Como se forma um sapo a partir de uma única célula? Aprenda como os eixos corporais são estabelecidos e o tecido nervoso é induzido em embriões de sapos.

Principais pontos

  • A rã-de-unhas-africana, Xenopus laevis, é um organismo modelo popularmente estudado por muitos biólogos do desenvolvimento.
  • O óvulo de uma rã Xenopus é pré padronizado pela rã mãe com mRNA\text{RNA}s e proteínas distribuídas desigualmente entre suas duas metades.
  • Os eixos corporais iniciam sua formação quando o espermatozoide entra no óvulo, estabelecendo o eixo dorso-ventral — costas-abdômen — e uma região chamada crescente cinzento.
  • O crescente cinzento se torna o organizador de Spemann, um centro sinalizador que "conversa" com outros tecidos para conduzir o desenvolvimento. Transplantes de um organizador extra em um embrião de tritão resulta em dois tritões unidos pelo abdômen!
  • A sinalização pelo organizador de Spemann é um exemplo clássico de indução, um processo pelo qual um tecido envia sinais para mudar o desenvolvimento de outro.

Introdução

Quando você era mais jovem, alguma vez criou rãs em um aquário? Tenho memórias vívidas de observar girinos eclodirem e metamorfosearem-se em adultos, um processo que eu achava ao mesmo tempo meio nojento e totalmente maravilhoso.
Na verdade, eu ainda sinto aquela combinação de sensações a respeito de muitas coisas da biologia do desenvolvimento—estando as rãs envolvidas ou não! No estudo do desenvolvimento, muitos experimentos envolvem dissecar, injetar, analisar, ou manipular de algum modo pedaços muito pequenos de tecidos em desenvolvimento com resultados que são muitas vezes bastante bizarros—como um tritão de duas cabeças ou uma rã que se desenvolve como uma gota de células misteriosas.
Entretanto, estes experimentos são o único modo pelo qual podemos descobrir a complexa rede de genes que programam o desenvolvimento dos seres vivos. Em uma série de eventos em cascata, amplamente auto-organizadores, estas redes coordenam e realizam o desenvolvimento de um organismo complexo a partir de uma única célula. De um ponto de vista mais prático, o desenvolvimento frequentemente está ligado a doenças—por exemplo, células cancerosas humanas reativam muitos genes iniciais do desenvolvimento.1^1
Como mencionado no artigo introdução ao desenvolvimento, o desenvolvimento embrionário de praticamente qualquer organismo envolve processos como divisão celular, o estabelecimento de eixos—como o eixo antero-posterior—a formação de tecidos e órgãos, e a diferenciação celular. Neste artigo, nós veremos exemplos desses processos em rãs, embora provavelmente não o tipo de rãs que você teria criado em um aquário quando criança!

Xenopus: nossa amiga rã-de-unhas-africana

Para tornar o processo do desenvolvimento um pouco mais concreto, vamos considerar um exemplo: nossa amiga rã. Para ser mais exato, vamos usar uma rã que é a favorita dos biólogos do desenvolvimento: Xenopus laevis, ou a rã-de-unhas-africana. Esse nome estranho é pronunciado como ZEN-oh-puss LAY-vis.
Xenopus tem um ciclo de vida relativamente típico de uma rã. Uma rã fêmea põe óvulos na água, os quais são fertilizados por espermatozóides da rã macho. O zigoto resultante passa por desenvolvimento embrionário para se tornar um girino de vida livre, que então passa por metamorfose se tornando uma rã adulta—por exemplo, perdendo sua cauda através de morte celular programada, ou apoptose.
Como embriões de Xenopus se desenvolvem fora do corpo da mãe, seu desenvolvimento é muito mais fácil de observar do que, por exemplo, o desenvolvimento embrionário de um mamífero.2^2 Na verdade, eu lembro de um dos meus professores nos dizendo que você poderia espremer um sapo Xenopus fêmea "como um tubo de pasta de dente" para obter óvulos para experimentos! Os óvulos podem ser inseminados artificialmente com espermatozoides de um Xenopus macho, e cientistas podem observar enquanto eles se desenvolvem numa placa.
Vamos ver algumas partes selecionadas do desenvolvimento embrionário dos Xenopus para ver como elas ilustram alguns dos processos básicos de desenvolvimento.

Divisão celular e formação axial

Nas rãs, o óvulo é uma célula maciça — muito maior do que uma célula normal de rã — e apresenta uma distribuição desigual de várias moléculas, que são depositadas no ovo pela mãe rã antes da fertilização.3,4^{3,4} Essa assimetria ainda é visível no ovo: ele tem uma parte superior escura — chamada pólo animal — e uma parte inferior de vitelo claro — chamada pólo vegetal. Muitas proteínas da mãe rã e RNA\text{RNA}ms são distribuídos desigualmente entre os pólos vegetal e animal.
O sinal fundamental que dá início ao desenvolvimento embrionário é a entrada do espermatozoide no óvulo, o que pode ocorrer em qualquer lugar na parte superior de cor escura, ou pólo animal.5^5 O espermatozoide fornece seu genoma, o que, por si só, é fundamental para o desenvolvimento! No entanto, o espermatozoide também atua como um sinal posicional que configura um novo eixo no embrião — o eixo dorso-ventral, ou costas-abdômen.5^5
Como isso funciona? Quando o espermatozoide entra no óvulo, o citoplasma na borda do óvulo, chamado citoplasma cortical, gira 30 graus em direção ao local de entrada do espermatozoide.5^5 A rotação expõe uma porção embaixo do citoplasma, às vezes produzindo uma zona visível de cor mais clara chamada de crescente cinzento.6^6
O crescente cinzento corresponde ao futuro lado dorsal, ou costas, do embrião, enquanto o local de entrada do espermatozoide corresponde ao lado ventral, ou abdômen.
O que a rotação do citoplasma faz para estabelecer esse eixo? A ideia básica é que as moléculas que especificam o destino dorsal, ou costas — que, inicialmente, estão localizadas no citoplasma cortical do vitelo na parte inferior do ovo — se deslocam para cima, para o pólo animal do zigoto.8^8 Lá, elas são colocadas em contato com outros fatores moleculares — diferentes dos do citoplasma próximo ao pólo vegetal — desencadeando eventos que levarão ao destino dorsal.
Neste momento, ainda estamos olhando para um zigoto enorme. Então, de onde vem essas células que estamos falando? Um embrião Xenopus é basicamente uma máquina de divisão celular. Através de vários ciclos repetidos de divisão celular, o zigoto - com os seus RNA\text{RNA}ms e proteínas da mãe distribuídos desigualmente, incluindo aquelas deslocadas durante a rotação cortical - é cortado em inúmeras células menores. As células de diferentes regiões do embrião herdam diferentes RNA\text{RNA}ms e proteínas, que lhes permite assumir diferentes identidades e comportamentos.4^4

Fabricando tecidos e órgãos

Como é que o nossa amiga rã passa de uma bola de células para algo mais parecido com, digamos, uma rã? O girino formado na embriogênese é o resultado de um enorme número de genes expressos em padrões específicos e do produto de suas proteínas interagindo de diferentes maneiras para configurar outros padrões de expressão gênica. Um embrião de rã é um sistema maravilhoso, auto-organizado, em que um evento molecular ativa outro em uma cascata no tempo e no espaço.10^{10}
A compreensão de todos esses eventos seria trabalho para uma vida inteira—portanto, não vamos tentar fazê-lo neste artigo! Na verdade, até mesmo os melhores biólogos do desenvolvimento estão muito longe de compreender como uma rã se desenvolve com detalhes moleculares completos e em technicolor. No entanto, podemos ver um exemplo clássico de eventos em cascata em desenvolvimento observando o comportamento das células em uma área particular do embrião—a área que se desenvolve a partir do crescente cinzento.

Estudo de caso: o organizador de Spemann-Mangold

O que acontece com crescente cinzento que vimos no zigoto? Vamos rastrear onde o citoplasma desta área termina em dois estágios posteriores: blástula e gástrula.
A blástula é uma bola de células com uma cavidade no meio. Nela, as células do crescente cinzento se encontram agrupadas em um dos lados do embrião, o dorsal. É exatamente lá onde se encontrava o crescente cinzento no zigoto.
No estágio de gástrula, entretanto, essas células fazem algo ainda mais interessante: elas começam a migrar para o interior do embrião, fazendo com que o tecido se dobre para dentro. O local onde as células realizam a migração para o interior do embrião é chamado de blastóporo, e as células do crescente cinzento compõem seu lábio dorsal.
Qual seria o propósito de toda essa complexa migração celular? Por um lado, é fundamental para formar múltiplas camadas de tecido no embrião. Mas não se trata somente de criar mais camadas; se trata também de células de diferentes tecidos "conversarem" umas com as outras e, em alguns casos, mudar os destino umas das outras. Por exemplo, sabemos agora que as células que migram para o interior instruem as células acima, um tipo de tecido chamado ectoderme, a se desenvolverem em tecido neural — sistema nervoso.
Essa interação foi descoberta nos anos 1920 por Hans Spemann e Hilde Mangold, no que é agora um dos mais clássicos experimentos da embriologia. Spemann e Mangold retiraram o lábio dorsal do blastóporo de um embrião de tritão de cor clara e o transplantaram no abdômen, ou lado ventral, de um embrião de tritão de cor escura. Este foi um experimento que demandou muita técnica, e Mangold trabalhou nele por anos até obter sucesso em cinco embriões!13^{13}
Normalmente, o tecido transplantado se transformaria em pele no abdômen do tritão, o lado ventral. Entretanto, quando o pedaço do lábio dorsal do blastóporo foi transplantado, suas células migraram para dentro, criando um segundo local de gastrulação funcional, oposto ao normal.14^{14} Uma nova placa neural — a precursora da medula espinhal e do cérebro — apareceu nesse segundo local de gastrulação. Ao final, um segundo tritão inteiro foi formado a partir do abdômen do original!
O que aconteceu exatamente nesse experimento? Havia duas possibilidades básicas de como o tecido transplantado poderia ter levado à formação do segundo tritão:
  • O tecido transplantado poderia ter desenvolvido o segundo tritão por si só, construindo suas estruturas a partir de um pequeno grupo de células transplantadas.
  • O tecido transplantado poderia ter "conversado" com as camadas de tecido receptor ao seu redor, organizando seu comportamento de modo que elas — juntamente com as células transplantadas — se coordenassem para formar um segundo tritão.
Graças ao uso de tritões de cores diferentes como doadores e receptores, Mangold e Spemann foram capazes de identificar qual possibilidade estava correta. As estruturas encontradas no corpo do segundo tritão consistiam em algumas células do doador — tritão claro — mas, principalmente, de células do receptor — tritão escuro, significando que as células no tecido transplantado devem ter "conversado" com as células do receptor ao redor e as induzido a mudar seu comportamento.16^{16} Este é um exemplo clássico de indução, na qual a célula ou tecido se comunica com as células vizinhas para alterar seu desenvolvimento.
Hoje, as células do lábio dorsal do blastóporo e suas descendentes são chamadas de organizador de Spemann-Mangold. Dois papéis fundamentais deste organizador são especificar o lado dorsal — costas, ao invés de abdômen — e fazer com que a ectoderme próxima se transforme em tecido neural. Entretanto, o organizador também guia o desenvolvimento do eixo antero-posterior e outros processos.14^{14}
É importante ressaltar que o organizador por si só não guia diretamente o desenvolvimento do tritão inteiro. Ou seja, ele não manipula as cordas, por assim dizer, que fazem cada neurônio do cérebro do tritão ou cada fotorreceptor de seus olhos se desenvolverem. Em vez disto, ele inicia uma reação em cadeia de eventos de indução molecular que levam, como dominós, à formação de muitas estruturas complexas do corpo do tritão — ou, no caso do transplante, ao corpo de um segundo tritão!14^{14}
O organizador atua, em grande parte, liberando proteínas secretadas que se difundem nos tecidos adjacentes e afetam seu comportamento. Por exemplo, alguns tipos de proteínas liberadas pelo organizador se ligam e neutralizam outras proteínas secretadas, o que instrui as células a se desenvolverem como pele. Ao interferir com o estímulo de "Se desenvolva como pele!”, os sinais do organizador permitem que o tecido sobrejacente se desenvolva como tecido neural, o qual na verdade é seu caminho padrão.10,15^{10,15}
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