteriores de expressão quase idênticos.
Os domínios de expressão gênica definem um sistema detalhado de correspondên- cias entre as regiões do corpo dos insetos e as regiões do corpo dos vertebrados (ver Figura 22-46). Os parassegmentos da mosca correspondem a uma série de segmentos semelhan- temente marcados na porção anterior do embrião de vertebrado. Estes segmentos estão mais claramente demarcados no cérebro posterior (ver Figuras 22-46 e 22-47), onde são chamados de rombômeros. Nos tecidos laterais ao cérebro posterior, a segmentação é vis- ta em uma série de arcos branquiais, proeminentes em todos os embriões de vertebrados – os precursores dos sistemas de brânquias em peixes e dos maxilares e das estruturas do pescoço em mamíferos; cada par de rombômeros no cérebro posterior corresponde a um arco branquial. No cérebro posterior, como na Drosophila, os limites dos domínios de expressão de muitos dos genes Hox estão alinhados com os limites dos segmentos ana- tômicos.
Os produtos dos genes Hox de mamíferos parecem especificar valores posicionais que controlam o padrão ântero-posterior de partes do cérebro posterior, do pescoço e do tron- co (assim como outras partes do corpo). Assim como em Drosophila, quando um gene Hox posterior é artificialmente expresso em uma região anterior, ele faz com que o tecido an- terior apresente características do tecido posterior. No entanto, a perda de um gene Hox posterior permite que o tecido posterior, onde ele normalmente seria expresso, adote uma característica anterior (Figura 22-48). As transformações observadas nos mutantes Hox de camundon gos frequentemente são incompletas, talvez devido à redundância entre os genes nos qua tro agrupamentos de genes Hox. Contudo, parece claro que a mosca e o ca- mundongo usam essencialmente a mesma maquinaria molecular para originar caracterís- ticas individuais para as regiões sucessivas ao longo de pelo menos uma parte do seu eixo ântero-posterior.
Figura 22-45 A ação dos genes do grupo Polycomb. (A) Fotografia de um embrião mu tante defeituoso para o gene Extra sex combs (Esc) e derivado de uma mãe que também não apre sentava este gene. O gene pertence ao grupo Polycomb. Essencialmente todos os seg- mentos foram transformados asseme- lhando-se ao seg mento abdominal mais posterior (compare com a Figura 22-43). No mutante, o padrão de ex pressão dos genes seletores homeóticos, que inicial- mente é bastante normal, torna-se tão ins tável que logo todos os genes estão ativados ao longo do eixo do corpo. (B) O padrão normal de ligação da proteína Polycomb aos cromosso mos gigantes da Drosophila, visualizado com um anticorpo contra Polycomb. A proteína está liga da ao complexo Antennapedia (ANT-C), ao com plexo Bithorax (BX-C) e a cerca de 60 outros locais. (A, de G. Struhl, Nature 293:36-41, 1981. Com permissão de Macmillan Publishers Ltd.; B, cortesia de B. Zink e R. Paro, Trends
Genet. 6:416-421, 1990. Com permissão
de Else vier.) 100 m (A) (B) ANT-C BX-C Alberts_22.indd 1345 Alberts_22.indd 1345 29.07.09 16:49:2729.07.09 16:49:27
Figura 22-46 O complexo Hox de um in- seto e os complexos Hox de um mamífe ro comparados e relacionados às regiões do corpo. Os genes dos complexos Antenna- pedia e Bithorax de Drosophila são mostra- dos em sua ordem cromossômica na linha de cima; os genes correspondentes dos quatro complexos Hox de mamíferos estão mostrados abaixo, tam bém na sua ordem cromossômica. Os domínios de expressão gênica na mosca e no mamífero estão in- dicados em uma forma simplificada pe las
cores nos desenhos dos animais acima e
abai xo. Entretanto, os detalhes dos padrões depen dem do estágio do desenvolvimento e variam um pouco de um complexo Hox de mamífero para outro. Também, em mui- tos casos, os genes mostrados aqui como expressos em um domí nio anterior tam- bém são expressos mais poste riormente, sobrepondo-se aos domínios dos genes Hox mais posteriores (ver, por exemplo, Figu- ra 22-47). Acredita-se que os complexos tenham evo luído como segue: primeiro, em algum ancestral comum de vermes, moscas e vertebrados, um único gene seletor ho- meótico primordial sofreu duplicações re- petidas para formar uma série destes genes em tandem – o complexo Hox an cestral. Na sublinhagem da Drosophila, este com plexo único dividiu-se nos complexos separa dos Antennapedia e Bithorax. Enquanto isso, na linhagem que originou os mamíferos, todo o com plexo foi duplicado repetidamente para originar os quatro complexos Hox. O paralelismo não é perfeito porque, aparen- temente, alguns genes in dividuais foram duplicados, outros perdidos, e, ainda, outros cooptados para diferentes propó sitos (ge- nes em parênteses na linha de cima) des de que os complexos divergiram. (Com base no diagrama cortesia de William McGinnis.)
HoxB2 HoxB4
Vista dorsal Vista lateral Vista dorsal Vista lateral
Figura 22-47 Domínios de expressão dos genes Hox em um camundongo. As fotografias mostram embriões inteiros exibindo os domínios de expressão de dois genes do complexo HoxB (coloração azul). Estes domínios podem ser revelados por hibridização in situ ou, como nestes exemplos, pela construção de camundongos transgênicos contendo a sequência controladora de um gene Hox acoplado a um gene repórter
LacZ, cujo produto é detectado histoquimicamente. Cada gene é expresso em uma longa extensão de tecido com um limite anterior nitidamente
definido. Quanto mais inicial for a posição do gene no seu complexo cromossômico, mais anterior será o limite anatômico de sua expressão. As- sim, com poucas exceções, os domínios anatômicos dos sucessivos genes formam um conjunto agrupado, ordenado de acordo com a ordem dos genes no complexo cromossômico (Cortesia de Robb Krumlauf.)
Lab
Hox1 Hox2 Hox3 Hox4 Hox5 Hox6 (central) Hox7 (posterior) Pb Dfd Scr (Ftz) Antp Ubx AbdA AbdB
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A9 A10 A11 A13
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B13 C4 C5 C6 C8 C9 C10 C11 C12 A13 D1 D3 D4 D8 D9 D10 D11 D12 D13 Complexo Hox de Drosophila Complexo Hox ancestral Complexo Hox de mamíferos HoxA HoxB HoxC HoxD Cérebro posterior Medula espinal Mesoderme Anterior Posterior Anterior Posterior Bcd, Zen Alberts_22.indd 1346 Alberts_22.indd 1346 29.07.09 16:49:2729.07.09 16:49:27
Resumo
A complexidade do corpo do adulto é formada pela repetição modulada de alguns tipos básicos de estrutura. Assim, sobreposto ao padrão de expressão gênica que se repete em cada segmento, exis- te um padrão serial de expressão de genes seletores homeóticos que confere a cada segmento uma identidade diferente. Os genes seletores homeó ticos codificam proteínas de ligação ao DNA da famí- lia dos homeodomínios. Eles estão organizados no genoma da Drosophila em dois agrupamentos, chamados de complexos Antennapedia e Bithorax, considerados como as duas partes de um único complexo Hox primordial que se dividiu durante a evolução da mosca. Em cada complexo, os genes estão arranjados em uma sequência que corresponde a sua sequência de expressão ao longo do eixo do corpo. A expressão gênica de Hox é iniciada no embrião. Ela é mantida, subsequentemente, pela ação de proteínas de ligação ao DNA dos grupos Polycomb e Trithorax, os quais marcam a cromatina do complexo Hox com um registro hereditário do seu estado embrionário de ativação. Os complexos Hox homólogos aos da Drosophila são encon trados em praticamente todos os tipos de animais que têm sido examinados, dos cnidários aos humanos, e parecem desempenhar uma função evolutivamente conservada na formação dos padrões do eixo ântero-posterior do corpo. Os mamíferos possuem quatro complexos Hox, cada um apresentando uma relação semelhante entre o arranjo serial dos genes no cromossomo e seus padrões seriais de expressão ao longo do eixo do corpo.