Indução da mesoderme

A indução da mesoderme é o processo pelo qual as células do polo vegetal do embrião modelam o desenvolvimento das células do polo animal para que estas se tornem células mesodérmicas. Atualmente, sabe-se que esse processo envolve a ação de morfógenos produzidos em diferentes partes do polo vegetal, como moléculas da família TGFβ relacionadas a genes nodais, e a ação de moléculas de origem materna (via óvulo), como o fator de crescimento do fibroblasto (FGF).

Definição

A indução, em embriologia, é o processo biológico pelo qual uma região do embrião produz substâncias químicas capazes de modelar o desenvolvimento de células de outras regiões. A indução da mesoderme é o processo pelo qual células do polo vegetal do embrião liberam morfógenos (como fatores de crescimento) capazes de indicar a algumas células do polo animal a sua transformação em mesoderme.^[1]

Histórico

O papel de moléculas na indução célula-célula foi primeiro estabelecido em 1923, por Hans Spemann, quando em um experimento ele adicionou parte da região dorsal de um embrião de sapo em estágio de gástrula à um embrião de outra espécie, em um estágio anterior. Ele observou que as células do entorno do implante se diferenciaram em tecidos da mesoderme, como a mesoderme axial, enquanto células mais distantes não sofreram o mesmo processo.^[1]

Apesar de ser conhecida desde o começo do século XX, a indução da mesoderme em si começou a ser desvendada somente a partir das décadas de 60 e 70, por Peter Nieuwkoop. Ele mostrou que a retirada do polo vegetal da célula impedia a transformação do polo animal em mesoderme, entretanto, quando se adicionava uma cultura de células do polo vegetal às células do polo animal, essa região voltava a poder originar a mesoderme. Esse experimento foi essencial para apontar que a presença do polo vegetal era necesária para o desenvolvimento da mesoderme.^[2]

Já em 1987, Jonathan Slack e colaboradores descobriram que a região ventral e dorsal do polo vegetal induziam diferentes regiões do polo animal do embrião. Além disso, neste trabalho, Slack descobriu que o fator de crescimento do fibroblasto (FGF) seria uma possível molécula necessária à indução da mesoderme.^[3]

Desde então, diversas moléculas vêm sendo descobertas como fatores indutores da mesoderme, sendo estas moléculas tanto maternas (já presentes no óvulo), quanto zigóticas (formadas após a fertilização).

Moléculas Atuantes no Processo de Indução

As moléculas responsáveis pela indução da mesoderme são constantemente descobertas, entretanto, alguns sinais químicos possuem maior importância biológica e histórica nesse processo. São eles:

Fator de Crescimento do Fibroblasto (FGF)

Ver artigo principal: Fator de crescimento fibroblástico

Um trabalho de Jonathan Slack e colaboradores revelou que haveria a presença de três sinais principais na indução da mesoderme. Um sinal inicial (VV) seria realizado por moléculas químicas produzidas na região ventral do polo vegetal do embrião, as quais induziriam a região ventral do polo animal a se transformarem em mesoderme. Um segundo sinal (DV), produzido na região dorsal do polo vegetal, agiria sobre a mesoderme dorsal e o Organizador de Spemann, o qual por sua vez produziria um sinal (O) que agiria sobre a região da mesoderme em todo o embrião. Esses resultados foram obtidos principalmente por experimentos de implantes e explantes entre regiões do embrião. Por exemplo, a retirada da região ventral do polo vegetal do embrião afeta, principalmente, o desenvolvimento da mesoderme ventral, assim como a retirada de células do polo vegetal dorsal afetam a atuação do Organizador de Spemann no desenvolvimento da mesoderme.^[3]

Neste mesmo artigo, foi demonstrado que um fator de crescimento isolado poderia levar à indução da mesoderme assim como ocorre entre as células do polo vegetal e do polo animal naturalmente. Neste experimento, Slack purificou FGF (fator de crescimento do fibroblasto) e o utilizou para induzir a geração de mesoderme, que se assimilou ao sinal VV neste processo.^[3] Outro experimento do mesmo ano, de Kimelman e Kirschner, demonstrou que a heparina era capaz de bloquear a indução da mesoderme promovida naturalmente pelo polo vegetal, o que reforçou a suspeita de FGF ser um fator de indução mesodérmico, uma vez que ele é capaz de se associar à heparina.^[4]

Apesar de ter sido apontado como um importante fator para a formação da mesoderme, foi descoberto na década de 90 que o FGF é apenas importante para a sinalização das regiões marginais do polo animal. Ou seja, o FGF atua somente na indução de das células na região de contato entre o polo animal e o polo vegetal do embrião, fazendo as células do polo animal dessa região expressarem genes que mantém a formação da mesoderme.^[5] Estas células produzem fatores de indução chamados de endógenos, visto que as moléculas que elas produzem atuam no mesmo polo embrionário que se encontram.^[6]

Moléculas de Genes Nodais

As moléculas produzidas por genes nodais são parte da superfamília de moléculas TGFβ, as quais possuem participação importante durante o desenvolvimento de diversos tecidos do embrião.^[7] No caso da indução mesodérmica, os as moléculas de genes nodais possuem papel importante na ativação de proteínas quinases que causam a fosforilação de moléculas intracelulares e geram cascatas de reações na célula. De modo geral, essas moléculas agem na ativação de outra classe de moléculas, as Smads, as quais, por sua vez, possuem a capacidade de interagir com o núcleo da célula, de modo a modificar a transcrição de genes.^[8] Dentre os modelos de estudo mais utilizados, humanos, ratos e galinhas possuem apenas um gene nodal conhecido, enquanto o zebra fish possue ao menos três genes bem estabelecidos: squint (sqt), cyclops (cyc) e southpaw (spaw).

A ação das moléculas de genes nodais é muito ampla, de forma que estudos com mutantes para a produção dessas substâncias puderam observar efeitos como a falta de órgãos durante o desenvolvimento ou até mesmo defeitos relacionados à formação do sistema nervoso.^[9][10][11]

Wnts e BMPs

Estudos mais recentes, utilizando técnicas de manipulação de genes e de inserção de RNAs específicos dentro de estágios iniciais do desenvolvimento do embrião permitiram aos cientistas encontrarem mais genes que codificam moléculas importantes para a indução da mesoderme.^[12] Entre essas moléculas destacam-se os Wnts e os BMPs, as quais também possuem a capacidade de modificar a expressão de genes no núcleo das células do polo animal e, consequentemente, atuar na diferenciação da mesoderme em todo o embrião, mesmo que pesquisas mais recentes apontem que o Wnt seja responsável, principalmente, pela diferenciação de células do organizador.^[13]

Funcionamento das Moléculas

FGFs

A ligação do FGF ao seu receptor (FGFr), resulta na mudança do domínio citossólico desta molécula, causando a ativação da proteína G, que por sua vez ativa a quinase Raf. Esta segue a cascata de fosforilação com a quinase Mek, que por sua vez fosforila a proteína Mapk. Essa proteína é capaz de entrar no núcleo celular e ativar fatores de transcrição, que mudam a produção de proteínas na célula.

Nodal e BMP

As cascatas de reações iniciadas pelos sinalizadores nodais e BMP são muito semelhantes. A molécula sinalizadora se liga a receptores do tipo 1 e do tipo 2 (específicos para cada molécula), de modo a levar o domínio citossólico do receptor tipo 2 a fosforilar o receptor do tipo 1, que então fosforila e ativa um fator Smad. Estas moléculas são capazes de se dirigir ao núcleo celular e ativar a transcrição de alvos específicos, necessários para que a célula se torne mesodérmica.

Wnts

O Wnt se liga ao receptor de membrana Fizzled/LRP que causa uma resposta intracelular ao ativar a proteína G. Esta, por sua vez, fosforila o complexo da β-Catenina, que é então desligada deste agrupamento proteico e passa a ser capaz de transpor a carioteca. Dentro do núcleo ela pode recrutar fatores de transcrição que se ligam aos promotores gênicos de sequências importantes para a destinação em mesoderme da célula.^[14][15][16]

Referências

1. Spemann, H., & Mangold, H. (2003). Induction of embryonic primordia by implantation of organizers from a different species. 1923. International Journal of Developmental Biology, 45(1), 13-38.
2. Nieuwkoop, P. D.; Faber, J. (21 de fevereiro de 1958). «Normal Table of Xenopus Laevis (Daudin)». Copeia. 1958 (1). 65 páginas. ISSN 0045-8511. doi:10.2307/1439568
3. Slack, J. M. W.; Darlington, B. G.; Heath, J. K.; Godsave, S. F. (março de 1987). «Mesoderm induction in early Xenopus embryos by heparin-binding growth factors». Nature. 326 (6109): 197–200. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/326197a0
4. Kimelman, David; Kirschner, Marc (dezembro de 1987). «Synergistic induction of mesoderm by FGF and TGF-β and the identification of an mRNA coding for FGF in the early xenopus embryo». Cell (em inglês). 51 (5): 869–877. doi:10.1016/0092-8674(87)90110-3
5. Ciruna, Brian; Rossant, Janet (julho de 2001). «FGF Signaling Regulates Mesoderm Cell Fate Specification and Morphogenetic Movement at the Primitive Streak». Developmental Cell (em inglês). 1 (1): 37–49. doi:10.1016/S1534-5807(01)00017-X
6. Isaacs, H. V. (abril de 1997). «New perspectives on the role of the fibroblast growth factor family in amphibian development». Cellular and Molecular Life Sciences CMLS (em inglês). 53 (4): 350–361. ISSN 1420-682X. doi:10.1007/PL00000611
7. Zhou, Xunlei; Sasaki, Hiroshi; Lowe, Linda; Hogan, Brigid L. M.; Kuehn, Michael R. (fevereiro de 1993). «Nodal is a novel TGF-β-like gene expressed in the mouse node during gastrulation». Nature. 361 (6412): 543–547. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/361543a0
8. Beck, Séverine; Le Good, J. Ann; Guzman, Marcela; Haim, Nadav Ben; Roy, Karine; Beermann, Friedrich; Constam, Daniel B. (25 de novembro de 2002). «Extraembryonic proteases regulate Nodal signalling during gastrulation». Nature Cell Biology. 4 (12): 981–985. ISSN 1465-7392. doi:10.1038/ncb890
9. Smith, William C.; McKendry, Roslyn; Ribisi, Stephen; Harland, Richard M. (julho de 1995). «A nodal-related gene defines a physical and functional domain within the Spemann organizer». Cell. 82 (1): 37–46. ISSN 0092-8674. doi:10.1016/0092-8674(95)90050-0
10. Long, S. (1 de junho de 2003). «The zebrafish nodal-related gene southpaw is required for visceral and diencephalic left-right asymmetry». Development. 130 (11): 2303–2316. ISSN 0950-1991. doi:10.1242/dev.00436
11. Horne-Badovinac, S. (24 de outubro de 2003). «A Cellular Framework for Gut-Looping Morphogenesis in Zebrafish». Science. 302 (5645): 662–665. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1085397
12. Chen, Jun-An; Voigt, Jana; Gilchrist, Mike; Papalopulu, Nancy; Amaya, Enrique (março de 2005). «Identification of novel genes affecting mesoderm formation and morphogenesis through an enhanced large scale functional screen in Xenopus». Mechanisms of Development. 122 (3): 307–331. ISSN 0925-4773. doi:10.1016/j.mod.2004.11.008
13. Ramel, M.-C. (15 de agosto de 2004). «Repression of the vertebrate organizer by Wnt8 is mediated by Vent and Vox». Development. 131 (16): 3991–4000. ISSN 0950-1991. doi:10.1242/dev.01277
14. Feng, Xin-Hua; Derynck, Rik (novembro de 2005). «SPECIFICITY AND VERSATILITY IN TGF-β SIGNALING THROUGH SMADS». Annual Review of Cell and Developmental Biology. 21 (1): 659–693. ISSN 1081-0706. doi:10.1146/annurev.cellbio.21.022404.142018
15. van Es, Johan H; Barker, Nick; Clevers, Hans (fevereiro de 2003). «You Wnt some, you lose some: oncogenes in the Wnt signaling pathway». Current Opinion in Genetics & Development. 13 (1): 28–33. ISSN 0959-437X. doi:10.1016/s0959-437x(02)00012-6
16. Thisse, Bernard; Thisse, Christine (novembro de 2005). «Functions and regulations of fibroblast growth factor signaling during embryonic development». Developmental Biology. 287 (2): 390–402. ISSN 0012-1606. doi:10.1016/j.ydbio.2005.09.011

Ligações externas

• Mesoderm Induction, NCBI (em inglês)
• Revisão sobre Indução da Mesoderme, Nature (em inglês)
• Mesoderm Induction, People Ucalgary (em inglês)
• Padrões gerados por Genes Nodais em Vertebrados (em inglês)