Os vertebrados são animais comparativamente grandes, devendo muito de seu tamanho aos tecidos conectivos. Contudo, para a excreção, a absorção de nutrientes e as trocas gasosas, eles também requerem grandes quantidades de vários tipos especializados de superfícies epiteliais. Muitos desses tipos tomam a forma de estruturas tubulares criadas por meio de
morfogênese por ramificação, na qual um epitélio invade o tecido conectivo embrionário
(mesênquima) para formar um órgão composto. O pulmão é um exemplo típico. Ele se ori- gina da endoderme que reveste a parte basal da porção anterior do intestino. Este epitélio brota e se expande para dentro do mesênquima vizinho para formar a árvore brônquica, um sistema de tubos que se ramificam repetidamente à medida que se estendem (Figura 22-92). O mesmo mesênquima também é invadido por células endoteliais – as células que revestem os vasos sanguíneos – para criar o sistema de vias aéreas e vasos sanguíneos inti- mamente justapostos necessário às trocas gasosas nos pulmões (discutido no Capítulo 23).
Todo o processo depende de trocas de sinais em ambas as direções entre os brotos em crescimento do epitélio e o mesênquima que estão invadindo. Esses sinais podem ser anali- sados por meio de manipulações genéticas no camundongo. Um papel central é desempe- nhado por proteínas-sinal da família do fator de crescimento de fibroblastos (FGF, fibroblast
growth factor) e por receptores de tirosina-cinases sobre os quais eles atuam. Essas vias de
sinalização têm vários papéis no desenvolvimento, mas parecem ser especialmente impor- tantes nas muitas interações que ocorrem entre o epitélio e o mesênquima.
Os mamíferos têm cerca de 20 diferentes genes Fgf, em comparação com três em Droso-
phila e dois em C. elegans. O Fgf mais importante nos pulmões é o Fgf10. Este é expresso em
agrupamentos de células mesenquimais próximas às extremidades dos tubos epiteliais em crescimento, enquanto seu receptor é expresso nas próprias células epiteliais. O FGF10 ou
Células ES derivadas de linhagens geneticamente distintas de camundongos Blastocisto receptor Agrupamento de células ES na micropipeta Pipeta de sucção dando suporte Células ES injetadas no blastocisto As células injetadas se incorporam à massa celular interna do blastocisto hospedeiro O blastocisto se desenvolve na mãe adotiva em um camundongo quimérico saudável; as células ES podem contribuir para qualquer tecido Figura 22-91 Fazendo um camun- dongo quimérico com células ES. As células ES em cultura podem se com- binar com as células de um blastocisto normal para formar um camundongo quimérico saudável e podem contribuir para qualquer um de seus tecidos, incluindo a linhagem germinativa. Por- tanto, as células ES são totipotentes.
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seu receptor podem ser nocauteados (pelas técnicas-padrão com base na recombinação de células ES). No camundongo mutante nocauteado resultante, todo o processo de morfogê- nese por ramificação então falha – um broto primário de epitélio pulmonar é formado, mas não se expande para dentro do mesênquima para criar uma árvore brônquica. Inversamente, uma esfera microscópica embebida em FGF10 e colocada próxima a um epitélio pulmonar embrionário em cultura induzirá a formação de um broto, que se expandirá em direção a ela. Evidentemente, o epitélio invade o mesênquima apenas por convite, em resposta a FGF10.
Contudo, o que faz com que os tubos epiteliais em crescimento se ramifiquem repetida- mente, à medida que efetuam a invasão? Isso parece depender de um sinal Sonic hedgehog que é enviado na direção oposta, a partir das células epiteliais nas extremidades dos brotos, de volta para o mesênquima. Em camundongos sem Sonic hedgehog, o epitélio dos pulmões cresce e se diferencia, mas forma um saco em vez de uma árvore ramificada de túbulos. En- quanto isso, o FGF10, em vez de estar restrito a pequenos agrupamentos de células mesen- quimais, com cada agrupamento atuando como um sinal para direcionar o crescimento de um broto epitelial separado, é expresso em amplas bandas de células imediatamente adja- centes ao epitélio. Essa descoberta sugere que o sinal Sonic hedgehog pode servir para cortar a expressão de FGF10 nas células mesenquimais mais próximas à extremidade crescente de um broto, dividindo o agrupamento secretor de FGF10 em dois agrupamentos separados, os quais, por sua vez, fazem com que o broto se ramifique em dois (ver Figura 22-92A).
O crescimento por ramificação tanto do epitélio como do mesênquima tem de ser coor- denado com o desenvolvimento dos vasos sanguíneos associados, e todo o processo envolve um grande número de sinais adicionais. Muitos aspectos do sistema ainda não são entendi- dos. Sabe-se, contudo, que Drosophila utiliza mecanismos intimamente relacionados para governar a morfogênese por ramificação de seu sistema traqueal – os túbulos que formam as vias aéreas de um inseto. Novamente, o processo depende da proteína FGF de Drosophi-
la, codificada pelo gene Branchless, e do receptor FGF de Drosophila, codificado pelo gene Breathless, ambos operando de forma muito semelhante à observada no camundongo. Na
verdade, estudos genéticos do desenvolvimento traqueal em Drosophila também identifica- ram outros componentes da maquinaria de controle, e os genes de Drosophila nos levaram a seus homólogos em vertebrados. As manipulações genéticas no camundongo nos deram os meios para testar se esses genes também possuem funções similares nos mamíferos; e, em um grau extraordinário, eles o fazem.
Resumo
O camundongo tem um papel central como organismo-modelo para o estudo da genética molecu- lar do desenvolvimento de mamíferos. O desenvolvimento do camundongo é essencialmente similar ao de outros vertebrados, mas começa com um preâmbulo especializado para formar estruturas extraembrionárias, como o âmnio e a placenta. Técnicas potentes foram elaboradas para a criação de nocautes gênicos e outras alterações genéticas marcadas pela exploração de propriedades alta- mente reguladoras das células da massa celular interna do embrião de camundongo. Essas células podem ser colocadas em cultura e mantidas como células-tronco embrionárias (células ES). Sob condições corretas de cultura, as células ES podem se proliferar indefinidamente sem diferenciação, (A) (B) FGF10 feito por agrupamento de células mesenquimais Receptor de FGF10 nas células epiteliais do broto Produção de FGF10 inibida por Shh
Criação de dois novos centros de produção de FGF10
Sonic hedgehog (Shh) produzida por células epiteliais
na extremidade do broto em crescimento
Dois novos brotos são formados e todo o processo se repete
Figura 22-92 Morfogênese por ra- mificação nos pulmões. (A) Como se acredita que FGF10 e Sonic hedgehog induzam o crescimento e a ramificação dos brotos da árvore brônquica. Muitas outras moléculas-sinal, como BMP4, também são expressas neste sistema, e o mecanismo de ramificação sugerido é apenas uma das várias possibilidades. (B) Molde da árvore brônquica de um humano adulto, preparada pela injeção de resina nas vias aéreas; resinas de diferentes cores foram injetadas nas di- ferentes ramificações da árvore. (B, de R. Warwick e P. L. Williams, Gray’s Anatomy, 35th ed. Edinburgh: Longman, 1973.)
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enquanto retêm a capacidade de dar origem a qualquer parte do corpo quando injetadas de volta em um embrião jovem de camundongo.
Muitos processos gerais do desenvolvimento, incluindo a maioria daqueles discutidos neste capítulo, foram esclarecidos por estudos em camundongos. Apenas como um exemplo, o camun- dongo tem sido utilizado para investigar o controle da morfogênese por ramificação. Este processo dá origem a estruturas como, por exemplo, pulmões e glândulas, e é governado por trocas de sinais entre as células mesenquimais e o epitélio invasor. As funções desses sinais podem ser analisadas por experimentos de nocaute gênico.