5. Desenvolvimento Embrionário na Drosophila melanogaster
Fig. 1 - Ciclo de vida da mosca Drosophila melanogaster (http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch02/DBNModel.html)
O gâmeta da mosca é um oócito I bloqueado em metafase I do tipo centrolécito.
O ovo possui uma membrana citoplasmática periférica denominada periplasma e o resto do citoplasma designa-se por ooplasma. À volta do periplasma encontra-se a membrana vitelina e depois o córion. Este último possui um orifício na região anterior denominado micropilo por onde entra o esperma.
Na região posterior existe, dentro do periplasma, uma região mais escura que se chama oosoma.
Na Segmentação, que é do tipo meroblástica centrolécita superficial, ocorrem 8 divisões mitóticas mas não clivagens, ou seja o mesmo citoplasma possui diversos núcleos (256).
No no 9º ciclo de divisão, 5 núcleos migram para o pólo posterior do embrião e dando origem às células germinais primordiais que mais tarde vão dar os gâmetas do adulto e os outros núcleos migram para a periferia do citoplasma. Após esta migração o embrião chama-se Blastoderme Sincicial e os núcleos de energídios.
Depois da 13ª divisão mitótica os núcleos dão origem a células individualizadas dando origem à Blastoderme Celular.
Fig.2 - Segmentação (http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch02/DBNModel.html)
Na Gastrulação dá-se invaginação da mesoderme e da endoderme. A mesoderme forma-se a partir do tecido ventral e a invaginação da endoderme dá-se nas regiões anterior e posterior. A ectoderme permanece no exterior. Ocorre também formação do tubo neural e transformação da ectoderme em epiderme.
Fig.3 - Gastrulação (http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch02/DBNModel.html)
No embrião com 10 horas consegue-se já distinguir os diversos segmentos (3ª imagem):
Fig.4 - Metamerização (http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch02/DBNModel.html)
Por fim, dá-se a metamorfose:
Fig.5 - Metamorfose (http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch02/DBNModel.html)
Se os eixos não estão estabelecidos, o embrião pára o seu desenvolvimento e morre.
Um adulto possui cabeça, prototórax, mesotoráx, metatórax e os segmentos abdominais. Cada segmento do tórax possui um par de patas e o mesotórax possui as asas.
A Drosophila é um organismo modelo, muito utilizado para estudar mutações porque:
- apresenta um desenvolvimento bastante rápido;
- pode-se criar artificialmente;
- desenvolvimento externo ao ovo;
- enorme fecundidade;
- dimorfismo sexual;
- conheça-se bastante bem o genoma.
Se durante a embriogénese faltarem segmentos abdominais, são possíveis de serem detectados ainda em estado larvar.
Regulação da Polaridade Antero-Posterior
Existem dois tipos de genes responsáveis por estabelecer o eixo antero-posterior em Drosophila:
- Genes de efeito materno - Bicoid, Hunchback, Caudal e Nanos
- Genes zigóticos - genes Gap, genes Pair-rule, genes de polaridade dos segmentos e genes seleccionadores homeóticos
Fig. 6 - Relação entre os genes de efeito materno e os genes zigóticos
Genes de Efeito Materno
São genes expressos nos ovários da mãe que produzem mRNAs que são colocados em diferentes regiões do ovo.
Estes genes produzem as seguintes proteínas:
- Bicoid e Hunchback - anteriores - regulam a formação da cabeça e do tórax;
- Nanos e Caudal - posteriores - regulam a formação dos segmentos abdominais;
- Torso - terminal - regula a formação do télson e da cabeça.
Fig. 7 - Efeito no gradiente das proteínas da relação entre os genes anteriores e posteriores
(A) Neste gráfico que representa o final da oogénese, pode-se observar que os mRNAs de bicoid e nanos estão presentes apenas na parte anterior e posterior do óvulo respectivamente, e que os mRNAs de hunchback e caudal estão distribuídos por todo o óvulo.
(B) Neste gráfico que representa já a blastoderme sincicial, já houve tradução dos mRNAs anteriores e observa-se que as proteínas Hunchback e Caudal já não se encontram distribuídas por todo o embrião como se encontravam os seus mRNAs pois, como se pode observar em (C), Bicoid reprime Caudal e Nanos reprime Hunchback. Por outro lado Bicoid induz a tradução de Hunchback no lado anterior e Nanos a de Caudal no lado posterior.
Repressão da expressão de Hunchback na parte posterior por parte de Nanos:
Fig. 8 - Relação entre Hunchback e Nanos
Tabela 1 - Relação entre alguns genes de efeito materno
Efeitos de mutações no sistema de genes maternal:
Fig. 9 - Mutantes de genes de efeito maternal. Um mutante de bicoid apresenta falta de estruturas anteriores e um telson extra na parte anterior; um mutante de nanos apresenta falta de segmentos abdominais e um mutante de torso apresenta falta de estruturas anteriores e telson.
Fig. 10 - Mutantes de bicoid. Se se injectar uma parte do citoplasma anterior de um embrião WT num mutante de bicoid há crescimento de estruturas anteriores no sítio da injecção.
Genes Zigóticos
- Genes Gap - regulados pelos genes de efeito materno;
- Genes Pair-rule - regulados pelos genes gap e dividem o embrião em unidades periódicas;
- Genes de polaridade dos segmentos - regulados pelos genes pair-rule, dividem o embrião em 14 unidades;
- Genes seleccionadores homeóticos - resultam da interacção dos outros 3 tipos de genes, estabelecem o destino dos segmentos.
Genes Gap:
Fig. 11 - Expressão de genes Gap
Os genes Gap são regulados pelos genes de efeito maternal. Estes vão codificar factores de transcrição que vão activar ou reprimir os genes Gap.
A expressão do gene kruppel é regulada, ao mesmo tempo, positiva e negativamente por Hunchback. Kruppel é reprimida por fortes concentrações de Hunchback mas induzida por baixas concentrações. Num mutante de bicoid Kruppel é expressa em gradiente (mais forte na parte anterior) porque bicoid induz hunchback, logo senão há bicoid, não há hunchback.
Fig. 12 - Expressão do gene kruppel
O gene knirps é reprimido pelas baixas concentrações de hunchback e vai reprimir kruppel.
Genes Pair-rule:
São activados pelos genes Gap e responsáveis pela formação dos parasegmentos (que vão dar os futuros segmentos):
- even skipped (eve) - gene pair-rule primário, ou seja, é regulado pelos produtos dos genes Gap;
- fushi tarazu (ftz) - gene pair-rule secundário porque é regulado pelos genes pair-rule primários.
Fig. 13 - Expressão dos genes pair-rule
O gene hairy é também um gene pair-rule primário.
O gene engrailed (gene de polaridade dos segmentos) exprime-se também nos parasegmentos mas apenas nas regiões anteriores de cada parasegmento:
Fig. 14 - Relação entre os genes even skipped e engrailed
O gene ftz exprime-se em 7 parasegmentos, ou seja, um parasegmento a cada dois pois existem 14 parasegmentos. Exprime-se nos parasegmentos pares porque eve exprime-se nos ímpares e inibe ftz.
Genes de polaridade dos segmentos:
São genes que são regulados pelos genes pair-rule e vão assegurar a divisão dos segmentos:
- engrailed (en)
- wingless (wg)
- hedgehog (hh)
- patched (ptc)
Fig. 15 - Expressão de alguns genes de polaridades dos segmentos
Os genes engrailed e hedgehog são regulados positivamente por fortes concentrações de even skipped e fushi tarazu, por isso, são expressos apenas na parte mais anterior de cada parasegmento. O gene wingless é inibido por fortes concentrações dos genes pair-rule, por isso expressa-se apenas na parte posterior de cada parasegmento onde estes já não existem, ou existem em muito baixas concentrações. O gene patched só não se exprime na zona mais anterior de cada parasegmento.
Genes seleccionadores homeóticos:
Estes genes, existentes em todas as classes de metazoários, são regulados pelos genes Gap e pelos genes Pair-rule. Formam dois complexos:
- antennapedia - 5 genes
- bithorax - 3 genes
Todos estes genes codificam para factores de transcrição e são responsáveis por determinar o destino dos segmentos.
Fig. 16 - Genes homeóticos dos dois complexos
Os genes Hox no rato são os homólogos dos genes HOM na Drosophila.
Regulação da Polaridade Dorso-Ventral
A polaridade dorso-ventral é estabelecida pela proteína dorsal denominada Gurken que se exprime na parte ventral do oócito:
- é o sinal dorsal do oócito;
- é um ligando do receptor tirosina-cinase Torpedo, localizado na membrana das células foliculares;
- a perda de função de Gurken leva à ventralização do embrião.
Fig. 17 - Óogénese
Fig. 18 - Acção da proteína Gurken
Altos níveis da proteína dorsal activam os genes twist e snail necessários para o estabelecimento da mesoderme e da gastrulação. Baixos níveis desta proteína activam rhomboid, que é suprimido por snail, para dar início à neuroectoderme.
Os genes dpp, tolloid e zerknult são reprimidos pela proteína dorsal logo expressam-se apenas na região mais dorsal do oócito.
Fig.18 - Acção da proteína dorsal
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