Evo-Devo pt 3: Nodal, Pitx2 e a Assimetria do Coração (The Beauty of Assimetry)

Os animais incluidos nos Bilateria são todos possuidores da chamada simetria bilateral (lembram-se, do primeiro capítulo, quando comentei da importância deste aspecto para a explosão morfológica do Cambriano?). Formando essa simetria, o corpo de um vertebrado é construído ao longo de três eixos: o antero-posterior, o dorso-ventral e o esquerdo-direito. Esses três eixos são dispostos durante a gastrulação, e precisam ser interpretados pelos órgãos e estruturas do corpo, para garantir o desenvolvimento adequado. Entretanto, ao contrário do que acontece "do lado de fora", internamente a história da simetria é bem controversa. Por exemplo, nós não temos dois fígados, dois pâncreas, nem dois corações (apesar daquela história da moçoila aflita pelo namorado que tanto gosta de futebol, e parece ter um componente cardíaco extra para ele, mas isso são outros quinhentos). E, além de não serem em número par, esses órgãos não estão posicionados na linha mediana do corpo, nem apresentam metades iguais. Mas, claro, é de se imaginar que, apesar da "desobediência à regra", é desta forma que os órgãos melhor se arranjam na cavidade corporal, e também melhor funcionam (pelo menos por enquanto).

Essa assimetria normal dos órgãos internos é chamada tecnicamente de situs solitus, e é a regra geral mas existem raros indivíduos – um para 20 mil na espécie humana – que nascem com todos esses órgãos em posição invertida, como na imagem de um desenho em um espelho. Essa condição, conhecida como situs inversus totalis, geralmente não causa problemas de saúde.

Dentre os órgãos internos, o coração é o primeiro a se formar e funcionar no embrião, e todos os eventos subseqüentes na vida do organismo dependem de sua função. O desenvolvimento cardíaco apresenta alta complexidade, o que faz com que esse órgão seja particularmente ‘sensível’ aos erros do padrão de localização esquerdo-direito, que podem se manifestar por malformações muitas vezes fatais. Esse órgão se origina a partir de dois aglomerados de células, um em cada lado do embrião, denominados ‘primórdios cardíacos laterais’. Essas células passam por um processo complexo de transformação estrutural e migram para a linha mediana do embrião, onde os dois aglomerados se fundem aos poucos e começam a formar o ‘tubo cardíaco’, que de início é simétrico. Esse tubo alonga-se e depois começa a se dobrar (movimento denominado looping), formando a ‘alça cardíaca’ – o looping é, portanto, o primeiro sinal morfológico de assimetria esquerda-direita do coração. Como consequência do looping, o arranjo dos ventrículos não "combina" com o eixo antero-posterior do corpo, já que eles se tornam alinhados com o eixo esquerdo-direito. Em contraste, o processo de looping não muda a posição dos átrios. O crescimento e alinhamento apropriado das câmaras cardíacas são eventos cruciais para um desenvolvimento correto do coração.

O mecanismo molecular que controla a assimetria lateral dos órgãos ainda é um mistério, mas sabe-se que, em vertebrados, o controle dessa assimetria é genético. Já é conhecido também que, entre as moléculas envolvidas, dois fatores de transcrição, denominados Hand 1 (eHand) e Hand 2 (dHand), têm papel essencial no estabelecimento dessa assimetria.

Outro gene envolvido na assimetria esquerda-direita do coração é o Pitx2, um gene do tipo homeobox (lembram? falei sobre os genes com homebox no 2º capítulo da série) . Experimentos mostraram que ele é expresso na porção esquerda do tubo cardíaco de galinhas e camundongos, e que pode ser utilizado como marcador para seguir o destino da parte esquerda do coração durante o seu desenvolvimento. Em embriões de camundongos iv/iv (com mutações no gene da dineína esquerda-direita), Pitx2 pode ser expresso em ambos os lados do corpo ou não ser expresso em nenhum deles (isomerismo molecular). Essa alteração está associada à ocorrência de doenças cardíacas congênitas.

Pitx2, porém, não é o único gene envolvido nessa assimetria. Embora existam diferenças entre as espécies, estudos revelam que, no embrião de galinha, outras proteínas são expressas de maneira assimétrica, como as denominadas ‘sonic hedgehog’, ‘nodal’ e ‘lefty’ (só no lado esquerdo), além da activina βB e do fator de crescimento de fibroblastos 8 (só no lado direito).

É importante ressaltar que a expressão assimétrica de Pitx2 é governada pela proteína Nodal, codificada pelo gene nodal. E não pára por aí a importância dos genes da família Nodal. Pesquisadores descobriram que essa família é crucial na determinação da assimetria dos órgãos, por controlar a velocidade e direção das células miocárdicas durante o desenvolvimento embrionário.

Campos-Batista & Schier, do Institute Gulbenkian of Science(Lisboa, Portugal) e da Harvard University (Cambridge, Estados Unidos), respectivamente, decidiram analisar a expressão da família do gene Nodal, que tem sido ligado à determinação do eixo esquerdo-direito em vertebrados, durante o desenvolvimento do coração do peixe-zebra. Genes ligados ao desenvolvimento assimétrico são ativos no embrião muito cedo no desenvolvimento e somente em um lado, e, de fato, os pesquisadores acharam que alguns Nodal foram expressos no início da assimetria, no lado esquerdo do embrião, e ainda juntamente com a expressão de marcadores do coração, dando suporte à ideia de que esta família de fato está envolvida no desenvolvimento assimétrico do coração. Para investigar isso mais a fundo, estes cientistas utilizaram uma técnica poderosa de microscopia 4D que permite seguir células individuais, filmando, em tempo real, o desenvolvimento do coração em embriões de peixe-zebra que foram modificados para expressar a proteína verde fluorescente (GFP) em suas células musculares do coração (cardiomicetos). A ideia foi que com este marcador - juntamente com o fato de os embriões de peixe-zebra serem transparentes - seria possível seguir cardiomicetos individuais durante o desenvolvimento do coração, para determinar a importância dos genes Nodal neste desenvolvimento. Comparando animais com ou sem Nodal funcional, os pesquisadores encontraram que estes genes regularam a velocidade e direção dos cardiomicetos, enquanto que a ausência destes genes levou a um movimento mais lento e randômico dos cardiomicetos, que, perdendo seu "comportamento assimétrico", formaram um coração posicionado simetricamente (na linha mediana do corpo).

Todavia, apesar de problemas nos genes Nodal afetarem o posicionamento do coração, o fato de este órgão ainda ser formado e de o organismo ser viável (apesar de provavelmente não tão saudável) revela que outros mecanismos independentes, regulados por outros órgãos, afetam o mesmo desenvolvimento. Em conclusão, os resultados de Campos-Batista, Schier e colegas mostram que o movimento de cardiomicetos individuais é a fora determinante por trás da morfogênese do coração, e que os genes Nodal, controlando a velocidade e direção de células musculares do coração individuais, são, de fato, responsáveis pela formação assimétrica do coração.

Durante o desenvolvimento do embrião, portanto, nota-se a expressão de uma seqüência de genes diferentes (como os exemplos que citei), orientando programas específicos para cada um dos lados. Esse fato salienta a importância da linha mediana, seja como barreira ou como centro de sinalização. Embora a expressão dessa cascata de genes seja diferente de um tipo de animal para outro, ela é sempre assimétrica e o rompimento desses sinais de assimetria esquerda-direita resulta em defeitos de lateralidade na formação dos órgãos.

E, para finalizar este post, que tal um pouco de arte com coração? Particularmente, eu gosto da Frida Kahlo. Dêem uma olhada nesta reprodução da tela dela intitulada Las dos Fridas. Esta peça foi realizada em 1939, o ano em que ela se divorciou de Diego Rivera. Acredita-se que este quadro é a expressão dos sentimentos da artista no momento, como um duplo-autoretrato (Frida "desgarrada" com o coração partido, literalmente; e Frida apaixonada, com o coração intacto). É... dados científicos à parte, o que não fazem os problemas do coração, certo?

Referências:

- Campione, M. et al. Pitx2 Expression Defines a Left Cardiac Lineage of Cells: Evidence for Atrial and Ventricular Molecular Isomerism in the iv/iv Mice. Developmental Biology 231, 252–264 (2001).
- Campos-Bastista, M.I.; Holtzman, N.G.; Yelon, D. & Schier, A.F. Nodal signaling promotes the speed and directional movement of cardiomyocytes in zebrafish. Dev Dyn 237, 3624-33 (2008).
- Cangussú, S.D. & Kitten, G.T.. Por que o lado esquerdo? Ciência Hoje, volume 39, número 234.
- La Vida y La Epoca de Frida Kahlo: http://www.pbs.org/weta/fridakahlo/index_esp.html
- Science: http://stke.sciencemag.org/cgi/cm/stkecm;CMC_17536
- Seja a assimetria do seu coração ou o de uma concha, o gene é o mesmo: Nodal. Blog Evolução e Desenvolvimento.

Evo-Devo pt 2: O Kit de Ferramentas Genético (What the Beauty is made of?)

Aos ilustres leitores que ainda se dignam a aparecer neste empoeirado blog, peço desculpas pelo vácuo. Não vou tentar justificar a demora dos capítulos da Saga da Evo Devo, mas talvez as palavras "final de semestre acadêmico" despertem um dejà vu em suas pessoas, então, me limito a este pequeno desabafo já expresso subliminarmente (talvez não tanto, mas enfim).

Para lembrar em que pé andávamos nessa história toda, recomendo uma passada rápida no Capítulo 1 da Quadrilogia. Fazendo isso, vocês verão que este episódio aqui se destina a explanar o Kit de Ferramentas Genético. Esse kit foi descoberto primeiramente em Drosophila (que novidade!!), através de mutantes bem peculiares, que apresentavam porções do corpo estruturadas normalmente, porém, posicionadas em um lugar totalmente errado do corpo (os chamado “mutantes homeóticos”). É o caso do mutante que veio a ser chamado de Antennapedia (vide a bela foto abaixo). Talvez pelo nome sugestivo fique implícito que ele possuía patas no lugar das antenas. Bacana né.

É imaginável que, nesses mutantes, houvesse um problema em "alguma coisa" que dizia onde deveria ir a perna, a antena, a asa. Porque, afinal de contas, o problema não era com a estrutura em si, mas com sua localização. Diante deste cenário, Edward Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard e a Erich Wieschaus rastrearam os genes que estavam com problema. Isso mesmo, um gene problemático estava colocando patas no lugar de antenas, dobrando o número de tórax, e outras confusões geográficas e numéricas. Assim foi descoberto o Kit de Ferramentas Genético: um conjunto de genes cujos produtos controlam o desenvolvimento de organismos multicelulares. O descobrimento de diversos genes desse Kit, envolvidos no estabelecimento dos planos corporais e outros genes importantes para o desenvolvimento, renderam a esses pesquisadores o Prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia em 1995.

A maioria dos genes do Kit apresenta o chamado Homeobox, uma sequência de DNA que mede cerca de 180 pares de bases, e que codifica um domínio da proteína final (homeodomínio), o qual é responsável pela ligação ao DNA. Esses genes, em sua maioria, são componentes de caminhos de sinalização, codificando para a produção de fatores de transcrição, proteínas de adesão celular e receptores de superfície celular, os quais ativam outros genes numa reação em cascata. Através de uma rede intrincada, e ainda não totalmente compreendida, os genes do Kit “mapeiam” e localizam o local do corpo em desenvolvimento, como um GPS, e então liberam a ativação dos genes downstream para a produção de uma pata no lugar correto, por exemplo. É como se o gene do Kit dissesse para os outros seguintes: “Vão fundo, amigos, aí é que tem que ficar a asa, mesmo”.

Entre os genes mais importantes do Kit estão os do Cluster Hox. Os fatores de transcrição codificados pelos genes Hox contêm o homeobox mais distribuído nos filos animais, e funcionam padronizando os eixos corporais. Dessa forma, ao fornecer a identidade de certas regiões do corpo, os genes Hox determinam onde as pernas e outros segmentos do corpo crescerão e se desenvolverão em um feto ou em uma larva. Algo interessante a se frisar sobre este cluster é sua colinearidade espacial e temporal dentro de um mesmo cromossomo. Ou seja, durante o desenvolvimento, a expressão dos genes do cluster Hox de um cromossomo começam se expressando por uma das pontas, seguindo para a outra, e a expressão é correspondente com as porções do corpo (os primeiros genes ativados estão envolvidos no desenvolvimento da cabeça, por exemplo) e o tempo de sua expressão (começo pela cabeça). A figura abaixo explica melhor e mais diretamente esse aspecto tão fascinante desse cluster.

Diferenças nestes genes do Kit afetam o plano corporal e o número, identidade e padrão das partes corporais dos diferentes animais, e mutações em qualquer um desses genes pode levar ao crescimento de partes do corpo adicionais ou em local errado, sendo geralmente não funcionais. Assim pode-se entender aquele mutante Antennapedia. O gene responsável pela localização da pata estava com “problemas na regulação do GPS”, e os obedientes genes downstream, “cegamente”, colocaram a pata no lugar da antena. Já em vertebrados, mutação nos genes Hox resulta em aborto espontâneo.

O cluster Hox e várias outras famílias gênicas do Kit são conservadas evolutivamente entre os filos animais. Assim, apesar das grandes diferenças de aparência, fisiologia e complexidade, todos os animais - vermes, abelhas, moscas, dinossauros, borboletas, ursos, zebras e seres humanos - compartilham um Kit comum de genes mestres que governam a formação de seu plano de corpo. Inclusive, diversos experimentos foram feitos para ver o que um gene do kit de uma espécie faria se fosse colocado em outra espécie. E, pasmem. Um gene PAX-6 (chamado Eyeless em invertebrados) de Drosophila conseguiu "liberar" a formação de um olho normal de camundongo (já que os genes para formação do olho propriamente dito são do camundongo mesmo).

Esse conhecimento agora forma a base para a compreensão do processo evolutivo, atuando sobre o desenvolvimento e a diversidade como nunca antes havia sido possível. Ou seja, as alterações nos genes do desenvolvimento ao longo do tempo evolutivo foram moldando as formas fantásticas de padrões corporais, simetrias e apêndices dos animais que viveram e ainda vivem.

Aguardem nos próximos dois posts (que, prometo, não demorarão tanto), descrições de dois genes do Kit!

Referencial:

http://www.abc.org.br/article.php3?id_article=249

Cañestro, C. et al. Evolutionary developmental biology and genomics. Nature, vol. 8, dez/2007.

Carrol, S. Infinitas formas de grande beleza. Jorge Zahar Editor, 2006.