GENÉTICA DO DESENVOLVIMENTO

1. GENÉTICA DO DESENVOLVIMENTO Profa. Dra. Ana Elizabete Silva Genética Humana

2. BIOLOGIA E GENÉTICA DO DESENVOLVIMENTO • Duas hipóteses da embriologia: • Preformacionismo (século XVII): visão de que todos os órgãos adultos estariam pré configurados no esperma ou óvulo. • Hartsoecker (1677): publicou em revista científica a descrição do homúnculo presente na porção cefálica do espermatozóide, fortalecendo a teoria do animalculismo. “Um organismo desenvolve de si próprio”

3. Duas Hipóteses Da Embriologia: • Epigênese: propunha que um organismo adulto se desenvolveria a partir de uma forma indiferenciada ADULTO ZIGOTO TRANSFORMAÇÃO Como é possível que grupos de células assumam diferentes funções já que elas tem genoma idênticos? DIFERENCIAÇÃO CELULAR: regulação e diferenciação da atividade de genes Expressão gênica: quando, onde e quanto?

4. DIFERENCIAÇÃO CELULAR Transcrição gênica controle da expressão gênica durante o desenvolvimento e toda a vida

5. Base Genética do Desenvolvimento Introdução Estudos em Drosophila melanogaster mostraram presença de famílias de genes codificam fatores de transcrição ligam e desligam outros genes cascata seqüencial coordenada para o controle do desenvolvimento embrionário

6. Base Genética do Desenvolvimento Introdução Desenvolvimento Embrionário indução diferenciação migração fases segmentação apoptose controle Gene T Fator de transcrição Gene A Proteína A de sinal secretada Gene C Proteína Citoplasmática Gene R Proteína receptora ligada a membrana Gene X Proteína X em célula diferenciada Morfógenos

7. Base Genética do DesenvolvimentoAção gênica Diferenciação Células totipotentes Células diferenciadas Genes master expressão diferencial segundo o tipo celular reguladores do desenvolvimento mantenedores do estado diferenciado Outros genes diferenciadores acentuadores promotores silenciadores Mutações em genes que regulam a embriogênese normal→ anomalias do desenvolvimento

8. DESENVOLVIMENTO ANIMAL: processo pelo qual um zigoto se transforma em um organismo maduro capaz de reprodução → muitas instruções necessárias para o desenvolvimento normal são codificadas pelos genes do organismo (ativação e desativação gênica → metilação). PERÍODO EMBRIONÁRIO • Primeiros 2 meses (8 semanas): embrião finaliza seu desenvolvimento quando adquire características que permitem seu reconhecimento como "ser humano " • Ovo ou zigoto unicelular (0,1 mm) → ser multicelular (3 cm, 300x) PERÍODO FETAL: 9ª a 40 ª semanas → maturação e diferenciação dos órgãos e sistemas. O feto cresce cerca de 17x atingindo cerca de 50 cm no momento do parto Fecundação Mórula Embrião 8s Feto 11s Feto ~ 34s

9. Etapas Do Desenvolvimento Embrionário Humano: • Diferenciação das células somáticas diplóides x células germinativas primordiais (gonócitos haplóides): migração de cerca de 100 células germinativas primordiais provenientes do endoderma extraembrionário do saco vitelino → cristas genitais primitivas • 3ª Semana: • Linha primitiva (dia 15): discreto sulco na linha mediana, na extremidade caudal da região dorsal do embrião → organização do embrião nos eixos da tridimensionalidade: • -eixo crânio-caudal (anterior-posterior) -eixo dorso-ventral • -eixo direito-esquerdo (posicionamento do coração e visceras) http://curlygirl.no.sapo.pt/desan.htm

10. ANORMALIDADE DE ASSIMETRIA ESQUERDA-DIREITA

11. GASTRULAÇÃO • Gastrulação: (14-28 dias) processo com vários movimentos celulares (início da organogênese) → migração para estabelecimento dos três folhetos embrionários → disco embrionário trilaminar • -ectoderma • -endoderma • -mesoderma ectoderme Sulco primitivo

13. NEURULAÇÃO • Neurulação: diferenciação do ectoderma superficial e mesoderma dorsal em tubo neural (epitélio neural ou neuroectoderma) → precursor do SNC • extremidade craniana da placa neural→ encéfalo: prosencéfalo-1, mesencéfalo-2 e rombencéfalo-3 • extremidade caudal da placa neural→ medula espinhal-4 http://www.uc.cl/sw_educ/neurociencias/html/035.html

14. ENDODERMA • ENDODERMA: tubo endodérmico (intestino primitivo ou arquenteron) → origem ao revestimento do trato digestório, árvore respiratória e de outros derivados do tubo intestinal. • Bifurcação da árvore respiratória: pulmões • INTESTINO PRIMITIVO: no período da organogênese → todo aparelho digestório e anexos : pâncreas, fígado, vesícula biliar e pulmão • Intestino anterior: • -Faringe • -Esôfago • -Intestino anterior abdominal (diafragma à porção média do duodeno • Intestino médio: Segunda metade do duodeno até 2/3 proximais do cólon transverso • Intestino posterior: cólon transverso ao canal anorretal

15. MESODERMA • MESODERMA: dividido em 5 componentes • Notocórdio: formação do tubo neural e eixo do corpo • Mesoderma dorsal (nos dois lados do notocórdio): esqueleto axial e músculos esqueléticos e tecido conjuntivo da pele • Mesoderma intermediário: rins e sistema genitourinário • Mesoderma lateral: coração, esqueleto apendicular, tecido conjuntivo das vísceras e das paredes corporais • Mesenquima cefálico: musculos oculares e da cabeça

16. MESODERMA • segmenta em somitômeros (unidade de pequenos corpos) → formarão os somitos no sentido crânio-caudal - 7 primeiros somitômeros → criarão estruturas da cabeça e pescoço • Somitos (formam-se 42 a 43) → desenvolvem na futura região da base do crânio (dia 20) → 5 a 7 mais caudais se degeneram : total 37 somitos : -4 occipitais -8 cervicais -12 torácicos -5 lombares -5 sacrais -3 coccígeos

17. ALTERAÇÕES NOS PADRÕES DE DESENVOLVIMENTO • Gastrulação anormal: Humanos → ciclopia, sirenomelia • Alteração eixo antero-posterior: Drosófila mutação antenapédia e bitórax • Dismorfogênese da notocorda: Humanos → hemivértebras • Patologias da crista neural: Humanos → S. Waardenburg

18. ANOMALIAS CONGÊNITAS RELACIONADAS À TERCEIRA SEMANA : GASTRULAÇÃO ANORMAL • Ciclopia: (holoprosencefalia) → desenvolvimento anormal da linha média cerebral, RM grave e morte precoce → mutação no gene SHH (sonic Hedgehog) http://www.conganat.org/7congreso/imagenes_trabajos/396-ciclope1.jpg

19. ANOMALIAS CONGÊNITAS RELACIONADAS À TERCEIRA SEMANA : GASTRULAÇÃO ANORMAL • Sirenomelia: anormalidade da formação mesodérmica na eminência caudal (membros de sereia) → defeito da linha mediana no estágio 11 → monopodium, simpodium ou rudimentos dos membros inferiores, ausência de tecidos como estruturas sacrococcígeas, períneo, bexiga, intestino posterior, associado à agenesia renal e anomalias vertebrais. http://galenored.com/bolivia/images/sirenom%201%20gral%20.jpg http://www.mediresource.com/CPNews/images/x020807A.jpg

20. ANOMALIAS CONGÊNITAS RELACIONADAS À QUARTRA SEMANA - SEGMENTAÇÃO • plano de segmentação: orientado pelos genes homeóticos →Hox→ manifesto na anatomia humana definitiva através das vértebras, costelas, dermátomos e nervos espinhais GENES HOMEÓTICOS: genes envolvidos na segmentação → a sequência destes genes se expressam em todas as classes de vertebrados → denominados homeobox (Hox)

21. GENES HOMEÓTICOS Regulam segmentação do corpo Controlam uma cascata regulatória de genes alvos, que controlam a segmentação Codificam fatores de transcrição MUTAÇÕES HOMEÓTICAS Fazem com que uma parte do corpo se pareça com outra

22. Alteração Eixo Anterto-Posterior Formação do eixo anterior/posterior → extremidade da linha primitiva → estrutura denominada nódulo (gene nodal) → início e manutenção da linha primitiva e formação do eixo direito/esquerdo. -complexo gênico homeótico (HOM-C): controla o padrão ao longo do eixo anterior/posterior Drosophila (mutação antenapédia) pertuba a padronagem do eixo → antenas são substituídas por pernas Mutação →causando mudança do local de desenvolvimento de uma parte do corpo http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=iga.figgrp.3681

23. MUTAÇÃO BITHORAX EM DROSÓFILA Mutação em gene homeótico de segmentação (bx): afeta dois segmentos torácicos a) Asas rudimentares no lugar de altéres; b) dois pares de asas

24. SEGMENTAÇÃO DO CORPO • Muitos invertebrados → corpo formado por unidades adjuntas denominadas segmentos • Exemplo: Drosófila • 3 segmentos da cabeça (H) • 3 segmentos do tórax (T1-T3) • 8 segmentos do abdomen (A1-A8) embrião larva adulto

25. GENES HOMEÓTICOS • Insetos: genes HOM-C • Seres humanos e camundongo: 4 cópias de Hox (HoxA até HoxD) • 39 genes Hox: cada grupo gênico de 100 Kb está situado em um cromossomo diferente • genes Hox de mamíferos são numerados de 1 a 13 • os genes Hox são expressos ao longo do eixo dorsal do limite anterior do rombencéfalo até a cauda • Os genes Hox são expressos de 3’ a 5’ ao longo do eixo antero-posterior

26. Genes homeóticos de insetos e mamíferos: • Grupos de genes HOM-C e Hox (genes da mesma cor proximamente relacionados) • Domínios de expressão e regiões dos embriões: ordem dos domínios de ambos embriões → mesma dos genes

27. DISTRIBUIÇÃO DOS GENES HOX

28. Mutação HOXD13 e Simpolidactilia SIMPOLIDACTILIA: interfalanges aladas e dedos extras nas mãos e pés Mutação HOXD13: expansão de polialanina no domínio aminoterminal da proteína (22 a 24 alaninas – normal: 15)

29. Dismorfogênese da notocorda • Dismorfogênese da notocorda: leva a malformação do corpo vertebral : hemivértebras (escoliose) e falha produzida pelo tubo neural (alteração no arco vertebral) → espinha bífida hemivértebras Espinha bífida http://www.srs.org/patients/review/images/9c.jpg http://www.emedicine.com/orthoped/images/748748748ort0618-08.jpg http://paginas.terra.com.br/saude/maninho/sss.html

30. PATALOGIAS ASSOCIADAS A CRISTA NEURAL A- Defeito na migração ou morfogênese da crista neural (neuroectoderma): origina melanócitos, medula adrenal, sistema nervoso autônomo (SN entérico), neurônios sensoriais, tecido conjuntivo da cabeça e face • fenda labial ou palatina • Síndrome de Waardenburg (PAX3) • Associação CHARGE (coloboma, cardiopatia, SNC, genital e auditivo)

31. SEQUÊNCIA DE ROBIN Restrição do crescimento mandibular (antes 9ª sem. gestação) fenda palatina em U e mandíbula pequena → interferência da língua, localizada mais posteriormente, no fechamento normal dos processos palatinos

32. PATALOGIAS ASSOCIADAS A CRISTA NEURAL Síndrome de Waardenburg: redução ou deficiência de melanócitos nos cabelos, olhos e ouvido interno → mecha branca, olhos claros e heterocromia,surdez Mutações em PAX 3

33. PATALOGIAS ASSOCIADAS A CRISTA NEURAL • Piebaldismo em uma criança → esterilidade, anemia e regiões não pigmentadas da pela e cabelo, → causada por mutação no gene Kit→ proteína essencial para a proliferação e migração das células da crista neural, precursores das células germinativas e células sanguíneas • Piebaldismo em camundongo (Photographs courtesy of R. A. Fleischman.)

34. VIAS DE DESENVOLVIMENTO Consiste em eventos envolvidos na diferenciação de tecidos e órgãos, com participação de diferentes produtos gênicos → criando um fenótipo GENES NECESSÁRIOS AO DESENVOLVIMENTO NORMAL Codificam muitos produtos diferentes: -moléculas sinalizadoras e seus receptores -transdutores de sinais -fatores de transcrição do DNA -componentes da matriz extracelular -enzimas -sistemas de transporte e outras proteínas

35. Moléculas de sinalização parácrina • São fatores parácrinos (secretado no espaço circundante das células)  atuam nas células vizinhas através de pequenas distâncias • Quatro famílias de moléculas de sinalização parácrina: -família do fator de crescimento de fibroblasto (FGF) -família Hedgehog -família wingless -família do fator  de transformação do crescimento (TGF-) • Cada uma das moléculas sinalizadoras se ligam a um ou mais receptores para efetuar uma resposta  mutações nestes genes podem levar a uma comunicação anormal entre as células

36. Doenças dos Receptores do Fator de Crescimento de Fibroblastos – FGFR3 FGFRs: são receptores para ~22 fatores de crescimento de fibroblastos Estrutura: peptídeo sinal, 3 domínios semelhantes aos da Ig, domínio transmembrana e um domínio intracelular tirosina quinase. Processos biológicos: migração, crescimento e diferenciação celular. Expressão: ossos em desenvolvimento Síndromes: displasias ósseas AD

37. Doenças dos Receptores do Fator de Crescimento de Fibroblastos – FGFR3 Acondroplasia: mutação substituição de glicina – arginina no domínio transmembrana de FGFR3 – ativação constitutiva do receptor Superativação de FGFR3 aumenta a inibição do crescimento de condrócitos – defeitos do esqueleto Hipocondrodisplasia: graus mais baixos de ativação Displasia tanatofórica (letal): ativação acentuada

38. Doenças dos Receptores do Fator de Crescimento de Fibroblastos – FGFR2 S. de Crouzon S. de Crouzon Síndromes de Craniossinostose: fusão prematura (sinostose)das suturas cranianas: crânios deformados e defeitos de membros Mutações: FGFR1, FGFR2 e FGFR3 – seis síndromes de craniossinostose Exemplos: S. Apert e S. Crouzon (gene FGFR2 )

39. Genes no desenvolvimento humano e suas homologias 38% de homologia com SHH devertebrados (Sonic hedgehog) Gene hedgehog Descoberto em Drosophila Gene de segmentação mutações em hedgehog olhos funcionais em asas e pernas

40. Via de Sinalização Sonic hedgehog Síndromes relacionadas S. Smith-Lemli-Opitz S. Gorlin Holoprosencefalia S. Greig S. Rubenstein-Taybi Funções de SHH: especificação de eixo; indução de neurônios motores na placa neural;padronização dos membros. S. Gorlin: mutação de PTC causa S. Gorlin e nas células somáticas causa câncer pele

41. Moléculas de sinalização parácrina 2-Família Wnt (gene de Drosophila wingless - sem asas): polaridade durante a formação de membros de Drosophila -Genes WNT: glicoproteínas responsáveis pela especificação do eixo dorsal/ventral, formação do cérebro, músculos, gônadas e rins. -Mutação em WNT3 causa tetra-amelia (ausência dos quatro membros) em humanos http://elacuarista.com/alimentos/drosofilas.htm

42. Moléculas de sinalização parácrina 3-Família do supergene TGF-: pelo menos 30 genes estruturais -famílias TGF- -família de proteína morfogenética óssea BMP  formação do osso -família de activina -família Vg1

43. Moléculas de sinalização parácrina • MUTAÇÕES NA FAMÍLIA BMP: proteína 1 morfogenética derivada de cartilagem (CDMP1)  causa várias anormalidades esqueléticas  mutações diferentes podem produzir fenótipos diferentes. 1-mutação sem sentido em CDMP1:braquidactilia (AD) 2-duplicação em 22pb em CDMP1:braquidactilia e encurtamento dos ossos longos dos membros (displasia acromesomélica - AR) 3-mutação homozigoto de sentido trocado:condrodisplasia AR de Grebe  encurtamento dos ossos longos e dedos

44. MUTAÇÕES NA FAMÍLIA BMP Braquidactilia Síndrome de Grebe Displasia acromesomélica http://www.oftalmo.com/seo/2002/07jul02/09.htm

45. VIA DE TRANSDUÇÃO DE SINAL – RAS-MAPK transdução de sinais extracelulares para célula: regula várias funções celulares (expressão, divisão, diferenciação e morte celular S. Noonan: mutação de ganho de função do gene PTPN11  proteína que interage com a via RTK-MAPK S. Costello e S. carciofaciocutânea: mutações em outros componentes da via

46. Fatores de Transcrição do DNA São proteínas codificadas por genes que ligam (ativam) ou desligam (inativam) outros genes  regulam a transcrição de muitos genes  que regulam outros genes  efeito cascata  mutações nesses genes tem efeitos pleiotrópicos Exemplos: • genes contendo homeobox: família HOX, PAX (domínios de ligação ao DNA) Pax6 camundongo: olhos pequenos anormais; PAX6 humano: catarata e aniridia homólogo de Drosophila gene eyeless (fator de transcrição → ativa vários genes)

47. Mutações em PAX 6 Aniridia Anoftalmia Drosophila eyeless http://www.exploratorium.edu/imaging_station/gallery.php?Category=drosophila http://www.ucm.es/info/genetica/AVG/practicas/Drosophila/Drosophila.htm

48. Mutações em PAX 6 Genes PAX6 humano, Pax6 de camundongo e Eyeless de Drosophila: são homólogos e codificam fatores de transcrição (os genes e vias do desenvolvimento do olho foram conservados durante a evolução)

49. Proteínas da Matriz Extracelular (EMP) • Macromoléculas secretadas que servem de arcabouços para todos os tecidos e órgãos  colágeno, fibrilinas, proteoglicanas e glicoproteínas (fibronectina, laminina e tenascina)  mediadores ativos do desenvolvimento • EMPs: se aderem à superfície das células para permitir a migração (pelos receptores: integrinas e glicosiltransferases) • Integrinas: integram a matriz extracelular ao citoesqueleto

50. SÍNDROME DE MARFAN Mutações nos genes fibrilina-1 e elastina Síndrome de Marfan (malformações do coração e/ou grandes vasos) e estenose aórtica supravalvar http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/images/ency/fullsize/9611.jpg