Os genes homeóticos controlam o desenvolvimento de segmentos do corpo ou estruturas. Quando eles são hiperativos ou em falta, coisas estranhas podem acontecer!

Principais pontos

  • Genes homeóticos são genes reguladores mestres que dirigem o desenvolvimento de determinados segmentos ou estruturas do corpo.
  • Quando os genes homeóticos são superativados ou inativados por mutações, as estruturas do corpo podem se desenvolver em lugares errados - às vezes, de forma dramática!
  • A maioria dos genes homeóticos de animais codifica o fator de transcrição de proteínas que contém uma região chamada homeodomínio e são chamados genes Hox.
  • Genes Hox são ativados por uma cascata de genes reguladores; as proteínas codificadas por genes iniciais regulam a expressão dos genes tardios.
  • Genes Hox são encontrados em muitos animais, incluindo a mosca-das-frutas, camundongos e humanos. Mutações nos genes Hox em humanos podem causar doenças genéticas.

Introdução

Quantas pernas tem uma mosca-da-fruta? Mesmo que você não se interesse muito por moscas-da-fruta, você deve saber que os insetos tendem a ter seis pernas no total - comparado às oito pernas das aranhas, por exemplo. Você deve ter notado também, que as pernas das moscas surgem das partes do meio do corpo - o tórax - e não de sua cabeça, por assim dizer.
Crédito da imagem: modificado de Drosophila melanogaster, por Madboy74 (CC0/public domain)
O que é responsável por esta organização ordenada das partes do corpo em algo tão pequeno quanto uma mosca? Como se pode ver, um conjunto de genes reguladores são expressos nas diferentes regiões do corpo de uma mosca durante o desenvolvimento. Esses genes ativam o programa genético correto para o desenvolvimento de cada sessão do corpo. Eles certificam, por exemplo, que o tórax das moscas tenham as pernas, e não a cabeça.
Nesse artigo, veremos mais de perto esses e outros genes homeóticos, também chamados de genes seletores. Por definição, esses são genes que "selecionam" a identidade de segmentos inteiros ou estruturas nos corpos de organismos em desenvolvimento.

Mutações homeóticas nas moscas-das-frutas

Genes homeóticos são responsáveis por determinar a identidade de segmentos específicos ou estruturas do corpo. Então, quando genes homeóticos são inativados ou expressos em locais não usuais devido a mutações, eles podem transformar a identidade de um segmento em outro - e às vezes de maneira surpreendente!
Por exemplo, vamos dar uma olhada no gene chamado Antennapedia. Normalmente, Antennapedia é expresso onde será o segundo segmento do tórax da mosca, iniciando quando a mosca ainda é um pequeno embrião e persistindo até a vida adulta. Ali, o gene atua como um regulador mestre, ativando o programa genético que produz o segundo par de pernas e outras estruturas segmento-específicas.
Crédito da imagem: modificado de Hox genes of fruit fly, por PhiLiP, domínio público
Se Antennapedia é expresso onde é suposto e faz seu trabalho, nós temos uma mosca de aparência normal com todos os seus apêndices no lugar correto. Mas o que acontece se a mutação genética faz a expressão do gene Antennapedia expandir para a cabeça da mosca? Esse tipo de mutação faz crescer pernas no lugar de antenas na cabeça! Em outras palavras, o gene ativa seu programa de desenvolvimento normal de perna do segundo segmento, mas na parte errada da mosca.
Crédito da imagem: modificado de Antennapedia mutation por toony, CC BY-SA 3.0. A imagem modificada está licenciada sob a licença CC BY-SA 3.0
Outro gene homeótico de moscas com efeitos dramáticos é o gene Ultrabithorax. Esse gene é fortemente expresso no terceiro segmento do tórax, que possui o par de pernas mais posterior das moscas. A expressão de Ultrabithorax nessa região das moscas começa no desenvolvimento inicial e continua ao longo da vida da mosca.
Crédito da imagem: modificado de Hox genes of fruit fly, por PhiLiP, domínio público
As asas se formam, normalmente, somente no segundo segmento torácico, não no terceiro, que por sua vez, produz pequenas estruturas chamadas halteres que auxiliam no equilíbrio do voo. O trabalho de Ultrabithorax é reprimir a identidade do segundo segmento e a formação de asas no terceiro segmento. Quando Ultrabithorax é inativado no desenvolvimento do terceiro segmento devido a mutações, os halteres são convertidos em um segundo conjunto de asas, posicionadas ordenadamente atrás do conjunto normal.1^1
Crédito da imagem: modificado de Drosophila melanogaster, por Madboy74 (CC0/public domain); baseado em imagem similar por P. A. Otto2^2

Visão geral dos genes Hox da mosca-da-fruta

Antennapedia e Ultrabithorax não são os únicos genes homeóticos em uma mosca-da-fruta. Na verdade, todo um conjunto de diferentes genes homeóticos atuam nas diferentes regiões do corpo de uma mosca, assegurando que cada segmento tenha a sua correta identidade. Esses genes são tipicamente expressos nas regiões do corpo que eles regulam, começando nas fases iniciais do desenvolvimento embrionário e continuando a serem expressos na vida adulta.
O diagrama abaixo mostra os oito maiores genes homeóticos em moscas. A parte superior do diagrama mostra onde cada gene é mais fortemente expresso em uma mosca adulta, enquanto a parte inferior do diagrama mostra onde os genes estão localizados nos cromossomos. A ordem dos genes nos cromossomos de certa forma reflete a ordem de expressão ao longo do eixo crânio-caudal (ântero-posterior) da mosca.
A marcação de intervalo (//) no cromossomo indica que esses dois grupos de genes são separados por uma longa região interposta que não está apresentada. Crédito da imagem: modificado de Hox genes of fruit fly, por PhiLiP, domínio público
O que exatamente são esses genes homeóticos? Cada gene codifica um fator de transcrição que é expresso em uma região específica da mosca, começando em seu desenvolvimento embrionário. Os fatores de transcrição alteram a expressão de genes-alvo para promover o correto "programa" de expressão para cada segmento.
Os fatores de transcrição homeóticos apresentados no diagrama acima contêm uma região de ligação ao DNA\text{DNA} denominada homeodomínio, que é codificado por um segmento de DNA\text{DNA} denominado homeobox. Por conter um homeobox, os genes homeóticos são muitas vezes chamados de genes Hox para encurtar.
Para ser claro, nem todos os genes que contêm o homeobox são necessariamente genes homeóticos. Há outros que não são genes homeóticos e que contêm o mesmo motivo proteico.
Também, nem todos os genes homeóticos contêm um homeobox. Embora muitos genes homeóticos em animais contenham o homeobox, os genes homeóticos das plantas muitas vezes têm uma diferença, um segmento característico de DNA\text{DNA} chamado MADS box.

Como os genes Hox são ativados nas moscas?

Os Genes Hox precisam ser regulados cuidadosamente. Como você aprendeu acima, um pequeno descuido na regulação pode resultar em coisas como par de asas extra ou pernas ao invés de antenas - ambos podem ser muito ruins para a sobrevivência da mosca em seu ambiente natural! Então, como esses genes são expressos nas partes corretas do embrião em desenvolvimento?
Para responder a essa questão, vamos dar uma rápida olhada nos passos iniciais do desenvolvimento embrionário da mosca. Os padrões genéticos são estabelecidos no ovo da mosca - antes mesmo de ser um embrião - lançando as bases para o plano do corpo da mosca. Durante o desenvolvimento, o corpo da mosca é primeiro moldado de uma maneira muito geral, estabelecendo inicialmente os extremos da cabeça e da cauda. Então, a estrutura é gradualmente refinada, primeiro em amplas sessões, então em sessões menores, até finalmente formarem-se os reais segmentos do corpo.
Esse processo envolve diferentes classes de genes com padrões de expressão cada vez mais restritos e específicos. De maneira geral, grupos de ação iniciais regulam grupos de ação mais tardia, em um tipo de efeito dominó molecular. Os genes Hox são ativados em lugares específicos por meio da atividade dos genes nessa cascata.
Os genes da cascata do desenvolvimento inicial incluem os seguintes grupos:1,2^{1,2}
  • Genes de efeitos maternos, são genes cujos mRNA\text{RNA}s são depositados na célula-ovo pela mosca-mãe antes da fertilização. Alguns desses mRNA\text{RNA}s são "ligados" à cabeça ou à cauda do embrião, e são responsáveis pela organização da polarização do eixo crânio-caudal (ântero-posterior). Os genes de efeitos maternos codificam reguladores de transcrição ou tradução que se controlam, assim como controlam outros genes.1^1
    Crédito da imagem: modificado de Figure 6. Module Predictions within the Segmentation Gene Network por Mark D. Schroeder et al.3^3, CC BY 4.0
  • Genes gap são nomeados apropriadamente. Se os genes gap não estão presentes devido a uma mutação, há uma grande "lacuna" (gap) na larva da mosca - falta um grande pedaço dos segmentos normais.1,4^{1,4} Genes gap são ativados por interações entre produtos de proteínas de genes de efeitos maternos e regulam-se entre si. Eles são responsáveis por definir regiões grandes e de multi-segmentos da mosca, aquelas que faltam em decorrência de mutações do gene.
    Crédito da imagem: modificado de Figure 6. Module Predictions within the Segmentation Gene Network por Mark D. Schroeder et al.3^3, CC BY 4.0
  • Genes pair-rule ("genes regidos aos pares") são ativados por interações entre os genes gap, e seus padrões de expressão são refinados por interações de um com o outro. Eles aparecem em múltiplas "faixas" ao longo do embrião, em padrão similar aos segmentos da mosca adulta mas levemente deslocados.5^5 Quando um gene pair-rule não está presente devido a mutações, há uma perda de estruturas no segmento onde esse gene é normalmente expresso.
    Crédito da imagem: modificado de Figure 6. Module Predictions within the Segmentation Gene Network por Mark D. Schroeder et al.3^3, CC BY 4.0
    Se você é um fã de moscas, você deve ter notado que nós estamos pulando uma categoria usualmente incluída na cascada do desenvolvimento de moscas: os genes de polaridade de segmento. Nós estamos pulando esses aqui, porque nosso interesse está na regulação do gene Hox, que depende principalmente dos genes gap e pair-rule. Entretanto, os genes de polaridade do segmento são definitivamente importantes para o correto desenvolvimento da mosca. Aqui está um pouco mais de informação em caso de curiosidade:
    Genes de polaridade do segmento são ativados por interações entre os genes pair-rule, e suas proteínas trabalham juntas para definir a polaridade dentro de cada segmento da mosca em desenvolvimento. Por exemplo, as células próximas à cabeça dentro de um segmento deveriam produzir um padrão diferente de cerdas do que células próximas à cauda, e essa distinção é controlada por genes de polaridade do segmento.
    Crédito da imagem: modificado de Figure 6. Module Predictions within the Segmentation Gene Network por Mark D. Schroeder et al.3^3, CC BY 4.0
Então, onde entram os genes Hox? Os genes Hox são ativados em padrões específicos por produtos de proteínas dos genes gap e pair-rule. Seus padrões de expressão são refinados - pelos produtos desses genes e por interações com outras proteínas Hox - durante o desenvolvimento do embrião.
Crédito da imagem: modificado de Figure 6. Module Predictions within the Segmentation Gene Network por Mark D. Schroeder et al.3^3, CC BY 4.0

Muitas espécies animais têm genes Hox

Os genes Hox não são únicos das moscas das frutas. Na verdade, os genes Hox são encontrados em muitas diferentes espécies de animais, incluindo camundongos e humanos. Sim, você tem seus próprios genes Hox! A presença de genes Hox similares em diferentes espécies reflete sua ancestralidade comum: um grupo de genes Hox esteve presente de maneira semelhante no ancestral comum de camundongos, moscas, humanos e outros grupos animais.
Não somente os genes Hox são encontrados em diversas espécies animais, mas eles também tendem a ter a mesma ordem no cromossomo em todas essas espécies. Assim como nas moscas, essa ordem praticamente reflete as partes do corpo cujo desenvolvimento é controlado por cada gene. Por ser um padrão tão consistente, os cientistas acreditam que provavelmente não é uma coincidência e que deve ter uma importância funcional.5^5
Nos vertebrados, como humanos e camundongos, os genes Hox duplicaram-se durante a história evolutiva e agora apresentam-se em quatro grupos de genes similares nomeados de A a D:
Crédito da imagem: modificado de Features of the animal kingdom: Figura 4 por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0, com edições baseadas em Lappin et al.6^6
Em geral, os genes dos diferentes grupos trabalham juntos para estabelecer a identidade do segmento do corpo ao longo do eixo crânio-caudal (ântero-posterior). Isto é, os genes do início do grupo - próximos ao um no diagrama - tendem a especificar estruturas na extremidade da cabeça do organismo, e os genes do final do grupo - próximos ao 13 no diagrama - tendem a especificar estruturas próximas à extremidade da cauda.
Entretanto, a duplicação gênica tem permitido que alguns genes Hox assumam funções mais especializadas. Por exemplo, muitos genes Hox na porção final do grupo age especificamente no desenvolvimento de membros dos vertebrados - braços, pernas ou asas - como apresentado no diagrama da mulher acima. Mutações no gene HoxD13 em humanos pode causar uma condição genética chamada simpolidactilia, na qual as pessoas nascem com dedos extras nas mãos ou nos pés, e que também podem estar unidos.7^7
Crédito da imagem: modificado de Simpolidactilia por S. Malik, CC BY 2.0; originalmente publicado por Malik et al.3^3
O grupo Hox é um ótimo exemplo de como genes do desenvolvimento podem ser preservados e modificados ao longo da evolução, particularmente quando eles são copiados por duplicações. Os genes Hox também demonstram como um gene do desenvolvimento pode ser poderoso, especialmente quando é um fator de transcrição que liga e desliga muitos outros genes para ativar determinados programas genéticos.

Créditos

Esse artigo é uma modificação derivada de "Features of the animal kingdom" por OpenStax College, Biology, CC BY 3.0.
Baixe o artigo original gratuitamente em http://cnx.org/contents/d09cbd3e-a293-4aab-9ae6-e1a46e9e1da9@8.
O artigo adaptado está autorizado sob a licença CC BY-NC-SA 4.0

Trabalhos citados

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  2. "Ultrabithorax [Ubx]," Classical Genetics Simulator, acesso em 5 de julho de 2016, http://cgslab.com/cgs1/phenotypes.cgi?n=143.
  3. Mark D. Schroeder, Michael Pearce, John Fak, HongQing Fan, Ulrich Unnerstall, Eldon Emberly, Nikolaus Rajewsky, Eric D. Siggia, and Ulrike Gaul, "Transcriptional Control in the Segmentation Gene Network of Drosophila," in PLoS Biology 2, no. 9 (2004): e271, http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0020271.
  4. Hazel Smith, "Lecture 3 Drosophila: The Genetics of Segmentation," B2010 The Biology of Development, acesso em 8 de julho de 2016, http://www.ucl.ac.uk/~ucbzwdr/teaching/b250-99/segments.htm.
  5. Harvey Lodish, Arnold Berk, S. Lawrence Zipursky, Paul Matsudaira, David Baltimore, and James Darnell, "Anteroposterior Specification During Embryogenesis," in Molecular Cell Biology, 4th ed. (New York: W. H. Freeman, 2000), section 14.3, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21567/.
  1. Terrence R. J. Lappin, David G. Grier, Alexander Thompson, and Henry L. Halliday, "HOX GENES: Seductive Science, Mysterious Mechanisms," Ulster Med. J. 75, no. 1 (2006), 25, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1891803/.
  1. Sajid Malik, K. M. Girisha, Muhammad Wajid, Akhilesh K. Roy, Shubha R. Phadke, Sayedul Haque, Wasim Ahmad, Manuela C. Koch, and Karl-Heinz Grzeschik, "Synpolydactyly and HOXD13 Polyalanine Repeat: Addition of 2 Alanine Residues Is Without Clinical Consequences," BMC Medical Genetics 8 (2007): 78, http://dx.doi.org/10.1186/1471-2350-8-78.

Referências

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