Biologia do desenvolvimento

Biologia do desenvolvimento é o estudo do processo pelo qual animais e plantas crescem e se desenvolvem. A biologia do desenvolvimento também abrange a biologia da regeneração, reprodução assexuada, metamorfose e o crescimento e diferenciação de células-tronco no organismo adulto.

Perspectivas

Os principais processos envolvidos no desenvolvimento embrionário dos animais são: padronização tecidual (via especificação regional e diferenciação celular padronizada); crescimento tecidual; e morfogênese tecidual.

• A especificação regional refere-se aos processos que criam os padrões espaciais em uma bola ou folha de células inicialmente semelhantes. Isso geralmente envolve a ação de determinantes citoplasmáticos, localizados dentro de partes do ovo fertilizado, e de sinais indutivos emitidos de centros de sinalização no embrião. As fases iniciais da especificação regional não geram células diferenciadas funcionais, mas as populações de células comprometidas com o desenvolvimento de uma região específica ou parte do organismo. Estes são definidos pela expressão de combinações específicas de fatores de transcrição.
• A diferenciação celular relaciona-se especificamente com a formação de tipos de células funcionais como nervo, músculo, epitélia secretaria, etc. As células diferenciadas contêm grandes quantidades de proteínas específicas associadas à função celular.
• Morphogenesis relaciona-se com a formação de uma forma tridimensional. Envolve principalmente os movimentos orquestrados de folhas de células e de células individuais. A morfogênese é importante para a criação das três camadas germinativas do embrião inicial (ectoderme, mesoderme e endoderme) e para a construção de estruturas complexas durante o desenvolvimento de órgãos.
• O crescimento do tecido envolve tanto um aumento global do tamanho do tecido, como também o crescimento diferencial de partes (allometria) que contribui para a morfogeneese. O crescimento ocorre principalmente através da proliferação celular, mas também através de mudanças no tamanho celular ou a deposição de materiais extracelulares.

O desenvolvimento das plantas envolve processos semelhantes aos dos animais. No entanto, as células vegetais são em sua maioria imóveis, de modo que a morfogênese é alcançada por crescimento diferencial, sem movimentos celulares. Além disso, os sinais indutivos e os genes envolvidos são diferentes daqueles que controlam o desenvolvimento animal.

Processos de desenvolvimento

Diferenciação celular

O sistema Notch-delta em neurogenesis.(Slack Essential Dev Biol Fig 14.12a)

A diferenciação celular é o processo pelo qual diferentes tipos de células funcionais surgem no desenvolvimento. Por exemplo, neurônios, fibras musculares e hepatócitos (células do fígado) são tipos bem conhecidos de células diferenciadas. Células diferenciadas geralmente produzem grandes quantidades de algumas proteínas que são necessárias para sua função específica e isso lhes dá a aparência característica que permite que sejam reconhecidas ao microscópio de luz. Os genes que codificam essas proteínas são altamente ativos. Normalmente, sua estrutura de cromatina é muito aberta, permitindo o acesso para as enzimas de transcrição, e fatores de transcrição específicos se ligam a sequências regulatórias no DNA para ativar a expressão gênica. Por exemplo, NeuroD é um fator de transcrição chave para diferenciação neuronal, miogenina para diferenciação muscular e HNF4 para diferenciação de hepatócitos. A diferenciação celular é geralmente o estágio final do desenvolvimento, precedido por vários estados de comprometimento que não são visivelmente diferenciados. Um único tecido, formado a partir de um único tipo de célula progenitora ou célula-tronco, geralmente consiste em vários tipos de células diferenciadas. O controle de sua formação envolve um processo de inibição lateral, baseado nas propriedades da via de sinalização Notch. Por exemplo, na placa neural do embrião, esse sistema opera para gerar uma população de células precursoras neuronais nas quais o NeuroD é altamente expresso.

Regeneração

A regeneração indica a capacidade de regenerar uma parte que falta. Isso é muito prevalente entre plantas, que apresentam crescimento contínuo, e também entre animais coloniais, como hidróides e ascídias. Mas o maior interesse dos biólogos do desenvolvimento tem sido demonstrado na regeneração de partes de animais de vida livre. Em particular, quatro modelos foram objeto de muita investigação. Dois deles têm a capacidade de regenerar corpos inteiros: Hydra, que pode regenerar qualquer parte do pólipo a partir de um pequeno fragmento, e vermes planários, que geralmente podem regenerar cabeças e caudas. Ambos os exemplos têm renovação celular contínua alimentada por células-tronco e, pelo menos em planárias, pelo menos algumas das células-tronco demonstraram ser pluripotentes. Os outros dois modelos mostram apenas a regeneração distal dos apêndices. Estes são os apêndices de insetos, geralmente as pernas de insetos hemimetabólicos, como o grilo, e os membros de anfíbios urodele. Atualmente, informações consideráveis estão disponíveis sobre a regeneração de membros de anfíbios e sabe-se que cada tipo de célula se regenera, exceto para tecidos conjuntivos, onde há considerável interconversão entre cartilagem, derme e tendões. Em termos de padrão de estruturas, isso é controlado por uma reativação de sinais ativos no embrião. Ainda há debate sobre a velha questão de saber se a regeneração é um estado "prístino" ou um "adaptativo" propriedade. Se o primeiro for o caso, com conhecimento aprimorado, podemos esperar ser capazes de melhorar a capacidade regenerativa em humanos. Nesse último caso, presume-se que cada instância de regeneração tenha surgido por seleção natural em circunstâncias particulares à espécie, de modo que nenhuma regra geral seria esperada.

Desenvolvimento embrionário de animais

Regime generalizado de desenvolvimento embrionário. Slack "Essential Developmental Biology" Fig.2.8

As fases iniciais da embriogênese humana.

O esperma e o óvulo se fundem no processo de fertilização para formar um óvulo fertilizado, ou zigoto. Este passa por um período de divisões para formar uma bola ou folha de células semelhantes chamada blástula ou blastoderme. Essas divisões celulares são geralmente rápidas sem crescimento, de modo que as células-filhas têm metade do tamanho da célula-mãe e o embrião inteiro permanece aproximadamente do mesmo tamanho. Eles são chamados de divisões de clivagem.

Células germinativas primordiais do epiblasto de camundongo (ver Figura: “Os estágios iniciais da embriogênese humana”) passam por extensa reprogramação epigenética. Este processo envolve a desmetilação do DNA em todo o genoma, a reorganização da cromatina e o apagamento da impressão epigenética levando à totipotência. A desmetilação do DNA é realizada por um processo que utiliza a via de reparo por excisão de bases do DNA.

Movimentos morfogenéticos convertem a massa celular em uma estrutura de três camadas composta por folhas multicelulares chamadas ectoderma, mesoderma e endoderma. Essas folhas são conhecidas como camadas germinativas. Este é o processo de gastrulação. Durante a clivagem e a gastrulação ocorrem os primeiros eventos de especificação regional. Além da formação dos próprios três folhetos germinativos, estes frequentemente geram estruturas extraembrionárias, como a placenta dos mamíferos, necessária para sustentação e nutrição do embrião, e também estabelecem diferenças de comprometimento ao longo do eixo anteroposterior (cabeça, tronco e cauda)..

A especificação regional é iniciada pela presença de determinantes citoplasmáticos em uma parte do zigoto. As células que contêm o determinante tornam-se um centro de sinalização e emitem um fator indutor. Como o fator indutor é produzido em um local, difunde-se e decai, ele forma um gradiente de concentração, alto perto das células de origem e baixo mais longe. As células remanescentes do embrião, que não contêm o determinante, são competentes para responder a diferentes concentrações pela regulação positiva de genes específicos de controle do desenvolvimento. Isso resulta na criação de uma série de zonas, dispostas a distâncias progressivamente maiores do centro de sinalização. Em cada zona, uma combinação diferente de genes de controle do desenvolvimento é regulada positivamente. Esses genes codificam fatores de transcrição que regulam positivamente novas combinações de atividade gênica em cada região. Entre outras funções, esses fatores de transcrição controlam a expressão de genes que conferem propriedades adesivas e de motilidade específicas às células em que atuam. Devido a essas diferentes propriedades morfogenéticas, as células de cada camada germinativa se movem para formar folhas de tal forma que o ectoderma termina do lado de fora, o mesoderma no meio e o endoderma no interior. Os movimentos morfogenéticos não apenas alteram a forma e a estrutura do embrião, mas, ao trazer as camadas celulares para novas relações espaciais, também possibilitam novas fases de sinalização e resposta entre elas.

O crescimento em embriões é principalmente autônomo. Para cada território de células a taxa de crescimento é controlada pela combinação de genes que estão ativos. Os embriões de vida livre não crescem em massa, pois não possuem suprimento externo de alimentos. Mas os embriões alimentados por uma placenta ou suprimento de vitelo extraembrionário podem crescer muito rapidamente, e as mudanças na taxa de crescimento relativo entre as partes desses organismos ajudam a produzir a anatomia geral final.

Todo o processo precisa ser coordenado no tempo e não se entende como isso é controlado. Pode haver um relógio mestre capaz de se comunicar com todas as partes do embrião que controla o curso dos eventos, ou o tempo pode depender simplesmente de sequências causais locais de eventos.

Metamorfose

Os processos de desenvolvimento são muito evidentes durante o processo de metamorfose. Isso ocorre em vários tipos de animais. Exemplos bem conhecidos são vistos em sapos, que geralmente eclodem como um girino e se metamorfoseiam em um sapo adulto, e em certos insetos que eclodem como uma larva e depois se transformam na forma adulta durante um estágio de pupa.

Todos os processos de desenvolvimento listados acima ocorrem durante a metamorfose. Exemplos que foram especialmente bem estudados incluem a perda da cauda e outras alterações no girino da rã Xenopus, e a biologia dos discos imaginais, que geram as partes adultas do corpo da mosca Drosophila melanogaster .

Desenvolvimento da planta

O desenvolvimento da planta é o processo pelo qual as estruturas se originam e amadurecem à medida que a planta cresce. É estudado em anatomia vegetal e fisiologia vegetal, bem como morfologia vegetal.

As plantas produzem constantemente novos tecidos e estruturas ao longo de sua vida a partir de meristemas localizados nas pontas dos órgãos, ou entre tecidos maduros. Assim, uma planta viva sempre possui tecidos embrionários. Em contraste, um embrião animal produzirá muito cedo todas as partes do corpo que terá em sua vida. Quando o animal nasce (ou sai do ovo), ele tem todas as partes do corpo e a partir daí só cresce e amadurece.

As propriedades de organização vistas em uma planta são propriedades emergentes que são mais do que a soma das partes individuais. “A montagem desses tecidos e funções em um organismo multicelular integrado produz não apenas as características das partes e processos separados, mas também um novo conjunto de características que não seriam previsíveis com base no exame das partes separadas.."

Crescimento

Uma planta vascular começa a partir de um zigoto unicelular, formado pela fertilização de um óvulo por um espermatozoide. A partir desse ponto, ele começa a se dividir para formar um embrião de planta através do processo de embriogênese. À medida que isso acontece, as células resultantes se organizam de modo que uma ponta se torna a primeira raiz, enquanto a outra forma a ponta do broto. Nas plantas com sementes, o embrião desenvolverá uma ou mais "folhas com sementes" (cotilédones). Ao final da embriogênese, a planta jovem terá todas as partes necessárias para iniciar sua vida.

Uma vez que o embrião germina de sua semente ou planta-mãe, ele começa a produzir órgãos adicionais (folhas, caules e raízes) através do processo de organogênese. Novas raízes crescem a partir de meristemas radiculares localizados na ponta da raiz, e novos caules e folhas crescem a partir de meristemas de brotos localizados na ponta do broto. A ramificação ocorre quando pequenos aglomerados de células deixados pelo meristema, e que ainda não sofreram diferenciação celular para formar um tecido especializado, começam a crescer como a ponta de uma nova raiz ou broto. O crescimento de qualquer meristema na ponta de uma raiz ou broto é denominado crescimento primário e resulta no alongamento dessa raiz ou broto. O crescimento secundário resulta no alargamento de uma raiz ou broto de divisões de células em um câmbio.

Além do crescimento por divisão celular, uma planta pode crescer por alongamento celular. Isso ocorre quando células individuais ou grupos de células crescem mais. Nem todas as células vegetais crescerão no mesmo comprimento. Quando as células de um lado de um caule crescem mais e mais rápido do que as células do outro lado, o caule se curvará para o lado das células de crescimento mais lento como resultado. Esse crescimento direcional pode ocorrer por meio da resposta de uma planta a um estímulo específico, como luz (fototropismo), gravidade (gravitropismo), água (hidrotropismo) e contato físico (tigmotropismo).

O crescimento e o desenvolvimento das plantas são mediados por hormônios vegetais específicos e reguladores de crescimento vegetal (PGRs) (Ross et al. 1983). Os níveis hormonais endógenos são influenciados pela idade da planta, resistência ao frio, dormência e outras condições metabólicas; fotoperíodo, seca, temperatura e outras condições ambientais externas; e fontes exógenas de PGRs, por exemplo, aplicadas externamente e de origem rizosférica.

Variação morfológica

As plantas exibem variação natural em sua forma e estrutura. Enquanto todos os organismos variam de indivíduo para indivíduo, as plantas exibem um tipo adicional de variação. Dentro de um único indivíduo, repetem-se partes que podem diferir em forma e estrutura de outras partes semelhantes. Essa variação é mais facilmente observada nas folhas de uma planta, embora outros órgãos, como caules e flores, possam apresentar variações semelhantes. Existem três causas principais dessa variação: efeitos posicionais, efeitos ambientais e juvenilidade.

Evolução da morfologia vegetal

Os fatores de transcrição e as redes reguladoras da transcrição desempenham papéis fundamentais na morfogênese da planta e sua evolução. Durante o plantio, muitas novas famílias de fatores de transcrição emergiram e são preferencialmente conectadas às redes de desenvolvimento multicelular, reprodução e desenvolvimento de órgãos, contribuindo para a morfogênese mais complexa das plantas terrestres.

A maioria das plantas terrestres compartilha um ancestral comum, algas multicelulares. Um exemplo da evolução da morfologia vegetal é visto nas carófitas. Estudos têm mostrado que as carófitas têm características homólogas às plantas terrestres. Existem duas teorias principais da evolução da morfologia vegetal, essas teorias são a teoria homóloga e a teoria antitética. A teoria comumente aceita para a evolução da morfologia vegetal é a teoria antitética. A teoria antitética afirma que as múltiplas divisões mitóticas que ocorrem antes da meiose causam o desenvolvimento do esporófito. Então o esporófito se desenvolverá como um organismo independente.

Organismos modelo de desenvolvimento

Grande parte da pesquisa em biologia do desenvolvimento nas últimas décadas tem se concentrado no uso de um pequeno número de organismos modelo. Descobriu-se que há muita conservação dos mecanismos de desenvolvimento em todo o reino animal. No desenvolvimento inicial, diferentes espécies de vertebrados usam essencialmente os mesmos sinais indutivos e os mesmos genes que codificam a identidade regional. Mesmo os invertebrados usam um repertório semelhante de sinais e genes, embora as partes do corpo formadas sejam significativamente diferentes. Cada um dos organismos modelo tem algumas vantagens experimentais particulares que permitiram que se tornassem populares entre os pesquisadores. Em certo sentido, eles são "modelos" para todo o reino animal, e em outro sentido eles são "modelos" para o desenvolvimento humano, que é difícil de estudar diretamente por razões éticas e práticas. Os organismos modelo têm sido muito úteis para elucidar a ampla natureza dos mecanismos de desenvolvimento. Quanto mais detalhes são procurados, mais eles diferem entre si e dos humanos.

Plantas

• (em inglês)Arabidopsis thaliana)

Vertebrados

• Rã: Xenofo. (X. Laevis e X. tropicalis). Bom suprimento de embriões. Especialmente adequado para microcirurgia.
• Zebrafish: Danio rerio. Bom suprimento de embriões. Genética bem desenvolvida.
• Frango: Gallus gallus. estágios iniciais semelhantes ao mamífero, mas microcirurgia mais fácil. Baixo custo.
• Rato: Mus musculoso. Um mamífero com genética bem desenvolvida.

Invertebrados

• mosca de frutas: Drosophila melanogaster. Bom suprimento de embriões. Genética bem desenvolvida.
• Nematode: Caenorhabditis elegans. Bom suprimento de embriões. Genética bem desenvolvida. Baixo custo.

Unicelular

• Algae: Clamydomonas
• Pelo menos: Produtos químicos

Outros

Também são populares para alguns propósitos os ouriços-do-mar e as ascídias. Para estudos de regeneração são utilizados anfíbios urodele como o axolote Ambystoma mexicanum, e também vermes planários como Schmidtea mediterranea. Os organoides também foram demonstrados como um modelo eficiente para o desenvolvimento. O desenvolvimento da planta tem se concentrado no agrião thale Arabidopsis thaliana como um organismo modelo....