As mudanças geneticamente reguladas na adesão celular formam a base de um dos proces- sos mais notáveis e característicos do desenvolvimento dos vertebrados – a formação dos segmentos do eixo do corpo.
Em cada lado do tubo neural recém-formado se encontra uma placa de mesoderme (ver Figura 22-72). Para formar as séries repetitivas de vértebras, costelas e músculos seg- mentares, esta placa se fragmenta em blocos separados, ou somitos – grupos coesivos de células, separados por fendas. A Figura 22-81A mostra o processo como ocorre no em- brião de galinha. Os somitos se formam um após o outro, iniciando na cabeça e terminan- do na cauda. Dependendo da espécie, o número final de somitos varia de menos de 50 (em uma rã ou um pássaro) a mais de 300 (em uma cobra). A parte posterior e mais imatura da placa mesodérmica, denominada mesoderme pré-somítica, fornece o tecido necessário: à medida que ela recua em direção à cauda, estendendo o embrião, deposita uma trilha de somitos. O caráter especial da mesoderme pré-somítica é mantido por meio de sinalização FGF: o mRNA de Fgf8 é sintetizado na extremidade da cauda do embrião e lentamente degradado à medida que as células se afastam desta região. A tradução da mensagem re- sulta em um gradiente de proteína FGF8 secretada, tendo seu ponto alto na extremidade da cauda.
A formação da fenda entre um somito e o próximo é prenunciada por um padrão es- pacial de alternância da expressão gênica na mesoderme pré-somítica: as células prestes a formar a parte posterior de um novo somito ativam a expressão de um conjunto de genes, enquanto aquelas destinadas a formar a parte anterior do próximo somito ativam a expres- são de outro conjunto. A coesão seletiva resultante da expressão gênica diferencial parece ser a causa subjacente da segmentação física observada.
O problema, então, é entender como o padrão de alternância repetitiva da expressão gênica é montado. Estudos originalmente feitos em embriões de galinha deram o ponto de partida para uma resposta. Na parte posterior da mesoderme pré-somítica, a expressão de certos genes oscila ao longo do tempo. O primeiro gene oscilador de somito a ser des- coberto foi o Hes1, um homólogo do gene pair-rule Hairy de Drosophila e dos genes E(spl) que medeiam respostas à sinalização Notch. A duração de um ciclo completo de oscila- SECÇÕES TRANS- VERSAIS Placa neural Notocorda 14 horas VISTAS EXTERNAS
18 horas 20 horas 21 horas
Tubo neural
Ectoderme Crista neural
Ectoderme Tubo neural Somito Cabeça Cauda 24 horas
Figura 22-78 Formação do tubo neural em Xenopus. As vistas externas são a partir do lado dorsal. As secções transversais estão cortadas em um plano indicado pelas linhas tracejadas. (Segundo T. E. Schroeder, J. Embryol. Exp.
Morphol. 23:427-462, 1970. Com permis-
são de The Company of Biologists.)
Os microtúbulos se alongam, fazendo com que as células se tornem colunares
Os feixes apicais de filamentos de actina se contraem, estreitando as células em seus ápices
Feixes apicais de filamentos de actina
Figura 22-79 O dobramento de um epitélio por meio de alterações na morfologia celular mediadas por mi- crotúbulos e filamentos de actina. O diagrama tem como base observações do processo de neurulação em tritões e salamandras, nos quais o epitélio apresenta somente uma camada celular de espessura. Quando as extremidades apicais das células ficam mais estreitas, a superfície superior de suas membra- nas se torna pregueada.
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ção deste relógio de segmentação (90 minutos na galinha) equivale ao tempo necessário para produzir um somito adicional. À medida que as células emergem da mesoderme pré-somítica para formar os somitos – em outras palavras, à medida que elas deixam de ser expostas ao sinal de FGF8 – sua oscilação diminui e por fim cessa. Algumas vêm a ser interrompidas em um estado, algumas em outro, de acordo com a fase de seu ciclo de os- cilação no momento de saída da mesoderme pré-somítica. O Hes1 e vários outros genes de oscilação codificam proteínas de regulação gênica; assim, as células que caem abaixo do nível crítico de FGF8, quando estão no pico de seu ciclo de oscilação, ativam um conjunto de genes reguladores, enquanto aquelas que ultrapassam o limiar na depressão do ciclo ativam outro (Figura 22-81B). Dessa maneira, acredita-se que a oscilação temporal da ex- Figura 22-80 Secção transversal es-
quemática da medula espinal de um embrião de galinha, mostrando como células em diferentes níveis ao longo do eixo dorso-ventral expressam diferentes proteínas de regulação gênica. (A) Sinais que direcionam o padrão dorso-ventral: a proteína Sonic hedgehog da notocorda e da lâmina pa- vimentar (a linha média ventral do tubo neural) e as proteínas BMP da lâmina superior (a linha média dorsal) agem como morfógenos, controlando a ex- pressão gênica. (B) Os padrões resultan- tes de expressão gênica na parte ventral da medula espinal em desenvolvimen- to. Diferentes grupos de células proge- nitoras neurais em proliferação (na zona ventricular, próxima ao lúmen do tubo neural) e de neurônios em diferenciação (na zona do manto, mais externamente) expressam diferentes combinações de proteínas de regulação gênica. Aquelas indicadas neste diagrama são, em sua maioria, membros da superfamília de homeodomínios; vários outros genes da mesma superfamília (incluindo as pro- teínas Islet/Lim) são expressos nos neu- rônios em diferenciação. Os neurônios que expressam diferentes proteínas de regulação gênica formarão conexões com diferentes parceiros e podem criar diferentes combinações de neurotrans- missores e receptores. A placa dorsal e as células adjacentes secretam as proteínas BMP A placa ventral e a notocorda secretam a proteína Sonic hedgehog
(A) (B) Tubo neural Proteínas de regulação gênica expressas Placa dorsal Células progenitoras neurais em divisão Grupos de neurônios em diferenciação Placa ventral Pax3/7/6, Dbx2, Irx3 Pax6, Dbx1/2, Irx3 Pax6, Dbx2, Irx3 Pax6, Nkx6.1, Irx3 Pax6, Nkx6.1 Nkx2.2/Nkx6.1 Pax3/7 Somito (A) Mesoderme pré-somítica (B) Tubo neural Células interrompidas na depressão do
ciclo de oscilação Células interrompidas nopico do ciclo de oscilação
par de somitos formado mais recentemente A cauda se move para trás à medida que se formam novos somitos 1 mm Oscilação
interrompida diminuindoOscilação com 1 ciclo a cada 90 minOscilação Figura 22-81 Formação de somitos no
embrião de galinha. (A) Um embrião de galinha com 40 horas de incubação. (B) Modo como a oscilação temporal da expressão gênica na mesoderme pré-somítica se converte em um padrão de alternância espacial da expressão gênica nos somitos formados. Na parte posterior da mesoderme pré-somítica, cada célula oscila com um tempo de ciclo de 90 minutos. À medida que as células amadurecem e emergem da região pré-somítica, sua oscilação é gradativamente diminuída e finalmente levada a parar, deixando-as em um es- tado que depende da fase do ciclo em que elas estejam no momento crítico. Desta maneira, uma oscilação temporal da expressão gênica determina um padrão de alternância espacial. (A, de Y. J. Jiang, L. Smithers e J. Lewis, Curr. Biol. 8:R868-R871, 1998. Com permissão de Elsevier.)
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pressão gênica na mesoderme pré-somítica deixe seu rastro em um padrão espacialmente periódico de expressão gênica na mesoderme em maturação, e isso, por sua vez, dita como o tecido irá se fragmentar em blocos fisicamente separados.