Como um organismo passa de uma única célula para algo tão complexo como um sapo, mosca ou humano? Aprenda os princípios básicos do desenvolvimento.

Pontos Principais:

  • Um organismo multicelular desenvolve-se a partir de uma célula única (o zigoto) em um conjunto de vários tipos diferentes de células, organizadas em tecidos e órgãos.
  • O desenvolvimento envolve a divisão celular, a formação do eixo do corpo, o desenvolvimento de tecidos e órgãos e a diferenciação celular (resultando na identidade de cada tipo celular).
  • Durante o desenvolvimento, as células utilizam tanto as informações intrínsecas, ou herdadas, como os sinais extrínsecos dos vizinhos para "decidir" sobre seu comportamento e identidade.
  • Geralmente, conforme o desenvolvimento avança, as células ficam com seu potencial de desenvolvimento cada vez mais restritos (tipos de células que elas podem produzir).

Introdução

Você, meu caro leitor, é uma coleção ambulante, pensante e falante de mais de 3030 trilheso˜\text{trilhões} células1^1. Mas você nem sempre foi tão grande e complexo. Na realidade, você (como qualquer outro ser humano no planeta) começou como uma célula - um zigoto, ou o produto da fertilização. Então, como foi formado esse complexo tão fantástico que é o seu corpo?

Desenvolvimento: panorama geral

Durante o desenvolvimento, o ser humano ou outro organismo multicelular passa por uma incrível transformação, tão dramática quanto a metamorfose da lagarta transformando-se em borboleta. No curso de horas, dias ou meses, o organismo transforma-se de uma simples célula chamada zigoto (produto da união entre o esperma e o óvulo) num enorme conjunto organizado de células, tecidos e órgãos.
Conforme o embrião se desenvolve, suas células dividem-se, crescem e migram de acordo com padrões específicos para formar um corpo cada vez mais elaborado. Para funcionar corretamente, esse corpo precisa ter eixos bem definidos (ex. da cabeça a cauda). Ele também precisa de um conjunto específico de órgãos multicelulares e outras estruturas posicionados corretamente em lugares determinados ao longo dos eixos e devidamente conectados entre si.
As células do corpo também se especializam em muitas outras células funcionalmente diferentes, conforme o desenvolvimento prossegue. Seu corpo (ou mesmo de um recém nascido) contém uma ampla gama de tipos celulares, de neurônios a células hepáticas e células sanguíneas. Cada um desses tipos celulares é encontrado apenas em partes específicas do corpo - nos tecidos de determinados órgãos - onde sua função é necessária.
Como ocorre esta intrincada dança das células? O desenvolvimento é controlado principalmente pelos genes. As células maduras do corpo, tipo os neurônios e as células hepáticas, expressam grupos diferentes de genes que lhes conferem propriedades e funções específicas. Da mesma forma, as células durante o desenvolvimento também expressam grupos específicos de genes. Esses padrões de expressão gênica orientam o comportamento das células e permitem sua comunicação com as células vizinhas, coordenando o desenvolvimento.
Neste artigo e nos seguintes, estudaremos mais profundamente os princípios do desenvolvimento e alguns exemplos.

Processos básicos do desenvolvimento

Organismos diferentes desenvolvem-se de formas diferentes, mas há alguns aspectos básicos que devem ocorrer durante o desenvolvimento embrionário de quase todos os organismos:
  • O número de células deve aumentar através da divisão
  • Devem ser formados os eixos do corpo (cabeça-cauda, direito-esquerdo, etc.)
  • Os tecidos devem ser formados e os órgãos e estruturas devem assumir suas formas
  • As células individuais devem adquirir a identidade dos tipos celulares finais (p. ex. neurônios)
Esclarecendo, esses processos não são eventos separados que acontecem um após o outro. Ao contrário, eles acontecem simultaneamente durante o desenvolvimento embrionário.
Por exemplo, os diversos eixos do corpo (ex. cabeça-cauda e esquerdo-direito) são configurados em tempos diferentes durante o desenvolvimento inicial, enquanto que as células do embrião ficam se dividindo na retaguarda. Da mesma forma, a formação de um órgão necessita da divisão celular para a construção do órgão, como também da diferenciação (células assumindo suas identidades finais) para assegurar que as células corretas componham as partes corretas do órgão.

Fontes de informação para o desenvolvimento

Como as células sabem o que devem fazer no desenvolvimento? Isto é, como a célula sabe quando e como migrar, dividir-se ou se diferenciar? De forma geral, há dois tipos de informação que guiam o comportamento celular:
  • Informação Intrínseca (sucessória), que é herdada da célula mãe através da divisão celular. Por exemplo, a célula herda moléculas que "informam" que ela pertence à linhagem neural do organismo, produtora de células nervosas.
  • Informação extrínseca (posicional), que é recebida das células vizinhas. Por exemplo, uma célula pode receber sinais químicos de uma vizinha que a instrui para se tornar um tipo particular de célula fotorreceptora (neurônio detector de luz).
Durante o desenvolvimento, geralmente as células usam as informações intrínsecas e extrínsecas para tomar decisões acerca de suas identidades e comportamento. Obviamente elas não pensam para tomar "decisões" como as pessoas fazem! Na verdade, as células tomam decisões da mesma forma que uma calculadora ou computador; neste caso usando genes e proteínas para executar operações lógicas que calculam a melhor resposta.

Diferenciação, determinação e as células tronco

Ao longo do desenvolvimento, as células tendem a se tornar cada vez mais restritas quanto ao seu "potencial de desenvolvimento." 3^3 Ou seja, a variedade de tipos de células que elas podem produzir por divisão celular (ou transformação direta) fica cada vez mais reduzida.
Por exemplo, um zigoto humano pode dar origem a todos os tipos de células do corpo humano, assim como das células que compõem a placenta. Usando o termo técnico da citologia, o zigoto é totipotente porque tem essa capacidade de originar todos os tipos de células do corpo e da placenta. Porém, após múltiplas rodadas de divisão, as células do embrião perdem essa capacidade de originar células da placenta e assumem um potencial mais restrito (pluripotente)4^4. Essas alterações devem-se às alterações no conjunto de genes expressos nas células.
Posteriormente as células do embrião dividem-se em três grupos diferentes conhecidos como camadas germinativas: mesoderme, endoderme e ectoderme. Cada camada germinativa dará origem, sob condições normais, ao seu próprio conjunto específico de tecidos e órgãos.
Conforme as células da camada germinativa continuam a se dividir, interagindo com suas vizinhas e lendo sua própria informação interna, suas "opções" de destino celular ficam cada vez mais reduzidas. Inicialmente as células são especificadas, isto é, selecionadas para um determinado destino, mas são capazes de mudar se receberem um determinado sinal. Depois, as células são determinadas, ou seja, ficam irreversivelmente comprometidas com um determinado destino. Uma vez determinada, mesmo se for movida para um novo ambiente, a célula irá se diferenciar somente como o tipo de célula com o qual está comprometida5^5.
Enfim, a maioria das células do corpo diferencia-se, ou assume uma identidade final estável. Os exemplos de células diferenciadas no corpo humano incluem os neurônios, as células que revestem o intestino e os macrófagos do sistema imunológico, que devoram as bactérias invasoras. Cada tipo de célula diferenciada tem um padrão de expressão gênica que ela mantém estável. Os genes expressos em cada tipo celular especificam as proteínas e RNAs funcionais necessários para cada tipo em particular, conferindo às células a estrutura e funcionamento correto para executarem sua tarefa.
Por exemplo, o diagrama acima mostra dois genes que são expressos distintamente na célula hepática e no neurônio. O gene que codifica parte de uma enzima que quebra o álcool e outras toxinas se expressa apenas na célula hepática (e não no neurônio). O outro gene, que codifica um neurotransmissor, se expressa apenas no neurônio (e não na célula hepática). Existem muitos outros genes que são expressos distintamente nesses dois tipos celulares.

Células tronco adultas

Nem todas as células do corpo humano se diferenciam. Algumas células no humano adulto conservam a capacidade de se dividir e produzir outros tipos celulares. Entre elas estão as células tronco adultas, que geralmente são multipotentes: elas podem produzir mais de um tipo celular, mas não uma grande variedade de tipos celulares4^4. Por exemplo, as células tronco hematopoiéticas na medula óssea podem dar origem a todos os tipos celulares do sistema sanguíneo (mostrado abaixo), mas não a outros tipos celulares como neurônios ou células da pele.
A principal característica das células tronco é a sua divisão celular assimétrica, produzindo duas células irmãs diferentes entre si. Uma célula irmã permanece como célula tronco, num processo chamado autorrenovação (no qual a célula em divisão "renova-se" produzindo uma filha funcionalmente idêntica). A outra célula irmã assume uma identidade diferente, diferenciando-se diretamente num tipo celular necessário ou sofrendo divisões adicionais para produzir mais células.
Você pode aprender mais sobre desenvolvimento e obter mais exemplos dos princípios e processos nos seguintes artigos:
  • Desenvolvimento dos sapos: saiba mais sobre o desenvolvimento inicial dos sapos. Bônus: veja um experimento que faz uma salamandra de duas cabeças!
  • Genes homeóticos: aprenda mais sobre os genes "reguladores mestres" que especificam todos os segmentos e estruturas do corpo. Bônus: veja uma mosca com pernas crescendo na cabeça!
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