A via maternal de Dpp como uma via digital

O desenvolvimento de organismos multicelulares se baseia na geração de diferentes tipos celulares caracterizados por diferentes formas e funções. Um estado celular específico poderia ser definido por um perfil específico de expressão gênica, e, portanto, pelo conjunto de fatores transcricionais que caracterizam um determinado fenótipo. Em sua essência, o desenvolvimento animal poderia ser definido como uma seqüência de transições entre estados celulares caracterizados pelo código transcricional de cada célula, ou o conjunto de fatores transcricionais de determinada célula em um dado momento.

Uma seqüência de transições do destino celular podem ser representadas como uma seqüência de eventos na qual cada passo depende exclusivamente da posição do sistema, gerando

escolhas binárias. A cada ponto de escolha, as células devem decidir entre dois perfis distintos de expressão gênica, que por sua vez, determinarão seu próximo estado celular. Mesmo a resposta de uma célula a um morfógeno pode ser construída desta forma, pois em uma dada posição dentro de um campo morfogenético, a célula que é exposta a um morfógeno, deve tomar uma decisão binária, representada pela escolha entre permancer neste estágio ou expressar genes que são ativados pela concentração local do morfógeno.

Se levarmos em consideração o grande número de estados celulares que podem ser caracterizados durante a existência de um organismo, e a fidelidade com a qual eles são gerados através de programas específicos, podemos dizer que estes eventos são cruciais e possuem um grande poder de auto ajuste para assegurar, diante de qualquer perturbação, o prosseguimento da vida daquele organismo e a precisão informacional.

Quanto mais forte for este poder de auto ajuste, maior é a robustez deste sistema. Dada a importância chave da via de Toll para o desenvolvimento de Drosophila, não seria difícil imaginar a existência de mecanismos que assegurariam sua execução.

Além de participar de mecanismos importantes que envolvem a sinalização celular no ambiente extracelular, a interação entre Sog e Dpp também regula a transdução citoplasmática de sinais que são cruciais para a restrição do potencial celular, durante os momentos iniciais da embriogênese. A via de Toll e Dpp maternal, ao regularem a translocação nuclear de Dl, influenciam diretamente na restrição do potencial celular, pois as células se comprometem fenotipicamente (ou adotam perfis específicos de expressão gênica) e a diferenciação em tipos celulares específicos passa a ser cada vez mais restrita.

Um importante mecanismo que assegura a precisão da expressão gênica nos momentos iniciais da embriogênese de Drosophila, é a existência de seqüências enhancer com diferentes afinidades por Dl. Este mecanismo de controle da expressão gênica, através de enhancers, pode

ser um importante ponto de regulação e uma maneira de assegurar a especificação correta dos três domínios iniciais de expressão gênica neste estágio. Mas o que aconteria se o gradiente de Dl fosse perturbado e alterações significativas neste gradiente fossem capazes de gerar imprecisões na escolha binária de uma dada célula posicionada ao longo do eixo DV? Este efeito seria mais fortemente sentido em regiões de transição entre um perfil A e B de expressão gênica. Isto se daria pelo fato de que, justamente nestas regiões de borda, haveria concentrações nucleares de Dorsal muito próximas, mas que são capazes de ser diferenciadas entre células imediatamente adjacentes, graças a mecanismos específicos de tamponamento de flutuações no “output” da expressão gênica. Quando bloqueamos o sinal maternal de Dpp, a identidade celular é comprometida e a informação guardada na forma de limiares precisos de expressão gênica é perdida (Anexo 1, fig. 4). Este efeito se dá pela alteração da inclinação do gradiente de Dl pelo bloqueio do sinal maternal de Dpp. É interessante notar que a informação posicional não é completamente perdida. Apenas a precisão é afetada, indicando que a via de Sog/Dpp possa ser um fator chave para a manutenção da robustez do sinal de Toll.

As variações fenotípicas dentro de uma população de embriões (como por exemplo, variações nos domínios de expressão gênica como citado para a largura da região ventral do neuroectoderma, que pode variar de 3 a 5 células dentro do fenótipo selvagem) podem ser explicadas por flutuações na efetividade de mecanismos moleculares. Estas flutuações são definidas como o grau de ruído de uma via de sinal específica. No entanto, ao falarmos em desenvolvimento de um organismo e geração de padrões axiais, esta variabilidade se opõe totalmente à alta precisão e reprodutibilidade que é observada nas populações celulares.

As transições entre diferentes estados celulares durante o desenvolvimento são dirigidas por uma combinação específica de transcrição e tradução, isto é, a regulação exata entre DNA, RNA e proteínas. Assim como qualquer interação molecular, estas transições são objeto de

flutuações que podem influenciar o efeito final de um sinal, ou seja, são fontes de ruído. Trabalhos recentes em bactérias e leveduras demonstraram que o ruído é um importante componente da expressão gênica (Rao e cols., 2002; Blake e cols., 2003; Paulsson e cols., 2004; Raser e cols., 2004; Elowitz e cols., 2002; KÆrm e cols., 2005). O ruído também é caraterístico para cada gene e pode ser filtrado durante a transcrição bem como durante a tradução (Blake e cols., 2003; Paulsson e cols., 2004; KÆrm e cols., 2005).

Portanto, parece que o ruído é uma característica intrínseca de um dado sistema biológico. Um importante aspecto a ser estudado seria como controlar o ruído caraterístico de um dado sistema, e qual seria sua contribuição durante a construção de um organismo (Rao e cols., 2002).

A existência de mecanismos de filtragem de ruídos foi descrita para a padronização do eixo ântero-posterior de Drosophila e evidenciada em genes alvo de bicoid (Houchmandzadeh e cols., 2002). Foi demonstrado que, embora a variação individual na expressão de bicoid seja grande dentro de uma população de embriões, o sinal da resposta de genes alvo de bicoid é precisa e apresenta pequena variação dentro desta mesma população (Houchmandzadeh e cols., 2002). Para o eixo ântero-posterior ainda não há hipóteses sobre os mecanismos reguladores que filtrem o ruído da expressão de bicoid. Para o eixo DV, no entanto, gostaríamos de sugerir que a via de Sog/Dpp maternal fosse parte deste mecanismo.

Podemos citar outro exemplo de via de sinalização que atua como mecanismo de filtragem do ruído: a via de Wingless/Wnt. Durante as etapas iniciais do desenvolvimento de

Drosophila a expressão de engrailed necessita do sinal de Wingless para atingir um grau estável

de expressão gênica (DiNardo e cols., 1988; Martinez Arias e cols., 1988). Na ausência do sinal de wingless, a expressão de engrailed tem início, mas decai logo em seguida (Bejsovec e Martinez Arias, 1991). Outro exemplo é o enhancer responsivo a Wingless do complexo Achaeta-Scute, que direciona a expressão de achaeta e scute em posições precisas da epiderme

do indivíduo adulto. Em indivíduos mutantes para wingless, a atividade do enhancer não é abolida, mas se torna reduzida e altamente variável de indivíduo para indivíduo (Garcia-Garcia e cols., 1999).

Em vertebrados, o estudo da hiperativação do sinal de Wnt durante a ativação de células tronco em camundongos mostrou que a principal função do sinal de Wnt é coordenar e diminuir o limiar da resposta destas células a outros sinais que irão ativá-las, ao invés de atuar para especificar o destino celular (Lowry e cols., 2005). Os resultados destes estudos sustentam a idéia de que o sinal de Wnt afetaria a estabilização ao invés do início da expressão gênica (Lucchetta e cols., 2005; Martinez Arias, 2000).

De forma análoga, dados de nosso laboratório indicam que a via maternal de Dpp atue regulando a estabilidade, ou a qualidade, do “output” através de mecanismos de controle de estabilidade de RNA mensageiro de loci que codificam proteínas que seriam alvo de sua sinalização (Agrellos Costa, não publicados). Quando a via maternal de Dpp foi bloqueada através da expressão ectópica da forma dominante negativa do receptor de Dpp, Tkv, os níveis do RNA mensageiro de Calpanína A, Calcineurina B2 e Caseína Quinase II foram alterados, o que por sua vez alterou os níveis de Cactus em paralelo ao sinal de Toll. Estes resultados sugerem que a via maternal de Dpp possa atuar sobre o “output” final e não sobre a regulação da expressão gênica propriamente dita.