Biologia do

DesenvolvimentoQ U I N T A E D I O

Biologia do

DesenvolvimentoQ U I N T A E D I O

Scott F. GilbertSwarthmore College

Traduo e Reviso

Adolfo Max RothschildZuleika Rothschild

Francisco A. de Moura DuarteMaria Helena Corra Marques

A capa

FOTOGRAFIA DA CAPA: O mRNA para o Fator 8 de CrescimentoFibroblstico pode ser detectado pela hibridizao in situ da montagemtotal usando RNA marcado quimicamente que complementar aessa mensagem. No embrio de pinto de 3 dias, a mensagem do Fgf8 encontrada no ectoderma mais distal dos brotos dos membros, nolimite entre o crebro posterior e o crebro intermedirio, nos somitos,nos arcos branquiais do pescoo e na cauda em desenvolvimento. OFGF8 importante para diversos processos desenvolvimentais edesempenha papis crticos no crescimento dos membros e napadronizao do desenvolvimento do crebro. Captulos 3, 7 e 18.(Fotografia cortesia de E. Laufer, C.-Y. Yeo e C. Tabin.)

FOTOGRAFIA DA CONTRACAPA: Fotografia de um embrio de pintode 20-21 dias nos estgios de pipping (bicando a casca internamente)e pr-ecloso. Note o revestimento peridrmico proeminente naextremidade do bico (dente do ovo), usado pelo pinto para fazerburacos na casca do ovo, a qual se tornou mais fina e mais quebradia,como uma conseqncia da utilizao de minerais pelo embrio paraseu crescimento esqueltico. Esse estgio desenvolvimental marca atransio do embrio em um pinto que respira ar. Captulos 1 e 5.(Fotografia do International Poultry Journal, cortesia de R. Tuan.)

As pginas de ttulo

PGINA ESQUERDA: A expresso gnica gera limites nos discos imagi-nais da Drosophila. Os discos grandes e pequenos dentro da larva damosca formam as asas e os halteres, respectivamente, no adulto. Nes-se estgio, a protena Apterous (vermelho) expressa somente noscompartimentos dorsais; a protena Cubitus interruptus (azul) mar-ca os compartimentos anteriores (mas no os posteriores) (uma linhaformando esse limite pode ser observada). A colorao verde (origi-nria da protena Vestigial) no interior demarca o limite entre o mem-bro livre e a articulao ligando-o parede torcica. Captulo 19. (Fo-tografia cortesia de J. Williams, S. Paddock e S. Carroll.)

PGINA DIREITA: Expresso do gene paraxis no embrio de pinto noestgio de 6 somitos. Hibridizao in situ da montagem total usandoRNA marcado com digoxygenin complementar a uma poro damensagem paraxis do pinto mostra a expresso desse gene durante aformao do somito. A protena Paraxis importante no estabeleci-mento da estrutura desses grupos mesodrmicos. Captulos 2 e 9.(Montagem fotogrfica cortesia de R. Tuan.)

Do original: Developmental biology,Fifth Edition

Copyrigth 1997 by Sinauer Associates,Inc.

Dados Internacionais de Catalogao naPublicao (CIP)

(Cmara Brasileira do livro, SP, Brasil)_____________________________________

Gilbert, Scott F., 1949-Biologia do desenvolvimento /

Scott F. Gilbert. --5. ed. -- Ribeiro Preto, SP :

FUNPEC Editora, 2003.

Ttulo original : Developmental biologyVrios tradutores e revisores.Bibliografia.

ISBN 85-87528-61-0

1. Biologia do desenvolvimento I. Ttulo.

03-4459 CDD-571.8_____________________________________

ndices para catlogo sitemtico:

1. Bilogia do Desenvolvimento: Cinciasda vida 571.8

Direitos para a lngua portuguesa cedidospela Sinauer Associates, Inc. para aFundao de Pesquisas Cientficas deRibeiro Preto que se reserva apropriedade desta traduo.

Proibida a reproduo dos textosoriginais, mesmo parcial e porqualquer processo, sem autorizaoda editora.

Para Daniel, Sarah, e David

Tabela de Contedos

Introduo ao desenvolvimentoanimal 1

O objetivo da biologia do desenvolvimento 1Os problemas da biologia do desenvolvimento 2Os estgios do desenvolvimento animal 3Nossa herana eucaritica 5Desenvolvimento entre eucariotos unicelulares 6

Controle da Morfognese no Desenvolvimento emAcetabulria 6

Diferenciao em Ameboflagelados Naegleria 10As Origens da Reproduo Sexual 12

Eucariotos coloniais: A evoluo da diferenciao 16As Volvocaceanas 16Informaes adicionais & EspeculaesSexo e Individualidade em Volvox 18Diferenciao e Morfognese em Dictyostelium 21

Informaes adicionais & EspeculaesEvidncia e Anticorpos 25

Informaes adicionais & EspeculaesComo o Grex Sabe Qual Lado Est Para Cima 27

Padres desenvolvimentais entre metazorios 28Os Porferos 29Protostomatas e Deuterostomatas 30

PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

1Genes e desenvolvimento:Introduo e tcnicas 35

As origens embriolgicas da teoria dos genes 35Ncleo ou Citoplasma: Qual Controla a

Hereditariedade? 35O Cromossomo X como uma Ponte Entre Genes e

Desenvolvimento 37A ciso entre a embriologia e a gentica 38Primeiras tentativas da gentica do desenvolvimento 39Evidncia para a equivalncia genmica 40

Metaplasia 40Clonagem de Anfibios: A Restrio da Potncia

Nuclear 42Clonagem de Anfbios: A Pluripotncia de Clulas

Somticas 43Informaes adicionais & EspeculaesClonando Mamferos por Prazer e Lucro 45

Sobre E.coli e elefantes: O modelo operon 47Sntese diferencial de RNA 49Hibridizao de cido nuclico 54Clonagem de DNA genmico 55Hibridizao de DNA: entre e intra espcies 58Seqenciamento de DNA 59Anlise de mRNA atravs de bibliotecas de cDNA 61Tcnicas de localizao de RNA 63

Hibridizao In Situ 63Transferncias Northern 64

2

Tabela dos Contedos vii

Encontrando mensagens raras pela reao da polimeraseem cadeia 66

Determinando a funo do gene: clulas e organismostransgnicos 69

Tcnicas de insero de DNA novo em uma clula 69Camundongos quimricos 70Experimentos com genes com endereamento

(Gene targeting ou Knockout) 70Determinando a funo de uma mensagem: RNA antisense 73Reinvestigao de velhos problemas com novos mtodos 73Uma concluso e um alerta 75

Base celular da morfognese:Afinidade celular diferencial 79

Afinidade celular diferencial 80O modelo termodinmico de interaes celulares 84Informaes adicionais & EspeculaesEvidncia para o modelo termodinmico 87

A base molecular das adeses clula-clula 88As classes de molculas de adeso celular 88Informaes adicionais & EspeculaesAnticorpos monoclonais e gentica reversa 89

Molculas de adeso celular 92

Identificando molculas de adeso celular e seupapel no desenvolvimento 92

Caderinas 92CAMs da superfamlia de imunoglobulinas 95

Molculas da juno celular: protenas da juno emfenda 97

A base molecular da afinidade clula-substrato 99Afinidade diferencial a substrato 99A matriz extracelular 99Receptores celulares para molculas da matriz

extracelular 104Adeso diferencial resultante de sistemas de

adeso mltipla 106Molculas de receptores e vias de transduo

de sinais 107A via JAK-STAT 107A via RTK-Ras 108Informaes adicionais & EspeculaesMutaes negativas dominantes em receptores 110

A via do inositol fosfato 111Cruzamentos entre vias 112A matriz extracelular e a superfcie da clula como

fontes de sinais crticos para odesenvolvimento 112

Interaes recprocas na superfcie celular 113

3

PARTE II Padres de Desenvolvimento

Fertilizao: Iniciando umnovo organismo 121

Estrutura dos gametas 121Espermatozide 121O vulo 125

Reconhecimento do vulo e do espermatozide: Ao distncia 128

Atrao do Espermatozide 128Ativao Espermtica: A Reao Acrossmica no

Ourio-do-Mar 129Informaes adicionais & EspeculaesAo Distncia: Gametas de Mamferos 131

Reconhecimento do vulo e espermatozide:Contato de gametas 132

Reconhecimento Espcie-Especfico em Ourios-do-Mar 132

Ligao de Gametas e Reconhecimento emMamferos 135

Fuso de gametas e a preveno da polispermia 139Fuso entre as membranas do vulo e do

espermatozide 139

Preveno da Polispermia 140Informaes adicionais & EspeculaesA Ativao do Metabolismo dos Gametas 147

Ativao do metabolismo do vulo 149Respostas precoces 149Respostas tardias 151Fuso do material gentico 152Informaes adicionais & EspeculaesA No-Equivalncia dos Proncleos de

Mamferos 154Rearranjo do citoplasma do vulo 156

Preparao para a Clivagem 158

Clivagem: Criandomulticelularidade 167

PADRES DE CLIVAGEM EMBRIONRIA 168Clivagem holoblstica radial 169

A holotria, Synapta 169Ourio-do-Mar 170Anfbios 173

Clivagem holoblstica espiral 175

4

5

viii Tabela dos Contedos

Informaes adicionais & EspeculaesAdaptao pela modificao da clivagem

embrionria 178Clivagem Holoblstica Bilateral 179

Clivagem holoblstica rotacional 180Compactao 181Informaes adicionais & EspeculaesA Superfcie da Clula e o Mecanismo de

Compactao 184Formao da massa celular interna 185Fuga da Zona Pelcida 185Informaes adicionais & EspeculaesGmeos e clulas embrionrias precursoras 186

Clivagem Meroblstica 188Clivagem discoidal 189Clivagem Superficial 192Informaes adicionais & EspeculaesExcees, Generalizaes, e Clivagem

Parastica da Vespa 195MECANISMO DE CLIVAGEM 196Regulando o ciclo da clivagem 196

Fator promotor de maturao 197Informaes adicionais & EspeculaesMPF e Seus Reguladores 198

O mecanismo citoesqueltico da mitose 201A formao de novas membranas 203

Gastrulao: Reorganizando asclulas embrionrias 209

Gastrulao em ourio-do-mar 210Ingresso do Mesnquima Primrio 210Primeiro estgio da invaginao do arquntero 215Segundo e terceiro estgios da invaginao do

arquntero 217Gastrulao em peixes 218

A transio da blstula intermediria e a aquisiode motilidade celular 218

Formao das camadas germinais 220Gastrulao de anfbios 221

Movimentos celulares durante a gastrulao deanfbios 221

Posicionando o blastporo 224Movimentos celulares e a construo do arquntero 226Migrao do mesoderma involutivo 229Informaes adicionais & EspeculaesReguladores moleculares do desenvolvimento:Fibronectinas e as vias da migraomesodrmica 230Epibolia do ectoderma 232

Gastrulao em aves 233Generalidades sobre gastrulao em aves 233

6

Mecanismos de gastrulao em aves 238Gastrulao em mamferos 242

Modificaes para desenvolvimento dentro deoutro organismo 242

Formao de membranas extra-embrionrias 245

Incio do desenvolvimento vertebrado:Neurulao e ectoderma 253FORMAO DO SISTEMA NERVOSO CENTRAL 254Neurulao: aspectos gerais 254

Neurulao primria 255A mecnica da neurulao primria 257A formao da placa neural 257Formao do assoalho da placa neural 258A modelagem e dobramento da placa neural 259Fechamento do tubo neural 260Informaes adicionais & EspeculaesA modelagem dorsoventral do sistema nervoso 264

Neurulao secundria 264Diferenciao do tubo neural 265

Formao das regies do crebro 265Informaes adicionais & EspeculaesDeterminando as regies do crebro anterior e

crebro mdio 268Arquitetura de Tecido no Sistema Nervoso Central 270Organizao do cerebelo 272Organizao cerebral 274

Tipos de neurnios 276Desenvolvimento do olho em vertebrados 279

Dinmica do desenvolvimento tico 279Diferenciao da retina neural 280Informaes adicionais & EspeculaesPorque os bebs no enxergam bem 282Diferenciao do cristalino e da crnea 283

A CRISTA NEURAL 284A crista neural e seus derivados 284A crista neural do tronco 285

Vias de migrao das clulas da crista neural dotronco 285

A matriz extracelular e a migrao da crista neuraldo tronco 287

Informaes adicionais & EspeculaesAnlise das mutaes que afetam o desenvolvi-

mento das clulas da crista neural 290A potncia do desenvolvimento das clulas da crista

neural do tronco 291Diferenciao final das clulas da crista neural 292

A crista neural ceflica 293Vias migratrias das clulas da crista neural

ceflica 293Potncia de desenvolvimento das clulas da crista

neural ceflica 295

7

Tabela dos Contedos ix

A crista neural cardaca 296A EPIDERME E A ORIGEM DAS ESTRUTURAS CUTNEAS 297

A origem das clulas epidrmicas 297Apndices cutneos 299

Concluses 300

Especificidade axnica 307

A gerao da diversidade neuronial 307Especificao do Neurnio Motor de Vertebrado 308Especificao dos Neurnios Motores em

Drosophila 310Formao de padres no sistema nervoso 312Seleo de trajetrias: Orientao pela matriz

extracelular 313Orientao pelo Terreno Fsico: Orientao por

Contato 313Orientao para Gradientes de Adeso:

Haptotaxia 314Conduo por Sinais Migratrios especficos

do Axnio: A Hiptese das TrajetriasMarcadas 315

Orientao pela Repulso Especfica de Cones deCrescimento 317

Informaes adicionais & EspeculaesSexo,Odor e Adeso Especfica 319

Seleo de trajetria: Orientao por molculasdifusveis 320

Sinais para conduo mltipla 323Neurnios Motores Vertebrados 323Axnios da Retina 325

Selees de alvos 326Especificidades Adesivas em Diferentes Regies

do Tectum 328Seleo de endereo: Desenvolvimento dependente de

atividade 331Sobrevivncia diferencial aps a inervao: Fatores

neurotrficos 331Informaes adicionais & EspeculaesNeurnios Fetais em Hospedeiros Adultos 334

O desenvolvimento de comportamentos: constncia eplasticidade 334

8

Incio do desenvolvimentovertebrado: Mesoderma eendoderma 341

MESODERMA 341Mesoderma dorsal: A notocorda e a diferenciao dos

somitos 341Mesoderma Paraxial 341Somitmeros e a Iniciao da Formao do

Somito 343Gerao de Tipos de Clulas Somticas 344Miognese: Diferenciao do Msculo

Esqueltico 347Informaes adicionais & EspeculaesConstruo Muscular e a Famlia MyoD de

Reguladores Transcricionais 349Osteognese: O Desenvolvimento

dos Ossos 351Informaes adicionais & EspeculaesControle da Condrognese na Placa de

Crescimento 357Mesoderma da Placa Lateral 358

Formao das MembranasExtra-Embrionrias 359

O Corao 361Formao dos vasos sangneos 366Informaes adicionais & EspeculaesRedirecionando o Fluxo Sangneo no

Mamfero Recm-nascido 372O Desenvolvimento de clulas sangneas 373

O Conceito de Clula-tronco 373Clulas-tronco Pluripotenciais e Microambientes

Hematopoticos 374Desenvolvimento Osteoclstico 377Locais de Hematopoiese 378

ENDODERMA 380Faringe 380O tubo digestivo e seus derivados 382

Fgado, Pncreas e Vescula Biliar 382O Tubo Respiratrio 383

9

x Tabela dos Contedos

Regulao transcricional da expressognica: Fatores de transcrioe a ativao de promotoresespecficos 391

xons e ntrons 392Estrutura e funo do promotor 394

Estrutura do promotor 396Funo do promotor 397Informaes adicionais & EspeculaesRNA polimerase e os fatores trans-reguladores

no promotor 399Estrutura e funo dos intensificadores 402

Necessidade de intensificadores 402Funo do intensificador: Modelos temporais e

espaciais de transcrio 403Fatores de transcrio: Os trans-reguladores dos

promotores e dos intensificadores 404Protenas de homeodomnio 405Os fatores de transcrio POU 406Informaes adicionais & EspeculaesRegulao da transcrio dos genes de cadeia

leve das imunoglobulinas 409Fatores de transcrio bsicos do tipo hlice-ala-

hlice 415Informaes adicionais & EspeculaesRegulando as protenas bHLH miognicas:

Governando a troca entre proliferao ediferenciao de clulas musculares 416

Fatores de transcrio do zper bsico da leucina 416Informaes adicionais & EspeculaesArmadilhas do intensificador: natural e

experimental 418Fatores de Transcrio Dedo de Zinco 420Receptores Nucleares de Hormnios e Seus

Elementos Responsivos a Hormnios 420Protenas que dobram o DNA 423Ativao dependente de contexto ou silenciamento 423Regulao da atividade do fator de transcrio 425

Regulao transcricional daexpresso gnica: A ativao dacromatina 431

Nucleossomos e a ativao da cromatina reprimida 431Acessibilidade a fatores trans-reguladores 432Stios hipersensveis DNAase I 434

PARTE III Mecanismo da Diferenciao Celular

10

Ruptura e reorganizao de nucleossomos: o papeldos complexos de ruptura 436

Ruptura e reorganizao de nucleossomos: o papelda competio de histonas 437

Regies de controle de loco: transcrio do gene daglobina 437

Informaes adicionais & EspeculaesTrocas no gene de globina 440

Metilao de DNA e atividade gnica 442Correlaes entre metilao do promotor e

inatividade gnica 442Metilao e a manuteno dos padres de

transcrio 443Informaes adicionais & EspeculaesMetilao e impresso gnica 444

Compensao de dosagem do cromossomo X demamferos 446

Informaes adicionais & EspeculaesO mecanismo de inativao do cromossomo X 449

Associao do DNA ativo com a matriz nuclear 451Ligao da cromatina ativa a uma matriz nuclear 451Topoisomerases e a transcrio gnica 453Isoladores e domnios 454Resumo 455

Controle do desenvolvimento peloprocessamento e traduodiferencial do RNA 461

CONTROLE DO DESENVOLVIMENTO PELO PROCESSAMENTODIFERENCIAL DE RNA 461

Controle do desenvolvimento precoce pela seleo deRNA nuclear 462

Os mecanismos de emenda de RNA: Spliceosomes 465Emenda alternativa do RNA: Criando protenas

alternativas a partir do mesmo gene 466Um gene, Muitas Protenas Relacionadas 466Processamento Alternativo de RNA e

Determinao Sexual em Drosophila 468Uso Disseminado do Processamento de RNA para

o Controle da Expresso Gnica 471REGULAO DA TRADUO DOS PROCESSOS

DESENVOLVIMENTAIS 471Mecanismos da traduo eucaritica 472Controle da sntese protica pela longevidade diferencial

do mRNA 474Degradao Seletiva de mRNAs 475

Controle da traduo de mensagens do ocito 476

11

12

Tabela dos Contedos xi

Caracterizao de RNAs MensageirosArmazenados em Ocitos 477

Informaes adicionais & EspeculaesDeterminando o Destino Celular por Meio do

mRNA Localizado do Ocito 480Mecanismos para a regulao da traduo das

mensagens dos ocitos 481A Hiptese da Mensagem Materna Mascarada 482A Hiptese da Cauda Poli(A) 483A Hiptese da Eficincia da Traduo 486Outros sistemas de ativao do mRNA: Mensagens

sem Cap e Mensagens Seqestradas 486

Informaes adicionais & EspeculaesA Ativao do Genoma Embrionrio 488

Regulao dos genes da traduo em larvas eadultos 490

Determinao de Gametas em C. elegans 490RNA Antisenso Natural 491Disjuntores do Controle da Traduo 492Editorao do RNA 493

Controle da traduo e sntese protica coordenada:Produo de Hemoglobina 494

Eplogo: Regulao Ps-traduo 497

Especificao celular autnomapor determinantescitoplasmticos 505

Comprometimento celular e diferenciao 505Pr-formao e epignese 507

Os Teratologistas Franceses 509Especificaes autnomas em embries de tunicados 510

O determinante formador de msculos docrescente amarelo 511

Especificao citoplasmtica das linhagensendodrmicas e epidrmicas e o eixo ntero-posterior 514

Localizao citoplasmtica em embries de moluscos 515O lbulo polar 517

Especificao celular no nematdeo Caenorhabditiselegans 521

Controle maternal da identidade do blastmero: Ocontrole gentico das clulas progenitorasfarngeas de C. elegans 524

Regulao em C. elegans 527Informaes adicionais & EspeculaesSer ou No Ser: Esse o Fentipo 529

Divises celulares assimtricas no desenvolvimentotardio 530

Localizao citoplasmtica de determinantes de clulasgerminativas 531

Determinao de clulas germinativas emnematdeos 531

Determinao da clula germinativa em insetos 532Componentes do plasma polar da Drosophila 534Determinao de clulas germinativas em

anfbios 536Resumo 538

PARTE IV Especificao do Destino Celular e osEixos Embrionrios

13

A gentica daespecificao axial emDrosophila 543

Resumo do desenvolvimento de Drosophila 543AS ORIGENS DA POLARIDADE NTERO-POSTERIOR 545Viso Panormica 545Os genes de efeito materno 546

Evidncia Embriolgica da Regulao daPolaridade pelo Citoplasma do Ocito 546

O Modelo Molecular: Gradientes Proticos noEmbrio Precoce 547

Informaes adicionais & EspeculaesModelos de Gradientes da Informao

Posicional 551Evidncia que o Gradiente da Protena Bicoid

Constitui o Centro de Organizao Anterior 552O Centro de Organizao Posterior: Localizando e

Ativando o Produto de nanos 556O Grupo Gene Terminal 557

Os genes da segmentao 559Uma Viso Panormica 559Os Genes de gap 561Os Genes pair-rule 563Os Genes de Polaridade Segmentar 565

Os genes de Seleo hometica 569Padres de Expresso dos Genes Hometicos 569Iniciando os Padres da Expresso dos genes

Hometicos 572Mantendo os Padres de Expresso dos genes

Hometicos 572Os Elementos Cis-Reguladores e o Complexo

Bithorax 574

14

xii Tabela dos Contedos

Informaes adicionais & EspeculaesRegulao Molecular do Desenvolvimento: As

Protenas do Homeodomnio 576A GERAO DA POLARIDADE DORSOVENTRAL EM

DROSOPHILA 577A protena Dorsal: Morfgeno para a polaridade

dorsoventral 577Translocao da Protena Dorsal 577

Provendo o sinal assimtrico para a translocao daprotena Dorsal 578

Sinal do Ncleo do Ocito para as ClulasFoliculares 578

Sinalizao das Clulas Foliculares para oCitoplasma do Ocito 580

O Estabelecimento do Gradiente da ProtenaDorsal 581

PRIMRDIOS DE RGOS E EIXOS 585O modelo de coordenadas cartesianas e a especificao

dos primrdios dos rgos 585Resumo: Alguns princpios do desenvolvimento da

Drosophila 586

Especificao do destino celularpor interaes clula-clulaprogressivas 591

Desenvolvimento regulativo 591Testando a teoria do plasma germinativo 592

August Weismann: A teoria do plasmagerminativo 592

Wilhelm Roux: Desenvolvimento em mosaico 593Hans Driesch: Desenvolvimento Regulativo 594Sven Hrstadius: Potncia e gradientes em ocitos 597Formao de um organismo integrado: Restringindo

a potncia das clulas vizinhas 598Regulao durante o desenvolvimento de anfbios 600

Hans Spemann: Determinao progressiva dasclulas embrionrias 600

Hans Spemann e Hilde Mangold: Induoembrionria primria 603

O centro de Nieuwkoop 606A formao do centro de Nieuwkoop e a polaridade

mesodrmica 606A especificao da polaridade dorsoventral na

fertilizao 607A base molecular da induo mesodrmica 609

Estabelecendo a regionalizao dorsal: o possvelpapel da -catenina 609

O funcionamento do centro de Nieuwkoop: funespara Vg1 e Noggin 610

Induo de especificidade mesodrmica ventral elateral 612

A criao da atividade do organizador 613Protenas secretadas do organizador 613Informaes adicionais & EspeculaesBMP4 e a lagosta de Geoffroy 616Fatores de transcrio induzidos no

organizador 619Informaes adicionais & EspeculaesComo o Organizador Neuraliza o

Ectoderma? 621A especificidade regional de induo 621

A determinao das diferenas regionais 621O modelo do duplo gradiente 623Correlatos moleculares da caudalizao

neural 624Informaes adicionais & EspeculaesSinais verticais e horizontais do

organizador 626Genes homeobox na especificao neural 628

Competncia e cascatas indutivas 628

Estabelecimento dos eixoscorporais em mamferose aves 635

Iniciando o eixo ntero-posterior 635Estabelecendo um Centro de Nieuwkoop 635Expresso Gnica em Tecidos Organizadores 636

Especificando o eixo ntero-posterior de mamfero: Ahiptese do cdigo Hox 637

Homologia dos Complexos de Genes Hometicosentre Drosophila e Mamferos 637

Expresso de Genes Hox no Sistema NervosoCentral e seus Derivados 638

Anlise Experimental de um Cdigo Hox: GeneAlvo 640

Transformao Parcial de Segmentos porEliminao de Genes Hox Expressos noTronco 642

Anlise Experimental do Cdigo Hox: Teratognesedo cido Retinico 643

Evidncia para um Cdigo Hox da AnatomiaComparada 645

Informaes adicionais & EspeculaesAnimais como Variaes sobre o Mesmo Tema

Desenvolvimental 646Eixos dorsoventral e esquerdo-direito em mamferos e

aves 647

15 16

Tabela dos Contedos xiii

Interaes proximais de tecidos:Induo secundria 655

Interaes instrutivas e permissivas 655Competncia e receptores 656Fatores parcrinos 657

Os Fatores de Crescimento Fibroblstico 658A famlia hedgehog 659A famlia Wnt 660A superfamlia TGF- 661Sinalizao Justcrina 662

Interaes epitlio-mesnquima 663Especificidade Regional da Induo 663Especificidade Gentica da Induo 666

Cascatas de induo embrionria: Induo do cristalino 667Os Fenmenos da Induo do Cristalino 667A Base Celular da Induo do Cristalino 668Formao da Crnea 672

Formao de rgos parenquimatosos 672Morfognese do Rim de Mamfero 673Os Mecanismos da Organognese Renal 676Informaes adicionais & EspeculaesDiferenciao Coordenada e Morfognese no

Dente 682Mecanismos de ramificao na formao de rgos

parenquimatosos 683A Matriz Extracelular como um Elemento Crtico

na Ramificao 684Fatores Parcrinos Efetuando Padres de

Ramificao 686Induo ao nvel de uma nica clula 687

Induo Vulvar no Nematide Caenorhabditiselegans 690

Informaes adicionais & EspeculaesInteraes Clula-Clula e Possibilidade na

Determinao de Tipos Celulares 692

Desenvolvimento do membrode tetrpode 701

Padronizao no membro 701Formao do broto do membro 702

O campo do membro 702Especificao dos campos do membro: Genes

Hox e cido retinico 703Crescimento do broto de membro precoce: fatores

de crescimento dos fibroblastos comoindutores do broto do membro 704

Induo da crista ectodrmica apical 704Produo do eixo prximo-distal dos membros 706

A crista ectodrmica apical: O componenteectodrmico 706

A zona progressiva: O componente mesodrmico 708Genes Hox e a especificao do eixo prximo-

distal do membro 709Interaes entre a AER e a zona progressiva 711Mutaes nas interaes entre a zona progressiva

e a AER 711Informaes adicionais & EspeculaesA regenerao dos membros da salamandra e a

reteno do eixo prximo-distal 714Especificao do eixo ntero-posterior dos membros 716

A zona de atividade polarizante 716Sonic hedgehog como definidor da ZPA 717Interaes entre a AER e a ZPA para integrar

crescimento e padro 718Especificando a ZPA 721

A produo do eixo dorsoventral 721Distinguindo o membro anterior do membro posterior 722

Informaes adicionais & EspeculaesLies de limbless 724

Morte celular e a formao de dgitos 724Informaes adicionais & EspeculaesEvoluo do membro tetrpode 726

Interaes celulares distncia:Hormnios como mediadores dodesenvolvimento 733

Metamorfose: o direcionamento hormonal dodesenvolvimento 733

Metamorfose anfbia 734Controle hormonal da metamorfose de anfbios 735Respostas Moleculares aos Hormnios da Tireide

Durante a Metamorfose 740Informaes adicionais & EspeculaesHeterocronia 743

Metamorfose em insetos 746Everso e Diferenciao dos Discos Imaginais 746Informaes adicionais & EspeculaesA determinao dos discos imaginais da perna

e da asa 750Remodelao do sistema nervoso 753

PARTE V Interaes Celulares Durante aFormao do rgo

17

18

19

xiv Tabela dos Contedos

Controle Hormonal da Metamorfose de Insetos 754A biologia Molecular da Atividade da

Hidroxiecdisona 757Informaes adicionais & EspeculaesControle ambiental sobre a forma e a funo da

larva 761Interaes hormonais mltiplas no desenvolvimento da

glndula mamria 762Estgio embrionrio 762Adolescncia 765Gravidez e lactao 765

Determinao do sexo 773

Determinao cromossmica do sexo em mamferos 774Determinao Sexual Primria 774Determinao Secundria do Sexo 774As Gnadas em Desenvolvimento 775

Determinao sexual primria dos mamferos: Genescromossmicos Y para a determinao dostestculos 777

SRY: O Determinante Sexual do Cromossomo Y 778Determinao sexual primria em mamferos: Genes

autossmicos na determinao de testculos 780SOX9: Reverso Autossmica na Displasia

Campomlica 780SF1: A Ligao Entre SRY e as Trajetrias

Desenvolvimentais Masculinas 780Determinao sexual primria em mamferos:

Desenvolvimento ovariano 781DAX1: Um Potencial Gene Determinante de Ovrio

no Cromossomo X 781Wnt4a: Um Potencial Gene Determinante de

Ovrio em um Autossomo 781Determinao sexual secundria em mamferos 782

Regulao Hormonal do Fentipo Sexual 782Testosterona e Diidrotestosterona 783Hormnio Anti-Mlleriano 784O Sistema Nervoso Central 785Informaes adicionais & EspeculaesO Desenvolvimento de Comportamentos

Sexuais 787Determinao sexual cromossmica em Drosophila 788

A Via do Desenvolvimento Sexual 788O Gene Sex-lethal como o Piv para a

Determinao do Sexo 790Os Genes transformer 793doublesex: O Gene Comutador da Determinao

Sexual 793Genes-alvo para a Cascata de Determinao

Sexual 794

Hermafroditismo 795Hermafroditismo no Nematide C. elegans 795Hermafroditismo em Peixes 797

Determinao ambiental do sexo 798Determinao Sexual Dependente de Temperatura

em Reptis 798Determinao Sexual Dependente da Localizao

em Bonellia viridis e Crepidula fornicata 799Resumo 800

Regulao ambiental dodesenvolvimento animal 805

REGULAO AMBIENTAL DO DESENVOLVIMENTO NORMAL 806Sugestes ambientais usadas pelos organismos para

completar seus desenvolvimentos 806A colonizao larval 806Refeies de sangue 808Simbiose no desenvolvimento 808

Diferenas ambientais previsveis como sugestes para odesenvolvimento 810

Sazonalidade e sexo: Afdios e Volvox 810Diapausa 812

Plasticidade fenotpica: Polifenismo e regras dereao 813

Polifenismo sazonal em borboletas 814Polifenismo nutricional 816Determinao sexual dependente do ambiente 817

Fatores ambientais imprevisveis controlando odesenvolvimento animal 818

Defesas induzveis contra a predao 819Plasticidade fenotpica e mudanas no ambiente 820Informaes adicionais & EspeculaesAssimilao Gentica 821

A contnua plasticidade do desenvolvimento 822O sistema imune: Desenvolvimento no adulto 822Aprendizado: Um sistema nervoso adaptvel ao

ambiente 823DISTRBIOS AMBIENTAIS DO DESENVOLVIMENTO NORMAL 827Malformaes e distrbios 827Agentes teratognicos 828

cido retinico como um teratognico 829Talidomida como um teratognico 830lcool como um teratognico 833Outros agentes teratognicos 835Informaes adicionais & EspeculaesEstrgenos Ambientais 836

Interaes gentica-ambiental 837Resumo 837

20 21

Tabela dos Contedos xv

A saga da linhagemgerminativa 843

Migrao das clulas germinativas 843Migrao das Clulas Germinativas em

Anfbios 843Migrao das Clulas Germinativas em

Mamferos 844Informaes adicionais & EspeculaesTeratocarcinomas e Clulas-Tronco

Embrionrias 847Migrao de Clulas Germinativas em Aves e

Rpteis 848Migrao de Clulas Germinativas Primordiais em

Drosophila 849Meiose 850

Informaes adicionais & EspeculaesGrandes Decises: Mitose ou Meiose?

Espermatozide ou vulo? 853Espermatognese 855

Espermiognese 857Informaes adicionais & EspeculaesExpresso Gnica Durante o Desenvolvimento

do Espermatozide 858Oognese 860

Meiose oognica 860Maturao do Ocito em Anfibios 861Concluso da meiose: Progesterona e

Fecundao 864Transcrio Gnica em Ocitos 865Oognese Merostica em Insetos 867Informaes adicionais & EspeculaesA Origem dos Eixos Embrionrios de

Drosophila Durante a Oognese 869Oognese em Mamferos 870Informaes adicionais & EspeculaesO Reincio da Meiose nos Ocitos de

Mamferos 875

Mecanismos desenvolvimentaisda mudana evolucionria 883

Unidade de Tipo e Condies de Existncia 883A Sntese de Charles Darwin 883E. B.Wilson e F. R. Lillie 885

A evoluo do desenvolvimento precoce: E. PluribisUnum 885

A emergncia dos embries 885Formao de um Novo Filo: Modificando os

Caminhos do Desenvolvimento 887Modularidade: O pr-requisito para mudana evolutiva

atravs do desenvolvimento 891Modularidade 891Dissociao: Heterocronia e Alometria 891Duplicao e Divergncia 893Co-opo 894Progresso correlacionada 896

Restries ao desenvolvimento 898Restries Fsicas 898Restries Morfogenticas 898Restries Filticas 899Evoluo Conjunta do Ligante e Receptor:

Isolamento Reprodutivo 901O mecanismo gentico do desenvolvimento da

mudana evolucionria: Genes reguladoreshomlogos 902

Pax6 e o desenvolvimento do olho 902BMP4 e a Morfognese dos Membros 904Genes Hox e a Evoluo dos Vertebrados 905Genes Hox e a Evoluo dos Artrpodes 907Caminhos homlogos do desenvolvimento 909

Criando novos tipos de clulas: O mistrio evolucionriobsico 911

Uma nova sntese evolucionria 912

Fontes Para as Citaes das Aberturasdos Captulos C-1

ndice de Autores IA-1

ndice de Assuntos IA-2

ndice de Abreviaturas IA-3

22 23

s ltimos anos do sculo 20 encontram a biologia do desenvolvi-mento retornando posio que ela ocupou no incio do sculo: adisciplina que unifica os estudos da hereditariedade, evoluo e

fisiologia. Em 1896, a primeira edio de B. Wilson do The Cell in Developmentand Inheritance anunciou a verdade maravilhosa que uma nica clula podeconter em seu interior sua extenso microscpica da soma-total da heranadas espcies. Hoje, a biologia do desenvolvimento est na vanguarda desseestudo de nossa herana natural. Nos seus aspectos moleculares, ela toca aqumica fsica na sua investigao dos mecanismos bioqumicos pelos quaisprotenas diferentes so produzidas em clulas diferentes do mesmo geno-ma. Ela tambm est na liderana dos estudos evolucionrios que procuramentender como mudanas macroevolucionrias ocorreram. Ela abriu recen-temente uma rea nova da biologia do desenvolvimento ecolgico, onde mu-danas ambientais so vistas criando alteraes no desenvolvimento doorganismo. Durante os ltimos 3 anos, a biologia do desenvolvimento tam-bm expandiu para a medicina, fundindo-se com a gentica clnica para criaruma cincia revitalizada da embriologia humana, uma cincia que j setornou importante na explanao das malformaes congnitas.

A quinta edio do Biologia do Desenvolvimento foi revisada e reescritapara refletir essas revolues que esto acontecendo. Aconteceram quatromudanas importantes na estrutura do livro desde sua ltima edio. Pri-meiro, tornou-se impossvel discutir os princpios fundamentais da em-briologia sem o conhecimento da atividade gnica ou vias da transduo de sinais.Portanto, essa informao foi trazida dentro da seo introdutria do livrode modo que interaes celulares, tais como fertilizao e induo, podemser apreciadas tanto no mbito molecular quanto no morfolgico.

Segundo, novo interesse nos efeitos do ambiente no desenvolvimentonormal e anormal conduziu a um novo captulo. O Captulo 21, RegulaoAmbiental do Desenvolvimento Animal, diz respeito s vias pelas quais omeio ambiente afeta o fentipo do organismo. Interesse na proteo ambientale em controvrsias envolvendo a possibilidade de poluentes teratognicosforaram uma nova percepo das influncias que o meio ambiente repre-senta no desenvolvimento normal e anormal. Na verdade, os biologistas dodesenvolvimento podem rapidamente encontrar-se frente dos movimen-tos da conservao ecolgica. As primeiras quatro edies deste livro bus-caram integrar abordagens molecular, celular e orgnica biologia do de-senvolvimento; esta edio adiciona a dimenso ecolgica.

Terceiro, esta edio introduz novas nfases nos papis dos fatoresparcrinos no desenvolvimento. No somente os estudos da transduode sinais esto colocados na seo introdutria deste livro, como a Parte V

O

Prefcio

Prefcio xvii

da Quinta Edio inicia com uma viso geral das famlias do fator de cres-cimento fibroblstico, TGF-, Wnt e Hedgehog dos fatores de crescimentoe diferenciao.

Quarto, este livro est conectado a um website onde estudantes e pro-fessores podem encontrar mais material em muitos tpicos selecionados.Tal material inclui (1) detalhes de experimentos que so extremamenteespecializados para serem colocados no texto, (2) informao histrica so-bre reas particulares da biologia do desenvolvimento e personalidadesenvolvidas, (3) implicaes mdicas de fenmenos particulares do desen-volvimento, (4) debates ou comentrios em questes relevantes para o cam-po, e (5) atualizaes do material do texto nessa rea da biologia de cresci-mento cada vez mais rpido. Filmes e entrevistas gravadas esto includase esses artigos de destaque podero ser expandidos medida que a tecnologiaos tornar mais fceis para serem usados. Esse website est conectado tam-bm a outros websites e podem ser usados para enriquecer a perspectiva dealgum sobre o que est acontecendo no desenvolvimento animal. A presen-a de um website nos permite manter o direcionamento deste livro s pesso-as para as quais isso foi originalmente pretendido: estudantes dos ltimosanos da graduao e do incio da ps-graduao. Ele tambm me ajudou ano deixar o livro tornar-se um substituto para peso de papel.

A viso de Roux foi que a biologia do desenvolvimento algum dia cons-tituiria a base de todas as outras disciplinas biolgicas e, em continuadasimbiose com essas disciplinas, desempenharia uma parte proeminente nassolues dos problemas da vida. Essas foram palavras audaciosas, at mes-mo arrogantes h cem anos atrs; hoje, elas expressam uma aceitao ampla-mente sustentada. O desenvolvimento integra todas as reas da biologia edesempenha um papel crucial em relacionar o gentipo ao fentipo. O desen-volvimento pode ser estudado usando qualquer organismo e em qualquernvel de organizao, de molculas a filos.

medida que o campo continuar a se expandir e se aprofundar , umapalavra de advertncia requerida: a biologia do desenvolvimento no podeser aprendida ou ensinada em um nico semestre. Este texto uma tentati-va para prover cada pessoa com material suficiente para seu curso, mas uminstrutor no necessita se sentir culpado por no determinar todos os cap-tulos, e os estudantes no necessitam se sentir privados se eles no leremtodos os captulos. Isto o comeo do caminho, no sua concluso.

Como usar o website

Qualquer pessoa pode entrar no website atravs de sua homepage[http://zygote.swarthmore.edu/index.html] ou atravs da sua lista de ar-quivos de captulos localizada no [http://zygote.swarthmore.edu/info.html].Alternativamente, ns colocamos acessos especficos endereados em todoo livro onde quer que exista uma entrada relevante no momento da publica-o. Todos esses endereos comeam com [http://zygote.swarthmore.edu/]e so seguidos por um cdigo dado no livro texto. Assim, a localizaoespecificada na pgina 20 do livro :

http://zygote.swarthmore.edu/intro2.html

Mais localizaes esto sendo adicionadas no website, e essas podemser acessadas entrando nos arquivos do captulo. Em adio, clicando noboto Outros Arquivos abaixo de cada captulo, as conexes para outroswebsites sero facilitadas. Divirta-se.

xviii Prefcio

Agradecimentos

Esta edio, como suas precursoras, deve muito s sugestes e crticas dosestudantes em minhas classes de biologia do desenvolvimento e genticado desenvolvimento. O grupo de funcionrios e docentes extremamentecorporativo da Universidade Swarthmore tambm desempenharam pa-pis importantes na produo deste livro, e os bibliotecrios da rea decincia E. Horikawa e M. Spencer merecem agradecimentos especiais porterem segurado volumes recentes na biblioteca enquanto eu estava escre-vendo o livro. Os cientistas que revisaram estes captulos forneceram enor-me ajuda tanto na preciso tcnica dos captulos quanto nas sugestespara trabalho futuro. Esses investigadores incluem: S. Carroll, J. Cebra-Thomas, E. M. De Robertis, S. DiNardo, E. Eicher, C. Emerson, G. Grunwald,D. J. Grunwald, M. Hollyday, L. A. Jaffe, W. Katz, R. Keller, K. Kemphues, D.Kirk, G. Martin, H. F. Nijhout, D. Page, R. Raff, R. Schultz, C. Stern, S.Tilghman, R. Tuan e M. Wickens. Eu tambm quero agradecer aos muitoscientistas que desviaram do seu caminho para ajudar a tornar esta ediomelhor lendo pores especficas dos captulos. Eles incluem: M. Bronner-Fraser, J. Fallon, N. M. Le Douarin, E. McCloud, J. Opitz, K. Sainio, H. Sariola,I. Thesleff e T. Valente. Se eu deixei algum fora, por favor me desculpem. desnecessrio dizer que os julgamentos editoriais finais foram de minharesponsabilidade. Meus agradecimentos especiais a Judy Cebra-Thomasque no somente me aconselhou em certos captulos mas quem deu exce-lente ajuda durante meu perodo sabtico permitindo-me terminar estelivro. Agradecimentos tambm aos cientistas e filsofos, especialmente: C.van der Weele, R. Amundson, L. Nyhart, R. Burian, H. F. Nijhout, A. F.Sterling, K. Smith e A. I. Tauber, que participaram nos workshops de biolo-gia do desenvolvimento da Sociedade Internacional para a Histria, Filo-sofia e Estudos Sociais da Biologia. Algumas das melhores crticas cons-trutivas deste livro-texto vieram dessas pessoas.

Andy Sinauer uma vez mais conseguiu reunir as mesmas e extraor-dinrias pessoas neste projeto, e foi um privilgio trabalhar com eles. Meusagradecimentos a ele e aos editores Nan Sinauer e Carol Wigg, coordenadorde produo Chris Small, artistas John Woolsey e Gary Welch, designerSusan Schmidler, editor de texto Janet Greenblatt, e artista de layout JaniceHolabird. As habilidades editoriais de Tinsley Davis so extremamente re-conhecidas. Devido ao fato de que os prazos finais devem ser cumpridos eoutro trabalho posto de lado, eu tenho que agradecer minha famlia pormais uma vez me permitir prosseguir com isso. Em particular, este livronunca poderia ter sido completado se no fosse pelo encorajamento de mi-nha esposa, Anne Raunio, que, como uma obstetra, gosta do lado mais pr-tico da biologia do desenvolvimento. Meus agradecimentos a todos vocs.

SCOTT F. GILBERT1 DE MARO DE 1997

1 Introduo ao desenvolvimento animal 1

2 Genes e desenvolvimento: Introduo e tcnicas 35

3 Base celular da morfognese: Afinidade celular diferencial 79I

Introduo Biologiado Desenvolvimento

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 1

O

1A natureza parece nunca mudar, ainda quesua aparncia esteja sempre mudando. nosso dever como artistas transmitir junta-mente com todos os seus elementos a emo-o dessa permanente transformao.Paul Cezanne (ca. 1900)

Feliz a pessoa que consegue discernir ascausas das coisas.Virglio (37 A.C.)

1

CONCEITO DE EMBRIO assombroso, e a formao de um embrio atarefa mais rdua que algum haver de realizar. Para se tornar um embrio,voc teve que construir a si mesmo a partir de uma nica clula. Teve que

respirar antes que tivesse pulmes, digerir alimentos antes que seus rgos estives-sem formados, construir ossos a partir de uma massa e ordenar os neurnios antesmesmo de adquirir a capacidade de pensar. Uma diferena marcante entre voc e amquina que a mquina nunca requisitada para uma funo antes que estejaterminada. Todo animal tem que estar em funcionamento enquanto se auto-constri.

O objetivo da biologia do desenvolvimento

Para plantas e animais, o nico caminho para o desenvolvimento a partir de uma clula, desenvolvendo um embrio. O embrio o intermedirio entre o gentipo e o fentipo,ou seja, entre os genes herdados e o organismo adulto. Enquanto a maior parte dabiologia estuda a estrutura adulta e funo, a biologia do desenvolvimento encontramaior interesse nos estgios mais transitrios. Biologia do desenvolvimento a cin-cia do vir a ser, a cincia do processo. Dizer que um inseto efmero vive apenas um diano significa nada para um biologista do desenvolvimento, porque o inseto pode seradulto apenas por um dia, mas passou outros 364 dias como um embrio e larva.

As questes levantadas por um biologista do desenvolvimento so freqente-mente questes mais ligadas ao vir a ser do que ao ser propriamente dito. Dizer quemamferos XX so geralmente fmeas e mamferos XY so geralmente machos, noexplica a determinao sexual para um biologista do desenvolvimento. Esse quer sa-ber como o gentipo XX produz um ser feminino e como o gentipo XY produz um sermasculino. Da mesma maneira, um geneticista gostaria de saber como os genes globinaso transmitidos de uma gerao outra, e um fisiologista pode fazer perguntas sobrea funo da globina no corpo. Porm, o biologista do desenvolvimento perguntaporque os genes globina se expressam somente nas hemcias e como essas se tornamativas apenas em certas fases do desenvolvimento (ainda no sabemos as respostas).

Biologia do desenvolvimento uma cincia excelente para pessoas que queremintegrar diferentes nveis da biologia. Diante de um problema, podemos estud-lo a

Introduo ao desenvolvimento animal

2 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

nveis molecular e qumico (p. ex., Como os genes globina so transcritos, e como osfatores que ativam sua transcrio interagem uns com os outros e com o DNA?), a nveiscelular e tissular (p. ex., Quais so as clulas capazes de produzir globina, e como omRNA da globina deixa o ncleo?), a nvel de rgos ou sistema de rgos (p. ex., Comovasos capilares so formados em cada tecido, e como so instrudos a se conectarem eramificarem?) e, at mesmo, a nveis ecolgicos e evolucionrios (p. ex., Como diferenasna ativao do gene globina permitem o fluxo de oxignio da me para o feto, e comofatores ambientais acionam a diferenciao de mais hemcias?). Biologistas do desen-volvimento podem estudar qualquer organismo e todo tipo de clula.

Biologia do desenvolvimento um dos campos que mais tem crescido e tambmum dos mais emocionantes da biologia. Parte dessa emoo vem dos assuntos estu-dados, porque estamos apenas comeando a entender o mecanismo molecular dodesenvolvimento animal. Outra parte da emoo vem do papel unificador que a biolo-gia do desenvolvimento assume nas cincias biolgicas. A biologia do desenvolvi-mento est criando uma estrutura que integra a biologia molecular, fisiologia, biologiacelular, anatomia, pesquisa do cncer, neurobiologia, imunologia, ecologia, e biologiaevolucionria. O estudo do desenvolvimento tornou-se essencial para a compreensode qualquer rea da biologia.

Os problemas da biologia do desenvolvimento

O desenvolvimento realizado por duas funes principais: gera diversidade e ordemcelular dentro de cada gerao, o que assegura a continuidade da vida que passa deuma gerao outra. Assim, existem duas questes fundamentais para a biologia dodesenvolvimento: Como um ovo fertilizado origina um ser adulto, e como esse seradulto produz um outro ser? Cada espcie tem suas prprias respostas, mas algumasgeneralizaes podem ser feitas. Tradicionalmente, essas questes tm sido subdivi-didas em quatro problemas gerais da biologia do desenvolvimento:

O problema da diferenciao. Uma nica clula, o ovo fertilizado, se desen-volve e gera centenas de clulas de diferentes tipos - clulas musculares,clulas epidrmicas, neurnios, linfcitos, clulas do sangue, clulas gorduro-sas, e assim por diante. Essa gerao de diversidade celular chamada diferen-ciao. Desde que cada clula do corpo contm o mesmo conjunto de genes,precisamos entender como esse mesmo conjunto de instrues genticas podeproduzir diferentes tipos de clulas.

O problema da morfognese. Nossas clulas diferenciadas no so distribu-das aleatoriamente; pelo contrrio, so organizadas em intrincados tecidos ergos. Esses rgos esto dispostos de tal maneira que: dedos esto naspontas e no no meio de nossas mos, os olhos esto na nossa cabea e nonos ps ou intestinos. Essa criao de forma ordenada, chamada morfogne-se. Como as clulas se auto-organizam e formam um arranjo correto?

O problema do crescimento. Somos maiores do que um ovo, mas como asclulas sabem quando devem parar de se dividir? Se cada clula de nossa facerealizasse mais uma diviso celular, seramos considerados horrivelmente malformados. Se cada clula de nossos braos tivesse realizado apenas mais umasrie de divises, poderamos amarrar nossos sapatos sem nos abaixar.

O problema da reproduo. O espermatozide e o vulo so clulas muitoespecializadas. Somente eles podem transmitir instrues para produzir umorganismo de uma gerao para outra. Como essas clulas so separadas paraformar a prxima gerao, e quais as informaes no ncleo e no citoplasmaque permitem tal funcionamento?

Recentemente, tem-se dado grande nfase a um quinto problema: O problema da evoluo. A evoluo envolve mudanas herdadas durante o

desenvolvimento. Quando dizemos que o cavalo de um dedo s de hoje, teveum ancestral de cinco dedos, estamos dizendo que mudanas no desenvolvi-

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 3

mento da cartilagem e dos msculos ocorreram ao longo de muitas geraes deembries nos ancestrais do cavalo. Como mudanas no desenvolvimento cri-am novas formas de corpo? Quais modificaes hereditrias so possveis,dadas as restries impostas pela necessidade do organismo sobreviver en-quanto se desenvolve?

Os estgios do desenvolvimento animal

De acordo com Aristteles, o primeiro grande embriologista da histria, a cinciacomea com a curiosidade: graas a curiosidade que as pessoas comearam afilosofar, e a curiosidade permanece desde o incio do conhecimento. O desenvolvi-mento de um ser a partir do ovo tem sido motivo de admirao atravs da histria dahumanidade. O simples procedimento de se abrir um ovo de galinha a cada dia do seuperodo de incubao de trs semanas proporciona uma notvel experincia quandose observa desde uma fina camada de clulas at o total desenvolvimento da ave.Aristteles realizou esse procedimento e observou a formao dos principais rgos.Qualquer um pode se admirar com esse fenmeno, ainda que ordinrio, mas cientistasso os que procuram descobrir como o desenvolvimento realmente ocorre. E aindamais do que dissipar essa admirao, novo conhecimento s faz aument-la.

Organismos pluricelulares no se formam de imediato, ao contrrio, so formadospor um processo relativamente lento de mudana progressiva, o qual chamamos dedesenvolvimento. Em quase todos os casos, o desenvolvimento de um organismopluricelular comea com uma nica clula - ovo fertilizado ou zigoto, que divididoatravs da mitose, produz todas as clulas do corpo. O estudo do desenvolvimentoanimal tem sido tradicionalmente chamado de embriologia, se referindo ao fato de queentre a fertilizao e o nascimento, o organismo em desenvolvimento conhecidocomo embrio. Mas o desenvolvimento no cessa no nascimento, ou mesmo na vidaadulta, porque a maioria dos organismos nunca pra de se desenvolver. A cada dia nsrepomos mais de um grama de clulas de pele (fazendo com que as clulas mais velhasse desprendam assim que nos movemos), e nossa medula ssea sustenta o desenvol-vimento de milhes de novos eritrcitos a cada minuto de nossas vidas. Portanto, nosltimos anos tem sido comum se falar em biologia do desenvolvimento, como a discipli-na que estuda processos embrionrios e outros do desenvolvimento.

As principais caractersticas do desenvolvimento animal esto ilustrados na Figu-ra 1.1. A vida de um novo indivduo iniciada pela fuso do material gentico de doisgametas, o espermatozide e o vulo. Essa fuso, chamada fertilizao, estimula oovo a iniciar o desenvolvimento. Os estgios subseqentes do desenvolvimento socoletivamente chamados de embriognese. Por todo reino animal existe uma incrvelvariedade de tipos embrionrios, mas a maioria dos padres de embriognese compre-ende variaes em quatro temas:

1. Ocorrncia de clivagem imediatamente aps a fertilizao. Clivagem umasrie de divises mitticas extremamente rpidas, onde o enorme volume cito-plasmtico do zigoto dividido em numerosas clulas menores. Essas clulasso chamadas blastmeros e, ao fim da clivagem, eles geralmente formam umaesfera conhecida como blstula.

2. Aps a reduo na taxa de diviso mittica, os blastmeros passam pormudanas dramticas quanto s suas posies, um em relao ao outro. Essasrie de redistribuio de clulas chamada de gastrulao. Como resultadoda gastrulao, o embrio tpico contm trs regies celulares chamadascamadas germinativas*. O ectoderma, a camada exterior, produz as clulasda epiderme e do sistema nervoso; o endoderma, camada interior, produz o

*Do Latim germen, significa broto ou rebento (a mesma raiz da palavra germinao). Osnomes das trs camadas germinativas so do Grego: ectoderma de ektos (fora) mais derma(pele); mesoderma de mesos (meio) e endoderma de endon (dentro).

4 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

MrulaBlstula

Local das clulasembrionrias

Blastocele

BlastporoEctoderma

Mesoderma

Endoderma

INCUBAO (NASCIMENTO)

Estgioslarvaisimaturos

Gnada

Esperma-tozide(gameta

masculino)

Ocito(gametafeminino)

GAMETOGNESE

Adultosexualmente maduro

Esperma-tozide

Ocito

Clula germinativa(Germ plasm)

revestimento do tubo digestivo e rgos associados (pncreas, fgado, pul-mes, etc.); e o mesoderma, camada do meio, d origem a diversos rgos(corao, rins, gnadas), tecidos conjuntivos (ossos, msculos, tendes, va-sos sangneos) e clulas sangneas.

3. Uma vez que as trs camadas embrionrias esto estabelecidas, as clulasinteragem umas com as outras e se reorganizam para produzir tecidos e rgos.Esse processo chamado organognese. (Nos vertebrados, a organognese iniciada quando uma srie de interaes celulares induzem as clulas ectodr-micas da poro mediana do dorso a formar o tubo neural. Esse tubo originaro crebro e a coluna vertebral). Muitos rgos contm clulas de mais de umacamada embrionria, e no incomum o exterior de um rgo ser derivado deuma determinada camada e o interior de outra. Tambm durante a organognese,

Figura 1.1Figura 1.1Figura 1.1Figura 1.1Figura 1.1Histrico do desenvolvimento de um repre-sentante animal, um sapo. Estgios que voda fertilizao at o nascimento so coletiva-mente conhecidos como embriognese. Asregies responsveis por produzir clulas em-brionrias so mostradas em cores. Gameto-gnese, que completa no adulto sexualmen-te maduro, comea em pocas diferentes, de-pendendo da espcie.

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 5

algumas clulas sofrem longas migraes do seu lugar de origem at sua loca-lizao final. Essas clulas migrantes incluem os precursores das clulas san-gneas, clulas linfticas, clulas pigmentadas e gametas. A maior parte dosossos de nossa face so provenientes de clulas que migraram ventralmenteda regio dorsal da nossa cabea.

4. Como observado na Figura 1.1, em muitas espcies, uma parte especializadado citoplasma do ovo d origem s clulas que so precursoras dos gametas.Essas clulas so chamadas de clulas germinativas, sendo destinadas funo reprodutiva. Todas as outras clulas do corpo so chamadas clulassomticas. Essa separao entre clulas somticas (que do origem a umcorpo individual) e clulas germinativas (que contribuem para a formao deuma nova gerao) freqentemente uma das primeiras diferenciaes queocorrem durante o desenvolvimento animal. As clulas germinativas final-mente migram para as gnadas, onde se diferenciam em gametas. O desen-volvimento de gametas, chamado de gametognese, normalmente no com-pletado at que o organismo tenha se tornado fisicamente maduro. Na matu-ridade, os gametas podem ser liberados e participar de uma fertilizao dandoincio a um novo embrio. O organismo adulto finalmente sofre envelheci-mento e morre.

Nossa herana eucaritica

Os organismos esto divididos em dois grupos principais, dependendo apenas seas clulas possuem um envoltrio nuclear ou no. Os procariotos (do grego karion,significa ncleo), onde esto includas as arqueobactrias e as eubactrias, nopossuem um ncleo verdadeiro. Os eucariotos que incluem os protistas, animais,plantas e fungos, possuem um tegumento nuclear bem formado circundando osseus cromossomos. Essa diferena fundamental entre os eucariotos e procariotosinfluencia a maneira como esses grupos organizam e utilizam seu material gentico.Em ambos os grupos, a informao herdada necessria para o seu desenvolvimentoe metabolismo se encontra codificada nas sequncias de cido desoxirribonuclico(DNA) dos cromossomos. Os cromossomos procariticos normalmente so hlicesduplas de DNA, pequenas e circulares consistindo de aproximadamente 1 milho depares de bases. As clulas eucariticas geralmente possuem diversos cromosso-mos, e um simples protista eucaritico possui 10 vezes, ou mais, a quantidade deDNA encontrada na maioria dos procariotos complexos. Alm disso, a estrutura deum gene eucaritico mais complexa do que a de um gene procaritico. A seqnciade aminocidos de uma protena procaritica a reflexo direta da seqncia deDNA do cromossomo. O DNA de um gene eucaritico que codifica uma protena,geralmente, dividido de tal forma que a seqncia completa de aminocidos daprotena derivada de segmentos descontnuos de DNA (Figura 1.2). O DNA entreos segmentos freqentemente contm seqncias que esto envolvidas na regulaodo momento e lugar em que o gene ativado.

Cromossomos eucariticos tambm so muito diferentes dos cromossomosprocariticos. O DNA eucaritico reveste complexos proticos especficos, chamadosnucleossomos, compostos por protenas histonas. Os nucleossomos organizam oDNA em estruturas compactas e so importantes na designao de qual gene ir seexpressar em qual clula. Nas bactrias no existem histonas. Mais ainda, clulaseucariticas sofrem mitose, na qual o tegumento nuclear se parte e os cromossomosreplicados so igualmente divididos entre as clulas filhas (Figura 1.3). Nos procariotos,a diviso celular no mittica; no se desenvolve o fuso mittico e, tambm, noexiste tegumento celular para se partir. Ao invs disso, os cromossomos filhos perma-necem ligados a pontos adjacentes na membrana celular. Esses pontos de ligao soseparados entre si pelo crescimento da membrana celular, e finalmente colocam oscromossomos em diferentes clulas filhas.

6 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

(A) CLULA PROCARITICA (B) CLULA EUCARITICA

Envoltrio nuclear

Genentron ntron

DNA1 2

xon xon xon1 2 3

NcleoTranscrio

TranscrioRNA nuclear

Processamento de RNA

mRNA

mRNA

TraduoCitoplasma Traduo

mRNA

Protena Protena

mRNA

Procariotos e eucariotos tm mecanismos diferentes de regulao do gene. Emambos, o DNA transcrito por enzimas chamadas RNA polimerases para produzirRNA. Quando o RNA mensageiro (mRNA) produzido nos procariotos, ele imedia-tamente traduzido em uma protena enquanto o seu outro terminal est sendo transcri-to do DNA (Figura 1.4). Sendo assim, nos procariotos, transcrio e traduo soeventos simultneos e coordenados. Mas a existncia de envoltrio nuclear emeucariotos proporciona a oportunidade de se obter um tipo de regulao celular total-mente novo. Os ribossomos, que so responsveis pela traduo, esto de um lado doenvoltrio nuclear, e o DNA e a RNA polimerase necessria para a transcrio esto dooutro. Entre a transcrio e a traduo, o RNA transcrito deve ser processado para quepossa passar atravs do envoltrio nuclear. A regulao pela qual o mRNA podepassar para o citoplasma, torna a clula capaz de selecionar quais das mensagensrecm-sintetizadas sero traduzidas. Assim, um novo nvel de complexidade foi adici-onado, que extremamente importante para o organismo em desenvolvimento.

Desenvolvimento entre eucariotos unicelulares

Todos os organismos eucariticos pluricelulares se desenvolveram de protistas uni-celulares. nesses protistas que as caractersticas bsicas do desenvolvimento apa-receram primeiro. Eucariotos simples nos deram os primeiros exemplos da morfognesedirecionada pelo ncleo, o uso da superfcie da clula para mediar cooperao entreclulas individuais e as primeiras ocorrncias de reproduo sexual.

Controle da Morfognese no Desenvolvimento emControle da Morfognese no Desenvolvimento emControle da Morfognese no Desenvolvimento emControle da Morfognese no Desenvolvimento emControle da Morfognese no Desenvolvimento em AcetabulriaAcetabulriaAcetabulriaAcetabulriaAcetabulriaH um sculo, ainda no havia sido provado se o ncleo continha alguma informaohereditria ou de desenvolvimento. Algumas das melhores evidncias para essa teoriavieram de estudos onde organismos unicelulares foram fragmentados em pedaos

Figura 1.2Figura 1.2Figura 1.2Figura 1.2Figura 1.2

Resumo dos passos pelos quais as protenasso sintetizadas a partir do DNA. (A) Ex-presso procaritica (bacteriana) do gene.Regies codificadoras do DNA so colinearescom o produto protico. (B) Expresso degenes eucariticos. Os genes so descontnuose um envoltrio nuclear separa o DNA docitoplasma.

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 7

Cromatdeos docromossomo

Ncleo Cromatina NucloloRegio do centrmero

Centrolos

Fuso emdesenvolvimento

Envoltrionuclear

sterEnvoltrio

nuclearrompeNuclolo

Cromossomos filhos

Interfase: DNA duplicado empreparao para a diviso celular.

Telfase:Os cromossomos atingemos plos mitticos e a clulacomea a invaginar.

Anfase:Os cromossomos duplicados(chamados cromatdeos) soseparados.

Metfase:Os cromossomos sealinham no equador da clula.

Prometfase:Os cromossomos seligam s fibras dos fusos.

Prfase:O envoltrio nuclearquebra e um fuso se formaentre dois centrolos.

nucleados e anucleados (reviso por Wilson, 1986). Quando vrios protistas foramfragmentados, quase todas as partes morreram. No entanto, os fragmentos que conti-nham ncleo foram capazes de sobreviver, regenerando todo a complexa estruturacelular (Figura 1.5)

O controle nuclear da morfognese celular e a interao do ncleo e citoplasmaesto muito bem demonstrados nos estudos da Acetabulria. Essa enorme clulaindividual (2 a 4 cm de comprimento) consiste de trs partes: o disco reprodutivo, opednculo e o rizide (Figura 1.6A). O rizide est localizado na base da clula ondeessa presa ao substrato. O ncleo individual da clula se localiza dentro do rizide. Otamanho da Acetabulria e a localizao do seu ncleo permitiram que pesquisadores

Figura 1.3Figura 1.3Figura 1.3Figura 1.3Figura 1.3

Diagrama de mitose em clulas animais. Du-rante a interfase o DNA duplicado em pre-parao para a diviso celular. Durante aprfase, o envoltrio nuclear quebra e for-ma-se um fuso entre os dois centrolos. Nametfase, os cromosssomos se alinham noequador da clula e se inicia a anfase, oscromossomos duplicados (cada duplicata decromossomo um cromatdeo) so separa-dos. Na telfase os cromossomos atingemos plos mitticos e a clula comea ainvaginar. Cada plo contm o mesmo nme-ro e tipos de cromossomos que continha aclula antes da diviso.

8 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

Corte

Ncleo

Corte

Fragmentoanucleado morre

Fragmentonucleadose regenera

Fragmentoanucleado morre

DNA Ribossomos RNA

removessem o ncleo de uma clula e o substitusse por outro, de outra clula. Nosanos 30, J. Hmmerling tirou proveito dessa singular caracterstica e trocou ncleosentre duas espcies morfologicamente distintas, A. mediterranea e A. crenulata. Como mostrado na fotografia, essas duas espcies tm discos reprodutivos muito diferen-tes. Hmmerling descobriu que quando um ncleo de uma determinada espcie eratransplantado para o pednculo de outra, o novo disco em formao finalmente assu-mia a forma associada com o ncleo do doador (Figura 1.6B). Assim, foi consideradoque o ncleo era o controlador do desenvolvimento da Acetabulria.

A formao de um disco reprodutivo um evento morfognico complexo, envol-vendo a sntese de um grande nmero de protenas, que devem ser acumuladas emcerta poro da clula e ento organizadas em estruturas complexas especficas daespcie. O ncleo transplantado da clula realmente direciona a sntese de seu discoreprodutivo espcie-especfico, mas uma tarefa que pode levar semanas para serrealizada. Alm disso, se o ncleo for removido da clula de Acetabulria em estgioinicial do desenvolvimento, antes de formar o disco reprodutivo, um disco normal seformar semanas depois, ainda que o organismo ir morrer. Esses estudos sugeremque (1) o ncleo contm informao especfica sobre o tipo de disco reprodutivoproduzido (isto , contm informao gentica que especifica as protenas necessri-as para a produo de um certo tipo de disco reprodutivo), e (2) o material contendoessa informao entra no citoplasma muito antes dessa produo ocorrer. A informa-o no citoplasma no ser usada por vrias semanas.

Figura 1.4Figura 1.4Figura 1.4Figura 1.4Figura 1.4Transcrio e traduo simultnea em procariotos. Uma poro de DNA de Escherichia coli seestende horizontalmente por essa microfotografia eletrnica. Transcries de RNA mensageiropodem ser vistas dos dois lados. Ribossomos se juntaram ao mRNA e esto sintetizandoprotenas (que no podem ser vistas). O mRNA pode ser visto aumentando de tamanho, daesquerda para a direita, indicando a direo da transcrio. (Cortesia de O. L. Miller, Jr.)

Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5Regenerao do fragmento nucleado do protista unicelularStylonychia. Os fragmentos anucleados sobrevivem por al-gum tempo, mas finalmente morrem.

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 9

(A)

(B)

Pednculo

Pednculo

Rizide Rizide

1 cm 1 cm

A. crenulata A. mediterranea

Ncleos transplantados

Ncleo Ncleo

Rizide

A estrutura do discoreprodutivo a do

ncleo doador

Discoreprodutivo

Discoreprodutivo

Uma hiptese atual, proposta para explicar essas observaes, que o ncleo sintetizaum mRNA estvel, posicionado em estado dormente no citoplasma at a formao dodisco reprodutivo. Essa hiptese amparada por uma observao publicada por Hmmerlingem 1934. Hmmerling fracionou uma Acetabulria jovem em diversas partes (Figura 1.7). Aporo com o ncleo finalmente formou um novo disco, conforme esperado; da mesmaforma o fez a extremidade apical do pednculo. No entanto, a parte intermediria do pedn-culo no formou o disco reprodutivo. Por isso, Hmmerling postulou (aproximadamente 30anos antes de sabermos da existncia do mRNA), que as instrues para a formao dodisco reprodutivo se originavam no ncleo, sendo de alguma forma guardadas dormen-tes prximo extremidade do pednculo. Muitos anos mais tarde, Kloppstech eSchweiger (1975) estabeleceram que o mRNA derivado do ncleo se acumula nessaregio. Ribonuclease, uma enzima que cliva RNA, inibe completamente a formao dodisco reprodutivo quando adicionada gua marinha na qual cresce a Acetabulria. Emclulas anucleadas, esse efeito permanente; uma vez que o RNA destrudo, no podemais haver a formao do disco reprodutivo. Em clulas nucleadas, no entanto, um novodisco pode ser formado aps a eliminao da ribonuclease, presumivelmente porque umnovo mRNA ento produzido pelo ncleo. Garcia e Dazy (1986) tambm demonstraramque a sntese da protena especialmente ativa no pice da Acetabulria.

Fica claro pela discusso anterior, que a transcrio nuclear tem um papel impor-tante na formao do disco reprodutivo da Acetabulria. Mas deve ser notado que o

Figura 1.6Figura 1.6Figura 1.6Figura 1.6Figura 1.6

(A) Acetabulria mediterranea (esquerda) e A.crenulata (direita). Cada unidade uma clula singu-lar. O rizide contm o ncleo. (B) Efeitos da troca dencleos entre duas espcies de Acetabulria. Ncleosforam transplantados para fragmentos de rizidesanucleados. Estruturas de A. crenulata esto sombre-adas; estruturas de A. mediterranea no esto som-breadas. (Fotografias cortesia de H. Harris.)

10 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

Extremidadeapical do

pednculo

Disco reprodutivo epednculo regenerados

Poro centraldo pednculo Sem regenerao

Rizidee ncleo

Regenerao total

citoplasma tambm cumpre uma parte essencial na formao desse disco. O mRNAno traduzido durante semanas, mesmo estando no citoplasma. Algo no citoplasmacontrola quando as mensagens devem ou no ser utilizadas. Portanto, a expresso dodisco reprodutivo controlada no somente pela transcrio nuclear como tambmpelo controle de traduo do RNA citoplasmtico. Nesse organismo unicelular, odesenvolvimento controlado em ambos estgios de transcrio e de traduo.

Diferenciao em Ameboflagelados Diferenciao em Ameboflagelados Diferenciao em Ameboflagelados Diferenciao em Ameboflagelados Diferenciao em Ameboflagelados NaegleriaNaegleriaNaegleriaNaegleriaNaegleriaUm dos casos mais marcantes de diferenciao em protistas, aquele de Naegleriagruberi. Esse organismo ocupa um lugar especial na taxonomia protista porque podemudar sua forma, de uma ameba para a de um flagelado (Figura 1.8). Durante a maiorparte do seu ciclo de vida, a N. gruberi uma ameba tpica, alimentando-se de bact-rias do solo e dividindo-se por ciso. No entanto, quando as bactrias so diludas(tanto pela gua da chuva quanto pela gua nos experimentos), cada N. gruberidesenvolve rapidamente uma forma aerodinmica e dois longos flagelos anteriores,que so usados para encontrar regies mais abundantes em bactrias. Nessas condi-es, ao invs de existirem diversos tipos de clulas diferenciadas em um nico orga-nismo, essa clula nica tem estruturas celular e bioqumica diferentes nos diferentesestgios de sua vida.

Diferenciao para a forma de flagelado ocorre aproximadamente em uma hora(Figura 1.9). Durante esse perodo, a ameba tem que criar centrolos para servir comocorpos basais do flagelo (centros organizadores de microtbulos), assim como criar oprprio flagelo. Os corpos basais e os flagelos so compostos de diversas protenas,das quais a mais abundante a tubulina. As molculas de tubulina so organizadas emmicrotbulos; esses so posteriormente arranjados para permitir o movimento flagelar.Fulton e Walsh (1980) mostraram que a tubulina dos flagelos de Naegleria no existe

Figura 1.7Figura 1.7Figura 1.7Figura 1.7Figura 1.7Habilidade regenerativa de diferentes fragmentos da A. mediterranea

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 11

(A) (B) (C) (D)

em seu estgio de ameba. produzida de novo (desde o comeo), comeando comuma nova transcrio no ncleo. Para mostrar isso, os pesquisadores manipularamtranscries em vrios estgios com actinomicina D, uma droga antibitica que seleti-vamente inibe a sntese do RNA. Quando adicionada anteriormente diluio doalimento, esse antibitico previne a sntese da tubulina. No entanto, se a actinomicinaD adicionada 20 minutos aps a diluio, a tubulina ainda produzida em temponormal (aproximadamente 30 minutos mais tarde). Portanto, parece que o mRNA paraa tubulina foi produzido durante os primeiros vinte minutos aps a diluio e usadologo em seguida. Essa interpretao foi confirmada quando foi demonstrado que omRNA extrado da ameba no continha mensagem alguma, detectvel para tubulinaflagelar, ao passo que mRNA extrado de clulas diferenciadas continha muitas mensa-gens desse tipo (Walsh, 1984).

Ento, temos aqui um excelente exemplo de controle transcricional de um proces-so de desenvolvimento: O ncleo da Naegleria responde a mudanas ambientaissintetizando o mRNA para tubulina flagelar. Notamos tambm um outro processo quepermanece extremamente importante no desenvolvimento de todos os outros animaise plantas, que o agrupamento de molculas de tubulina para a produo do flagelo.Esse arranjo, pelo qual a tubulina polimerizada em microtbulos, e esses por sua vezagrupados de forma ordenada, visto em toda a natureza. Em mamferos, est evidenteno flagelo do espermatozide e nos clios da medula espinhal e do trato respiratrio.Mais ainda, no somente a tubulina que produz o flagelo. Existem em torno de 300outras protenas em cada flagelo, e o movimento flagelar depende da orientao ade-quada dessas protenas uma em relao a outra. At mesmo processos celulares tm asua prpria morfognese baseada em interaes moleculares entre os fragmentosde protena. Tal controle ps-traduo, onde uma protena no funcional at queesteja ligada a outras molculas, ser discutido melhor mais tarde. Vimos ento, que odesenvolvimento em eucariotos unicelulares pode ser controlado nos estgios detranscrio, traduo e ps-traduo.

Figura 1.8Figura 1.8Figura 1.8Figura 1.8Figura 1.8Transformao de Naegleria gruberi da formaamebide ao estado flagelado. Linha superiorcorada com Iodo/Lugol; linha inferior coradacom um anticorpo fluorescente protena tu-bulina dos microtbulos. A transformao iniciada pela eliminao do alimento (bactri-as) da colnia de Naegleria. (A) 0 minutos;(B) 25 minutos, mostrando sntese de novatubulina; (C) 70 minutos, emergncia deflagelos visveis (D) 120 minutos, mostrandoflagelos maduros e forma aerodinmica do cor-po (de Walsh, 1984, cortesia de C. Walsh.)

12 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

Por

cent

agem

da

popu

la

o co

m f

lage

lo

Snt

ese

da tu

bulin

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flage

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ome

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Agru

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ento

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lulas

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Form

ao

de

corp

o

com

form

a fla

gelar

Flag

elos

alcan

am

com

prim

ento

tota

l

Tempo aps suspenso (minutos)

Clulas de corpo comforma flagelar

100

80

60

40

20

0

0 20 40 60 10080

As Origens da Reproduo SexualAs Origens da Reproduo SexualAs Origens da Reproduo SexualAs Origens da Reproduo SexualAs Origens da Reproduo SexualA reproduo sexual outra inveno dos protistas que teve um profundo efeito emorganismos mais complexos. Deve-se notar que sexo e reproduo so dois proces-sos separveis e distintos. A reproduo envolve a criao de novos indivduos.Sexo envolve a combinao de genes de dois indivduos distintos em um novoarranjo. Reproduo na ausncia de sexo uma caracterstica de organismos que sereproduzem por ciso; no h discriminao nos genes quando uma ameba se divideou quando uma hidra brota clulas para formar uma nova colnia. Sexo sem reprodu-o tambm comum entre os organismos unicelulares. As bactrias so capazes detransmitir genes de um indivduo para o outro por meio dos pilos sexuais (Figura1.10). Essa transmisso independente da reproduo. Protistas so tambm capa-zes de reorganizar genes sem reproduo. Os paramcios, por exemplo, se reprodu-zem por ciso, mas o sexo realizado atravs de conjugao. Quando dois paramciosse juntam, eles se unem atravs de seus aparelhos orais formando uma conexocitoplasmtica atravs da qual podem trocar material gentico (Figura 1.11). Cadamacroncleo (que controla o metabolismo do organismo) degenera enquanto omicroncleo passa por meiose para produzir oito microncleos haplides, dos quaistodos, exceto um, degeneram. O microncleo remanescente divide-se mais uma vezpara formar um microncleo estacionrio e um microncleo migratrio. Cadamicroncleo migratrio atravessa a ponte citoplasmtica e se funde com o microncleoestacionrio (fertilizante), criando um novo ncleo diplide em cada clula. Essencleo diplide se divide mitoticamente fazendo surgir um novo microncleo e umnovo macroncleo quando os dois parceiros se separam. Ainda que no tenhaocorrido reproduo, houve sexo.

Figura 1.9Figura 1.9Figura 1.9Figura 1.9Figura 1.9

Diferenciao do fentipo flagelado emNaegleria. Amebas que vinham crescendoem um meio enriquecido com bactria solavadas afim de se eliminar as bactrias notempo 0. Aos 80 minutos, praticamente todaa populao desenvolveu flagelo. (SegundoFulton, 1977.)

Figura 1.10Figura 1.10Figura 1.10Figura 1.10Figura 1.10Sexo em bactrias. Algumas clulas de bactri-as esto cobertas de numerosos apndices(pilos) sendo capazes de transmitir genes parauma clula recipiente (sem pilos) atravs deum pilus sexual. Nessa figura, o pilus sexualest realado por partculas virais que se ligamespecificamente quele estrutura. (Cortesia deC. C. Brinton, Jr. e J. Carnahan.)

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 13

Microncleo Fusomeitico

Macroncleo

Pontecitoplasmtica

Dois paramciosformam

ponte citoplasmtica

Microncleos passampor meiose, formando 8

ncleos haplides por clula;macroncleos degeneram

Todos menos umdos microncleos de

cada parceiro degeneram

Microncleoestacionrio

Microncleomigratrio

Ncleo diplide se forma esofre divises mitticas para

gerar um novo macroncleo edois microncleos quando os

paramcios se separam

Microncleo restante sedivide para formar um microncleo

estacionrio e um migratrio

Microncleos migratriosatravessam a ponte citoplasmtica

e fertilizam os microncleosestacionrios do parceiro

A unio desses dois processos distintos, sexo e reproduo, em reproduosexual, visto em eucariotos unicelulares. A Figura 1.12 mostra o ciclo de vida daChlamydomonas. Esse organismo geralmente haplide, portando apenas umacpia de cada cromossomo (como os gametas dos mamferos). Os indivduos decada espcie, no entanto, esto divididos em dois grupos de parceiros: mais emenos. Quando se encontram, juntam-se os citoplasmas e seus ncleos se fundempara formar um zigoto diplide. Esse zigoto a nica clula diplide do ciclo de vidae passar por meiose para formar quatro novas clulas de Chlamydomonas. Aquiest uma reproduo sexual, pois cromossomos so realinhados durante as divi-ses meiticas onde mais indivduos so formados. Note que nesse tipo de reprodu-o sexual protista, os gametas so morfologicamente idnticos e a distino entreespermatozide e vulo ainda no aconteceu.

Com a evoluo da reproduo sexual, dois importantes avanos foram alcana-dos. O primeiro o mecanismo da meiose (Figura 1.13), pelo qual o complementodiplide dos cromossomos reduzido ao estado haplide (discutido em detalhe noCaptulo 22). O outro avano o mecanismo pelo qual os parceiros reprodutivosdiferentes se reconhecem um ao outro. Em Chlamydomonas, o reconhecimento ocorreprimeiro nas membranas flagelares (Figura 1.14; Bergman et al., 1975; Goodenough eWeiss, 1975). A aglutinao dos flagelos permite que regies especficas das membra-nas celulares se juntem. Esses setores especializados contm componentesreprodutivos especficos que permitem a fuso dos citoplasmas. Seguindo-se aglutinao, os indivduos mais iniciam a fuso estendendo um tubo de fertilizao.

Figura 1.11Figura 1.11Figura 1.11Figura 1.11Figura 1.11Unio de paramcios atravs da ponte citoplasmtica, onde dois paramcios podem trocarmaterial gentico, deixando cada um com genes que diferem daqueles com os quais iniciaram oprocesso. (Strickberger, 1985.)

14 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

Reproduo assexual (mittica)

Parceiro tipo mais(haplide)

Parceiro tipo menos(haplide)

Reproduosexual

Acasalamento

Fuso citoplasmtica

Zigoto (diplide)

Maturao (meiose)

Germinao

Dois parceiros tipo mais e tipo menos

Figura 1.12Figura 1.12Figura 1.12Figura 1.12Figura 1.12

Reproduo sexual em Chlamydomonas. Duaslinhagens, ambas haplides, podem se repro-duzir assexuadamente quando separadas. Res-peitando certas condies, os dois cordespodem se unir para produzir uma cluladiplide que pode sofrer meiose para formarquatro novos organismos haplides. (SegundoStrickberger, 1985.)

Figura 1.13Figura 1.13Figura 1.13Figura 1.13Figura 1.13

Sumrio da meiose. O DNA e as protenas associadas replicam durante a interfase. Durante aprfase, o envoltrio nuclear se rompe e os cromossomos homlogos (cada cromossomo duplicado, com os cromatdeos juntos no centrmero) se alinham em pares. Reagrupamentoscromossmicos podem ocorrer entre quatro cromatdeos homlogos nesse estgio. Aps aprimeira metfase, os dois cromossomos homlogos originais so segregados em clulas dife-rentes. Durante a segunda diviso, o centrmero se divide, deixando cada nova clula com umacpia de cada cromossomo.

Envoltrionuclear Cromatina

Cromossomoshomlogos

Cromatdeoshomlogos

Ncleo

Interfase Prfase I precoce Meia prfase I Prfase I tardia Metfase I

MEIOSE I

O envoltrio nuclear se rompe e cromossomos homlogos (cada cromossomosendo duplo, com os cromatdeos ligados no centrmero) se alinham aos pares.Rearranjos cromossmicos podem ocorrer entre os quatro cromatdeos homlo-gos neste momento.

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 15

Microfilamentos

(B)(A)

Esse tubo conecta e se funde com um local especfico no indivduo menos. interes-sante que o mecanismo usado para estender esse tubo - polimerizao da protenaactina - tambm usado para estender processos do espermatozide e vulo doourio-do-mar. No Captulo 4, veremos que o reconhecimento e fuso de espermato-zide e vulo ocorrem de uma maneira espantosamente semelhante a desses protistas.

Eucariotos unicelulares parecem ter os elementos bsicos do processo de desen-volvimento que caracterizam os organismos mais complexos: a sntese celular con-trolada pela regulao transcricional, por traduo e ps-traduo; existe um mecanis-mo para processar o RNA atravs da membrana nuclear; as estruturas de genes indi-viduais e cromossomos so como sero atravs da evoluo eucaritica; mitose emeiose so aperfeioadas; e a reproduo sexual existe, envolvendo a cooperaoentre clulas individuais.Tal cooperao intercelular se torna ainda mais importantecom a evoluo de organismos multicelulares.

Figura 1.14Figura 1.14Figura 1.14Figura 1.14Figura 1.14

Duas etapas do reconhecimento no acasala-mento de Chlamydomonas. (A) Varredura pormicrografia eletrnica (7000x) de par em aca-salamento. Os flagelos que interagem, torcem-se um em torno do outro, aderindo nas pontas(flexas). (B) Microfotografia eletrnica detransmisso (20.000x) de uma ponte citoplas-mtica conectando os dois organismos. Osmicrofilamentos se estendem da clula doado-ra (abaixo) para a clula recipiente (acima). (deGoodenough e Weiss, 1975 e Bergman et al.,1975; com permisso de U. Goodenough.)

Anfase I Telfase I Metfase II Anfase II Telfase II

Os dois cromossomoshomlogos originais so

segregados em clulasdiferentes

O centrmero se divide Cada nova clula temuma cpia de cada

cromossomo

MEIOSE II

16 PARTE I Introduo Biologia do Desenvolvimento

(A) (C)(B)

(D) (E) (F)

Eucariotos coloniais: A evoluo da diferenciao

Um dos mais importantes experimentos da evoluo foi a criao de organismospluricelulares. Parece ter havido diversos caminhos pelo qual uma nica clula evo-luiu para uma disposio pluricelular; discutiremos apenas dois deles (veja o Captulo23 para uma discusso mais completa). O primeiro caminho envolve a diviso ordena-da da clula reprodutiva e a subseqente diferenciao da sua prognie em diferentestipos de clulas. Esse caminho para a multicelularidade pode ser visto em uma notvelsrie de organismos pluricelulares, coletivamente referidos como a famlia dasVolvocaceas ou volvocaceanas.

As VolvocaceanasOs organismos mais simples entre as volvocaceanas so reunies ordenadas de nu-merosas clulas, cada uma parecida ao protista unicelular Chlamydomonas. Um nicoorganismo de volvocacea do gnero Gonium (Figura 1.15), por exemplo, consiste deuma placa plana contendo de 4 a 16 clulas, cada uma com seu prprio flagelo. Em umgnero relacionado, Pandorina, 16 clulas formam uma esfera; e no Eudorina, a esfe-ra contm 32 ou 64 clulas organizadas em um padro regular. Nesses organismos, umprincpio muito importante tem-se desenvolvido: a diviso ordenada de uma clulapara gerar um nmero de clulas que so organizadas de uma maneira previsvel.Como ocorre na maioria dos embries animais, as divises celulares pelo qual umanica clula de volvocacea produz um organismo de 4 a 64 clulas ocorrem em umaseqncia muito rpida e com ausncia de crescimento celular.

Os dois prximos gneros da srie volvocacea exibem um outro princpio impor-tante do desenvolvimento: a diferenciao de tipos celulares em organismo indivi-dual. As clulas reprodutivas se diferenciam das clulas somticas. Em todos osgneros j mencionados, toda a clula pode, e normalmente o faz, produzir um organis-mo novo completo por mitose (Figura 1.16 A,B). Nos gneros Pleodorina e Volvox,porm, relativamente poucas clulas podem se reproduzir. Na Pleodorina californica,as clulas da regio anterior so restritas uma funo somtica; somente aquelas

Figura 1.15Figura 1.15Figura 1.15Figura 1.15Figura 1.15Representante da ordem dos Volvocales. (A)o protista unicelular Chlamydomonas rei-nhardtii. (B) Gonium pectorale com oito c-lulas Chlamydomonas-smiles em um discoconvexo. (C) Pandorina morum. (D) Eudo-rina elegans. (E) Pleodorina californica. Aquitodas as 64 clulas so originalmente simila-res, mas as posteriores desdiferenciam e redi-ferenciam como clulas assexuadas reprodu-tivas chamadas gondios, enquanto as clulasanteriores permanecem pequenas e biflagela-das, como o Chlamydomonas. (F) Volvoxcarteri. Aqui, clulas destinadas a se torna-rem gondios so separadas no comeo dodesenvolvimento e nunca desenvolvem carac-tersticas somticas. As clulas menores,somticas, lembram Chlamydomonas. Todas,menos o Chlamydomonas, so membros dafamlia das Volvocaceas. A complexidade au-menta do Chlamydomonas unicelular aoVolvox pluricelular. Barra em A de 5m; B-D, 25m; E, F, 50m (Cortesia de D. Kirk.)

CAPTULO 1 Introduo ao Desenvolvimento Animal 17

(A) (C)(B)

clulas do lado posterior podem se reproduzir. Em P. californica, a colnia normalmen-te tem 128 ou 64 clulas, e a relao do nmero de clulas somticas para o nmero declulas reprodutivas normalmente 3:5. Dessa maneira, uma tpica colnia de 128clulas tem 48 clulas somticas e uma colnia de 64 clulas tem 24 clulas somticas.

Nos Volvox, quase todas clulas so somticas, e muito poucas clulas so capa-zes de produzir novos indivduos. Em algumas espcies de Volvox, clulas reproduti-vas como as da Pleodorina, so derivadas de clulas que originalmente parecem efuncionam como clulas somticas antes de crescer e se dividir para formarem umanova prognie. No entanto, em outros membros do gnero, como o V. carteri, existeuma diviso do trabalho completa: as clulas reprodutivas que vo criar a nova gera-o so colocadas de lado durante a diviso das clulas reprodutivas que estoformando um novo indivduo. As clulas reprodutivas nunca desenvolvem um flagelofuncional e nunca contribuem para motilidade e outras funes somticas do indiv-duo; so inteiramente especializadas para reproduo. Ainda que as volvocaceasmais simples sejam consideradas organismos coloniais (porque cada clula capaz deexistncia independente e perpetuao da espcie), no V. carteri temos um organismoverdadeiramente celular com dois tipos de clulas independentes e distintos (somticoe reprodutivo), ambos requeridos para a perpetuao da espcie (Figura 1.16C). Embo-ra nem todos os animais separem suas clulas reprodutivas das clulas somticas (eas plantas raramente o fazem), essa separao de clulas germinativas das clulassomticas no incio do desenvolvimento caracterstica de muitos filos animais e serdiscutida em maior detalhe no Captulo 13.

Embora todas as volvocaceas, incluindo seu parente unicelular Chlamydomo-nas, se reproduzam predominantemente por meios assexuados, tambm so capazesde reproduo sexual. Isso envolve a produo e fuso de gametas haplides. Emmuitas espcies de Chlamydomonas, incluindo a ilustrada na Figura 1.12, a reprodu-o sexual isogmica, j que os gametas haplides que se encontram so similaresem tamanho, estrutura e motilidade. No entanto, em outras espcies de Chlamydo-monas - assim como as vrias espcies de volvocaceas coloniais - gameta