Biologia universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2

10Desenvolvimento embrionário dos vertebrados

O ovo de uma rã é uma esfera de dois milímetros de diâmetro, escura em cima e clara embaixo. Em um dia, ele se dividiu em milhares de células; em dois, uma lâmina dessas células se enrolou para dentro através de um sulco para formar um intestino e depositar um bastão ao longo do dorso; em três, a lâmina acima do bastão se dobrou num tubo que será o encéfalo e a medula espinal. Nada foi acrescentado além de água. A informação que transforma uma célula num girino nadador estava no ovo e em seu genoma, e o modo como ela se desdobra — clivagem, gastrulação, neurulação, a indução de cada parte por suas vizinhas — é reconhecivelmente o mesmo num peixe, numa galinha e num camundongo. Este capítulo acompanha um embrião de vertebrado ao longo dessas etapas e descreve os experimentos que mostraram como cada parte dele recebe a informação do que deve se tornar.

10.1 Do ovo à blástula

Definição 10.1 (O ovo e seus eixos)

Um ovo de vertebrado já é polarizado antes da fecundação: o polo animal contém o núcleo e a maior parte do citoplasma; o polo vegetativo, o vitelo, a reserva de proteínas e de lipídios da qual o embrião viverá até se alimentar. A quantidade de vitelo determina o padrão de tudo o que se segue: um ovo de ouriço-do-mar ou de mamífero quase não tem vitelo e se cliva por inteiro em células iguais; um ovo de rã tem uma quantidade moderada e se cliva por inteiro, mas de modo desigual (células pequenas em cima, grandes células ricas em vitelo embaixo); um ovo de peixe ou de ave é quase todo vitelo e só se cliva num disco de citoplasma sobre ele. Na rã, o ponto de entrada do espermatozoide fixa o segundo eixo: o córtex gira trinta graus para longe dele, expondo um crescente cinzento do lado oposto ao ponto de entrada, e esse lado se tornará o dorso. A clivagem é uma série de mitoses rápidas sem crescimento — as células se reduzem à metade em cada uma —, comandada por mRNAs e proteínas maternos armazenados no ovo, enquanto os genes do próprio embrião permanecem silenciosos até a transição da blástula média, após cerca de doze divisões.

O desenvolvimento de uma rã a partir do ovo fecundado: a clivagem até a blástula, a gastrulação, a nêurula com suas pregas neurais e o girino — tudo em poucos dias, sem crescimento.

Teorema 10.2 (A aritmética da clivagem)

Após $k$ clivagens síncronas, um ovo de volume $V_0$ é formado por $2^{k}$ células de volume médio $V_0/2^{k}$ e raio $r_0/2^{k/3}$ , e a superfície total cresceu por um fator $2^{k/3}$ ; a razão entre o volume nuclear e o citoplasmático, que começa perto de $10^{-4}$ num ovo de rã, aumenta por um fator $2^{k}$ e atinge a de uma célula comum ( $\sim 0.1$ ) após cerca de dez divisões. É essa razão crescente — a titulação de um estoque materno fixo de algum inibidor por uma quantidade de DNA que cresce exponencialmente — que desencadeia a transição da blástula média: as divisões desaceleram, tornam-se assíncronas e o genoma zigótico é ativado.

Demonstração. O volume se conserva na clivagem, de modo que cada uma das $2^{k}$ células tem $V_0 2^{-k}$ e, como esfera, raio $r_0 2^{-k/3}$ ; sua área total é $2^{k}\cdot 4\pi r_0^{2}\, 2^{-2k/3} = 4\pi r_0^{2}\, 2^{k/3}$ . Cada célula conserva um núcleo de tamanho fixo, de modo que a razão varia como $2^{k}$ a partir de $10^{-4}$ : $2^{10} = 1024$ a leva a $0.1$ . A transição da rã ocorre na décima segunda divisão, o que é coerente com um limiar atingido um pouco mais tarde. ∎

Evidências. Newport e Kirschner (1982) acrescentaram DNA extra a ovos de rã e verificaram que a transição vinha mais cedo, tantas divisões quanto o excesso de DNA; remover citoplasma tinha o mesmo efeito. O relógio não é o tempo nem uma contagem de divisões, mas uma razão. ∎

Definição 10.3 (Blástula)

A clivagem termina numa blástula: uma esfera oca (rã, ouriço-do-mar) ou um disco (peixe, ave) de alguns milhares de células em torno de uma cavidade, a blastocela. Suas células ainda têm aparência não especializada, mas não são equivalentes: um mapa de destinos, obtido corando manchas da superfície com corantes e acompanhando-as, mostra que a calota animal dará a pele e o sistema nervoso (ectoderma), a faixa equatorial os músculos, o esqueleto, o rim e o sangue (mesoderma), e a massa vegetativa o intestino e seus órgãos (endoderma). Esses três folhetos embrionários são os mesmos em todos os vertebrados, e a etapa seguinte é colocá-los em seus lugares: o mesoderma e o endoderma estão por fora e precisam ir para dentro.

10.2 Gastrulação e neurulação

Proposição 10.4 (A gastrulação)

A gastrulação é o conjunto de movimentos celulares que transforma a blástula de uma só camada numa gástrula de três camadas. Na rã, ela começa abaixo do crescente cinzento: as células ali mudam de forma, contraindo suas extremidades externas em forma de garrafa, e a superfície se dobra num sulco, o blastóporo. Por ele, o mesoderma e o endoderma fluem para dentro (involução), rolando sobre o lábio e avançando ao longo do teto da cavidade; a calota animal se estende para baixo e recobre o exterior (epibolia); o blastóporo se fecha num anel em torno das últimas células ricas em vitelo. No interior, uma nova cavidade revestida de endoderma, o arquêntero, é o futuro intestino, e o mesoderma que entrou primeiro, ao longo da linha média, tornou-se um bastão rígido, a notocorda, o eixo de todo embrião de vertebrado e a estrutura que dá nome ao filo. Nas aves e nos mamíferos, os mesmos movimentos ocorrem através de uma fenda, a linha primitiva, num disco achatado; nos peixes, o disco se espalha sobre o vitelo. A coreografia difere com o vitelo; o resultado — ectoderma por fora, endoderma revestindo o intestino, mesoderma entre os dois, notocorda na linha média — é o mesmo.

A gastrulação na rã, em corte. As células rolam para dentro sobre o lábio do blastóporo; o endoderma reveste uma nova cavidade intestinal, e o primeiro mesoderma a entrar se torna a notocorda, ao longo da linha média.

Proposição 10.5 (A neurulação e o plano corporal)

O ectoderma acima da notocorda se espessa numa placa neural, cujas bordas se elevam como pregas e se encontram na linha média, formando o tubo neural, futuro encéfalo e medula espinal, que afunda sob a pele; células da crista das pregas, a crista neural, migram para formar os nervos periféricos, as células pigmentares, a medula suprarrenal e grande parte da face. De cada lado da notocorda, o mesoderma se segmenta em blocos, os somitos, um par após o outro, da cabeça à cauda, que dão as vértebras, os músculos do tronco e a derme; o mesoderma lateral se divide nas camadas que revestem a cavidade do corpo e formam o coração e os membros; o tubo de endoderma forma por brotamento os pulmões, o fígado e o pâncreas. No fim da neurulação, o embrião tem o plano corporal dos vertebrados — um cordão nervoso dorsal sobre uma notocorda, um intestino ventral, musculatura segmentada, uma cabeça — com um comprimento de poucos milímetros, e o restante do desenvolvimento é a elaboração dos órgãos a partir desse plano (Capítulo 11).

A neurulação em corte transversal: o ectoderma sobre a notocorda (vermelho) se espessa, se dobra e se fecha no tubo neural (azul), enquanto o mesoderma ao lado da notocorda se segmenta em somitos (laranja) e as células da crista neural deixam as pregas que se fecham.

À esquerda: um embrião de peixe-zebra de um dia dentro de seu córion, enrolado em torno do vitelo, com olho, encéfalo e uma fileira de somitos. À direita: um embrião de galinha de três dias sobre seu vitelo, com o coração já batendo e os vasos se espalhando pelo vitelo para nutri-lo.

10.3 Indução: como as células descobrem onde estão

Definição 10.6 (Indução e competência)

A indução é o processo pelo qual um grupo de células muda, por meio de um sinal, o destino de um grupo vizinho; as células que respondem precisam ser competentes — capazes de responder, o que só são durante um tempo limitado. O desenvolvimento é uma cadeia de induções: as células vegetativas induzem o mesoderma nas células acima delas; o mesoderma dorsal — o organizador, no lábio do blastóporo — induz a placa neural no ectoderma acima dele e padroniza o mesoderma de cada lado; a notocorda induz o assoalho do tubo neural; a vesícula óptica, um broto do encéfalo, induz um cristalino na pele que ela toca; o cristalino induz a córnea. Cada tecido induzido se torna indutor do seguinte. Os sinais são um punhado de famílias de proteínas secretadas, usadas repetidamente — as mesmas que padronizam um membro (Capítulo 11) e que, no adulto, comandam a sinalização do Capítulo 19.

Evidências. Spemann e Mangold (1924) cortaram o lábio dorsal do blastóporo de uma gástrula inicial de uma espécie de tritão e o enxertaram no lado ventral de outra, de pigmentação diferente, para que as células do hospedeiro e as do enxerto pudessem ser distinguidas. O enxerto não se tornou simplesmente o que teria se tornado em seu lugar: ele rolou para dentro, formou notocorda e induziu o próprio ectoderma ventral do hospedeiro a formar um segundo tubo neural e, ao lado dele, somitos do hospedeiro — um segundo embrião completo, em grande parte feito de células do hospedeiro, unido ventre com ventre ao primeiro. Nenhum outro pedaço da gástrula conseguia fazer isso. Eles chamaram o lábio de organizador; seus sinais (proteínas que bloqueiam o fator ventralizante BMP) foram identificados setenta anos depois. ∎

O experimento do organizador. Um lábio dorsal enxertado no ventre de outra gástrula induz as células do hospedeiro a formar um segundo eixo embrionário.

Teorema 10.7 (Um gradiente de morfógeno)

Muitas induções funcionam por meio de um morfógeno: um sinal secretado por uma fonte, que se espalha pelo tecido e é lido pelas células segundo sua concentração local — acima de um limiar, um destino; acima de um limiar mais alto, outro. Um morfógeno produzido por uma fonte plana à taxa $j$ por unidade de área, que se difunde com coeficiente $D$ e é degradado à taxa $k$ , tem em regime estacionário o perfil exponencial

c(x) = c_0\,e^{-x/\lambda}, \qquad \lambda = \sqrt{D/k}, \qquad c_0 = \frac{j}{\sqrt{Dk}},

de modo que a distância a partir da qual a concentração cai abaixo de um limiar $T$ é $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : um tecido pode ser padronizado em faixas de largura fixa por limiares fixos. Com $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ (uma proteína desacelerada pelas ligações que faz ao se mover pelo tecido) e $k = 1 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ (uma meia-vida de cerca de doze minutos), $\lambda = \sqrt{10^{-9}}\,\mathrm{m} \approx 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ : alguns diâmetros celulares, a escala na qual os campos embrionários são padronizados. Dobrar a fonte dobra $c_0$ e desloca todas as fronteiras para fora em $\lambda \ln 2$ .

Demonstração. Em regime estacionário, a difusão equilibra a degradação: $D\,c'' = k\,c$ , cuja solução decrescente é $c = c_0 e^{-x/\lambda}$ , com $\lambda^2 = D/k$ . O fluxo que sai da fonte é $-Dc'(0) = Dc_0/\lambda = j$ , o que dá $c_0 = j\lambda/D = j/\sqrt{Dk}$ . Fazendo $c(x_T) = T$ , obtém-se $x_T$ ; passar de $c_0$ a $2c_0$ acrescenta $\lambda\ln 2$ a esse valor. ∎

Um gradiente de morfógeno com = 32\, µ m. Dois limiares dividem o tecido em três faixas de destino celular, cujas larguras são fixadas por e pelas razões entre os limiares e a concentração na fonte. — Um gradiente de morfógeno com $\lambda = 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Dois limiares dividem o tecido em três faixas de destino celular, cujas larguras são fixadas por $\lambda$ e pelas razões entre os limiares e a concentração na fonte.

Exemplo 10.8 (A leitura do gradiente)

Na gástrula de rã, as células da zona marginal expostas a quantidades graduadas de um sinal da família da ativina se tornam, da dose mais alta à mais baixa, notocorda, músculo, rim e sangue; células dissociadas da calota animal colocadas numa placa com uma dose limiar mudam de destino dentro de um fator dois de concentração. No tubo neural, um sinal da notocorda e da placa do assoalho se espalha para cima e especifica, a partir de baixo, os neurônios motores e depois classes sucessivas de interneurônios, em limiares separados por poucos diâmetros celulares. As coordenadas do organismo estão escritas em concentrações.

10.4 Destino, comprometimento e o momento das decisões

Proposição 10.9 (Quando o destino de uma célula se fixa)

O destino de uma célula é o que ela normalmente se tornará; sua potência é o que ela pode se tornar se for deslocada; ela está determinada quando seu destino já não muda com o ambiente. Os embriões jovens regulam: cada um dos dois primeiros blastômeros de rã, separados, forma um girino pequeno e inteiro, e as primeiras células de um embrião de mamífero são todas totipotentes — é assim que surgem os gêmeos idênticos. A determinação vem gradualmente e em momentos diferentes para tecidos diferentes: um pedaço de ectoderma de gástrula inicial enxertado no ventre se torna pele do ventre, e o mesmo pedaço retirado de uma gástrula tardia forma uma placa neural onde quer que seja colocado; no estágio de broto caudal, um campo de membro transplantado para o flanco forma ali um membro. Na maioria dos invertebrados, ao contrário, o destino é fixado cedo pelo citoplasma que cada célula herda (desenvolvimento em mosaico), e um blastômero separado forma apenas a sua parte. A estratégia dos vertebrados — manter as células flexíveis e dizer-lhes o que fazer por indução — é o que torna possíveis os gêmeos, a regeneração e o experimento do organizador.

Evidências. Spemann (1901) amarrou um laço de cabelo em torno de um ovo de tritão no estágio de duas células: se o laço ficava no plano do crescente cinzento, de modo que cada metade recebesse uma parte dele, formavam-se dois embriões completos; se ficava perpendicular, de modo que uma metade tivesse todo o crescente, essa metade formava um embrião e a outra, uma bola de tecido ventral. O crescente — o futuro organizador — era a única parte que não podia ser dividida. ∎

Exemplo 10.10 (O calendário de uma rã)

A $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : fecundação; primeira clivagem a $1.5\,\mathrm{h}$ , depois a cada meia hora; blástula de $4000$ células a $7\,\mathrm{h}$ ; transição da blástula média a $8\,\mathrm{h}$ ; gastrulação de $10\,\mathrm{h}$ a $20\,\mathrm{h}$ ; as pregas neurais se fecham a $30\,\mathrm{h}$ ; o coração bate a $2.5\,\mathrm{d}$ ; eclosão e alimentação a $4\,\mathrm{d}$ , como um girino de $6\,\mathrm{mm}$ . Um peixe-zebra faz o mesmo em um dia, uma galinha em três, um camundongo em nove; um embrião humano gastrula na terceira semana e fecha o tubo neural na quarta — antes que a maioria das mulheres saiba que está grávida, e é por isso que o folato, necessário ao fechamento do tubo neural, é prescrito antes da concepção.

10.5 Exercícios

Exercício 10.1 ★

Defina clivagem, blástula, gastrulação e neurulação, e cite a estrutura que cada etapa produz.

Solução

Solução de Exercício 10.1.

Clivagem: mitoses rápidas sem crescimento, que produzem a blástula. Blástula: uma esfera oca ou um disco de células pequenas em torno da blastocela. Gastrulação: os movimentos celulares que levam o mesoderma e o endoderma para dentro, produzindo a gástrula de três camadas, com uma cavidade intestinal e a notocorda. Neurulação: o dobramento do ectoderma dorsal no tubo neural, com a segmentação dos somitos, produzindo a nêurula com o plano corporal dos vertebrados.

Exercício 10.2 ★

Dê os três folhetos embrionários e, para cada um, quatro tecidos adultos que dele derivam.

Solução

Solução de Exercício 10.2.

Ectoderma: epiderme, encéfalo e medula espinal, nervos periféricos (crista neural), cristalino e células pigmentares. Mesoderma: notocorda, músculo, osso e cartilagem, rim, coração e sangue, derme. Endoderma: o revestimento do intestino, fígado, pâncreas, pulmões, tireoide.

Exercício 10.3 ★

Como a quantidade de vitelo modifica o padrão da clivagem e da gastrulação? Compare uma rã e uma galinha.

Solução

Solução de Exercício 10.3.

Pouco vitelo: clivagem completa, quase igual, e gastrulação por involução através de um blastóporo redondo numa esfera oca (rã: completa, mas desigual, com as células vegetativas ricas em vitelo grandes e lentas). Muito vitelo (galinha): clivagem restrita a um disco sobre o vitelo e gastrulação através de uma fenda, a linha primitiva, no disco achatado, com as camadas se espalhando sobre o vitelo em vez de envolverem uma cavidade.

Exercício 10.4 ★

O que é a indução? Dê três induções na ordem em que ocorrem num embrião de rã, indicando o indutor e o tecido que responde.

Solução

Solução de Exercício 10.4.

A indução é a mudança do destino de um tecido competente por um sinal vindo de um tecido vizinho. As células vegetativas induzem o mesoderma na zona marginal situada acima delas; o organizador (mesoderma do lábio dorsal) induz a placa neural no ectoderma dorsal; a vesícula óptica induz o cristalino no ectoderma da cabeça.

Exercício 10.5 ★★

Um ovo de rã de raio $1\,\mathrm{mm}$ se cliva doze vezes. Calcule o número de células, seu raio médio e o fator pelo qual a superfície celular total cresceu. Por que o embrião precisa da superfície adicional?

Solução

Solução de Exercício 10.5.

$2^{12} = 4096$ células de raio $1/2^{4} = 62.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; superfície multiplicada por $2^{4} = 16$ . A superfície adicional é a membrana dos epitélios que a gastrulação dobrará em pele e intestino, e a área através da qual a blástula faz trocas com o meio.

Exercício 10.6 ★★

A razão núcleo/citoplasma começa em $10^{-4}$ , e a transição da blástula média ocorre quando ela atinge $0.4$ . Após quantas divisões? Se o ovo receber uma injeção de três vezes sua própria quantidade de DNA, em que divisão a transição ocorre?

Solução

Solução de Exercício 10.6.

$10^{-4}\times 2^{k} = 0.4$ : $2^{k} = 4000$ , $k = 12$ . Com quatro vezes mais DNA, a razão começa em $4\times 10^{-4}$ e atinge $0.4$ em $2^{k} = 1000$ : a décima divisão, duas antes.

Exercício 10.7 ★★

Um morfógeno tem $D = 2 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ e uma meia-vida de $10\,\mathrm{min}$ . Calcule $k$ e $\lambda$ . Dois limiares estão a $50\,\%$ e $10\,\%$ da concentração na fonte: dê as larguras das três faixas de destino.

Solução

Solução de Exercício 10.7.

$k = \ln 2/600 = 1.16 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{2\times 10^{-12}/1.16\times 10^{-3}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Limiares em $x = \lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ e $\lambda\ln 10 = 96\,\text{µ}\mathrm{m}$ : faixas de 29, 67 e o restante.

Exercício 10.8 ★★

No gradiente do exercício anterior, a fonte é dobrada por uma mutação. Quanto se desloca cada fronteira? E se, em vez disso, a taxa de degradação dobrar?

Solução

Solução de Exercício 10.8.

Dobrar a fonte desloca as duas fronteiras para fora em $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ : a primeira faixa dobra, a segunda conserva sua largura. Dobrar $k$ divide $\lambda$ por $\sqrt 2$ ( $29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) e, como $c_0 = j/\sqrt{Dk}$ , divide também $c_0$ por $\sqrt 2$ : as fronteiras passam a $\lambda'\ln(c_0'/T) = 29\times(0.69 - 0.35) = 10\,\text{µ}\mathrm{m}$ e $29\times(2.30 - 0.35) = 57\,\text{µ}\mathrm{m}$ — as duas faixas encolhem.

Exercício 10.9 ★★

Descreva o experimento de Spemann e Mangold, diga por que as duas espécies precisavam diferir na pigmentação e diga o que o resultado excluiu.

Solução

Solução de Exercício 10.9.

Um lábio dorsal de uma gástrula de tritão não pigmentada foi enxertado no lado ventral de uma gástrula pigmentada; ele rolou para dentro e o hospedeiro formou um segundo embrião — tubo neural, somitos, intestino — unido ao primeiro. A diferença de pigmento mostrou que o segundo eixo era feito de células do hospedeiro, de modo que o enxerto as tinha induzido, em vez de construir ele mesmo o eixo. O resultado excluiu a autodiferenciação do enxerto como explicação e mostrou que uma pequena região leva o sinal que organiza o eixo inteiro.

Exercício 10.10 ★★★

Preveja o resultado de: (a) um pedaço de futura placa neural de uma gástrula inicial enxertado no ventre; (b) o mesmo pedaço retirado de uma gástrula tardia; (c) um pedaço de ectoderma ventral colocado sobre uma notocorda numa gástrula tardia; (d) a remoção de todo o organizador de uma gástrula inicial. Explique cada caso com as noções de competência e de determinação.

Solução

Solução de Exercício 10.10.

(a) Pele do ventre: o ectoderma inicial é competente, mas ainda não foi induzido, de modo que segue seu novo ambiente. (b) Tecido neural: na gástrula tardia, ele já foi induzido e está determinado. (c) Placa neural: o ectoderma ventral da gástrula tardia ainda é competente, e a notocorda o induz. (d) Nenhuma estrutura dorsal: uma bola de tecido ventral, pois nada induz o mesoderma a destinos dorsais nem o ectoderma a destinos neurais.

Exercício 10.11 ★★★

A primeira clivagem da rã leva $90\,\mathrm{min}$ e as onze seguintes, $30\,\mathrm{min}$ cada, a $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; a $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , cada etapa é 2.5 vezes mais lenta. Em que momento a transição da blástula média é atingida em cada temperatura? Explique por que a transição ocorre com o mesmo número de células nas duas temperaturas, e o que isso diz sobre o relógio.

Solução

Solução de Exercício 10.11.

A $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $90 + 11\times 30 = 420\,\mathrm{min}$ , 7 horas. A $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $17.5\,\mathrm{h}$ . A transição ocorre na décima segunda divisão nos dois casos porque o que a desencadeia é a razão entre o DNA e o citoplasma, que depende do número de divisões e não de quanto tempo elas levaram: o relógio conta duplicações, não horas.

Exercício 10.12 ★★★

“Um embrião de vertebrado é construído por diálogo; um de invertebrado, por herança.” Discuta o contraste entre o desenvolvimento regulativo e o desenvolvimento em mosaico, suas consequências para os gêmeos e a regeneração, e por que se trata de uma diferença de grau.

Solução

Solução de Exercício 10.12.

No desenvolvimento regulativo, as células adquirem seus destinos por indução a partir das vizinhas, de modo que o embrião consegue se reconstruir após uma perda (gêmeos a partir de um ovo dividido, regeneração de uma região enxertada); no desenvolvimento em mosaico, os destinos são herdados com determinantes citoplasmáticos localizados, de modo que cada blastômero forma apenas a sua parte e um embrião dividido forma duas meias larvas. A diferença é de grau: o crescente cinzento da rã é um determinante, e os embriões em mosaico usam induções mais tarde; todo embrião mistura herança e diálogo, e os vertebrados se apoiam no diálogo por mais tempo.

10.6 Problema: Um embrião de rã cronometrado e padronizado

Problema 10.1

Problema de fim de semana — um embrião de rã acompanhado ao longo da clivagem, da transição da blástula média, da gastrulação e da indução, com o gradiente de morfógeno calculado e os enxertos clássicos previstos, até o número de células e o momento da transição e as larguras das faixas de destino

Um ovo de rã tem raio de $0.7\,\mathrm{mm}$ e um núcleo de raio $0.03\,\mathrm{mm}$ cujo conteúdo de DNA é $c$ ; cada clivagem leva $30\,\mathrm{min}$ , após uma primeira de $75\,\mathrm{min}$ . A transição da blástula média ocorre quando o DNA total atinge $4000\,c$ . Morfógeno: $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ , meia-vida de $20\,\mathrm{min}$ , concentração na fonte $c_0$ , limiares a $0.4\,c_0$ e $0.08\,c_0$ .

Parte I — A clivagem.

Calcule o volume do ovo e o de seu núcleo, e a razão núcleo/citoplasma inicial.
Após quantas clivagens o DNA atinge $4000\,c$ ? Quantas células?
Em que momento após a fecundação?
Qual é então o raio celular médio, e a razão entre o volume nuclear e o volume celular se os núcleos conservarem seu tamanho? Comente.
Por que fator a superfície celular total cresceu?
Cada clivagem exige a cópia do genoma: quanto DNA foi sintetizado no total, em unidades de $c$ , e por que o embrião não precisa transcrever seus genes para isso?
O que muda na transição, e que experimento mostra que ela é desencadeada por uma razão, e não por uma contagem?

Parte II — A gastrulação.

Onde se forma o blastóporo em relação ao ponto de entrada do espermatozoide, e o que fixou essa posição?
Liste, em ordem, os tecidos que rolam para dentro através do blastóporo e suas posições depois disso.
A gastrulação leva $10\,\mathrm{h}$ , e a lâmina que sofre involução percorre $2\,\mathrm{mm}$ . Calcule a velocidade celular média em micrômetros por minuto e compare com um fibroblasto rastejante ( $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ ).
Por que a gastrulação é impossível antes da transição da blástula média?
Explique numa frase por que é a notocorda, e não o tubo neural, a estrutura que define os cordados.
Um fármaco que bloqueia a mudança de forma das células é aplicado no início da gastrulação. Preveja o embrião.

Parte III — O gradiente.

Calcule $k$ a partir da meia-vida, e $\lambda$ .
Calcule as posições dos dois limiares.
Dê as larguras das três faixas de destino em micrômetros e em células de $15\,\text{µ}\mathrm{m}$ .
A fonte é reduzida à metade. Recalcule as duas posições e diga qual faixa encolhe mais.
Uma célula a $60\,\text{µ}\mathrm{m}$ da fonte é deslocada para $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ antes de o gradiente ser lido; depois, após a leitura. O que ela se torna em cada caso, e por quê?
Explique por que um perfil exponencial dá fronteiras cujas posições dependem do logaritmo da intensidade da fonte, e por que isso torna a padronização robusta.

Parte IV — Enxertos.

Preveja o resultado de enxertar um lábio dorsal no lado ventral de uma gástrula inicial, e de enxertar zona marginal ventral no lado dorsal.
Preveja o resultado de enxertar um lábio dorsal no lado ventral de uma nêurula, e explique a diferença.
Um embrião de rã no estágio de duas células é separado ao longo do plano do crescente cinzento; outro, perpendicularmente a ele. Preveja os dois resultados.
Uma calota animal é retirada de uma blástula e cultivada sozinha; a mesma calota é cultivada ao lado de células vegetativas. Preveja os tecidos formados.
Por que o resultado de Spemann e Mangold exigia que hospedeiro e enxerto fossem distinguíveis, e o que teria mostrado um enxerto da espécie errada?
Enuncie o resultado: o número da clivagem e o momento da transição, o número de células e as larguras das três faixas.

Solução

Solução de Problema 10.1.

1. Ovo $\tfrac43\pi(0.7)^{3} = 1.44\,\mathrm{mm}^{3}$ ; núcleo $\tfrac43\pi(0.03)^{3} = 1.1 \times 10^{-4}\,\mathrm{mm}^{3}$ ; razão $8\times 10^{-5}$ . 2. $2^{k} = 4000$ : $k = 12$ , 4096 células. 3. $75 + 11\times 30 = 405\,\mathrm{min}$ , cerca de 6.75 horas. 4. Raio $0.7/2^{4} = 44\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; razão $8\times 10^{-5}\times 4096 = 0.32$ — a de uma célula comum: os núcleos alcançaram o citoplasma. 5. $2^{4} = 16$ . 6. Cerca de $4095\,c$ de DNA; o ovo contém histonas, polimerases e nucleotídeos armazenados suficientes para doze divisões, de modo que nenhuma transcrição é necessária. 7. Os genes zigóticos são ativados, as divisões desaceleram e perdem a sincronia, as células se tornam móveis. Injetar DNA extra antecipa a transição tantas divisões quanto o excesso de DNA, o que um contador de divisões ou de tempo não conseguiria explicar. 8. Do lado oposto ao ponto de entrada do espermatozoide, no crescente cinzento fixado pela rotação do córtex do ovo após a fecundação. 9. Primeiro o mesoderma dorsal (placa pré-cordal, depois notocorda), para o teto do arquêntero, na linha média; o mesoderma lateral (somitos, placa lateral) ao lado dele; o endoderma reveste o arquêntero; o ectoderma se espalha por fora por epibolia. 10. $2000\,\text{µ}\mathrm{m}/600\,\mathrm{min} = 3.3\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ : três vezes um fibroblasto — uma lâmina coordenada se move mais depressa que uma célula isolada. 11. Os movimentos celulares exigem produtos de genes zigóticos (novas moléculas de adesão, motilidade) e ciclos mais lentos; antes da transição, as células só conseguem se dividir. 12. Todo cordado tem uma notocorda em algum estágio, e os vertebrados constroem a coluna vertebral em torno dela; o tubo neural é induzido por ela e é a consequência, e não a origem, do plano. 13. Sem a contração das células em garrafa, nenhum blastóporo se forma, nada rola para dentro e o embrião permanece uma esfera com as camadas no lugar: sem intestino, sem notocorda, sem eixo. 14. $k = \ln 2/1200 = 5.8 \times 10^{-4}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{10^{-12}/5.8\times 10^{-4}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 15. $x_1 = 42\ln 2.5 = 38\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 12.5 = 105\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 16. Faixas de $38\,\text{µ}\mathrm{m}$ (2.5 células), $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ (4.5 células) e o restante. 17. $x_1 = 42\ln 1.25 = 9\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 6.25 = 77\,\text{µ}\mathrm{m}$ : as duas fronteiras se deslocam para dentro em $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; a primeira faixa encolhe de 38 para 9, a faixa do meio conserva sua largura, a faixa externa cresce. 18. Deslocada antes da leitura, ela adota o destino A — lê a concentração do lugar onde agora está; deslocada depois, conserva o destino B — já estava determinada. 19. $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : uma mudança da fonte por um fator $f$ desloca todas as fronteiras em $\lambda\ln f$ , de modo que um erro de um fator dois desloca o padrão em apenas $0.7\lambda$ , uma fração de um campo que se estende por vários $\lambda$ — o padrão é quase insensível à quantidade exata de morfógeno. 20. Lábio dorsal no lado ventral: um segundo eixo. Zona marginal ventral no lado dorsal: ela é reespecificada pelo ambiente e forma tecido dorsal; nada a mais. 21. Numa nêurula, o ectoderma já não é competente: o enxerto forma notocorda, mas não induz um segundo tubo neural. 22. Separado no plano do crescente: dois embriões completos; perpendicularmente: um embrião e uma bola de tecido ventral. 23. Sozinha: uma bola epidérmica. Com células vegetativas: mesoderma — músculo, notocorda — induzido na calota. 24. Para provar que o segundo eixo era induzido em células do hospedeiro, e não construído pelo enxerto; se o enxerto fosse indistinguível, a autodiferenciação não poderia ter sido excluída. Um enxerto de outra espécie funciona (eles usaram duas espécies de tritão), e foi isso que tornou as células distinguíveis. 25. Décima segunda clivagem, 4096 células, por volta de 6.75 horas; faixas de 38 e $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ , e tudo o que fica além de $105\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

Termos definidos neste capítulo

Ver todos os 479 termos do glossário