Genética do Desenvolvimento

Como é que uma célula descobre onde está?

Todas as células de um embrião têm o mesmo ADN. Ainda assim, têm de dar origem a estruturas diferentes — a cabeça à frente, a cauda atrás, o lado esquerdo à esquerda. As células precisam de um sistema de coordenadas. E esse sistema é químico: os morfogénios são moléculas de sinalização que difundem a partir de uma fonte pelo tecido, formando um gradiente de concentração. Cada célula mede a sua concentração local e ativa genes diferentes consoante o limiar atingido.

Um exemplo clássico é a proteína Bicoid na mosca-da-fruta. É produzida no polo anterior do ovo e difunde-se para trás. Concentração elevada à frente — estruturas da cabeça. Concentração intermédia — segmentos torácicos. Ausência de Bicoid atrás — abdómen. Um único eixo molecular basta para definir todo o eixo corporal anteroposterior. No embrião humano, dezenas de morfogénios deste tipo — Sonic Hedgehog (SHH), Wnt, BMP, FGF — atuam em conjunto a vários níveis e determinam o destino de cada célula individual.

Genes Hox — 600 milhões de anos sem alteração

Os genes Hox são os reguladores-mestres do plano corporal. Codificam fatores de transcrição — proteínas que se ligam ao ADN e ligam ou desligam outros genes — com um domínio de ligação ao ADN altamente conservado, a homeobox. No embrião, os genes Hox são expressos ao longo do eixo corporal numa sequência espacial que corresponde exatamente à sua disposição no cromossoma: os genes no início do agrupamento (cluster) controlam as regiões corporais anteriores, os genes no final controlam as posteriores. Esta colinearidade — a posição no cromossoma corresponde à posição no corpo — é praticamente universal no reino animal.

O surpreendente é que os genes Hox existem há mais de 600 milhões de anos praticamente sem alteração em todos os animais com simetria corporal bilateral. Os genes Hox da mosca-da-fruta e do ser humano são homólogos — têm a mesma origem evolutiva. Se se fizer o gene do rato Pax6 (também conhecido como Small eye) expressar-se artificialmente numa mosca-da-fruta — por exemplo, numa perna ou no disco imaginal da asa —, forma-se ali um olho suplementar. Mas não um olho de rato: um genuíno olho composto de mosca, com omatídeos, porque os genes a jusante são a versão da mosca. O sinal de partida veio do gene do rato, mas a construção seguiu o plano da mosca. O mesmo programa, execuções diferentes: o testemunho molecular mais profundo de uma ascendência comum.

O ponto sem retorno — ou será que não?

Quando as células estaminais se especializam, assumem uma identidade: célula nervosa, célula muscular, célula hepática. Este processo de diferenciação é há muito considerado irreversível. Uma vez célula nervosa, sempre célula nervosa — uma rede de fatores de transcrição que se reforça a si própria desliga de forma permanente o programa de desenvolvimento de outros tipos de células e mantém o seu próprio. A célula "lembra-se" do que é. Mesmo após milhares de divisões, a identidade mantém-se estável.

Mas em 2006, Shinya Yamanaka mostrou que esta estabilidade não é um destino inultrapassável. Com apenas quatro fatores de transcrição — Oct4, Sox2, Klf4 e c-Myc — foi possível reverter uma célula de pele de rato já diferenciada numa célula estaminal pluripotente induzida (célula iPS): uma célula com o potencial de voltar a formar qualquer tipo de célula. Sem clonagem, sem óvulo, sem tecido embrionário — apenas quatro interruptores que reorganizam a cromatina e reativam o programa original. Por isto, Yamanaka recebeu o Prémio Nobel da Medicina em 2012.

O que isto significa é que a identidade celular não é um estado imutável, mas sim um programa controlado epigeneticamente. Pode ser — nas condições certas — reescrito. Isto abre perspetivas para terapias celulares em casos de Parkinson, insuficiência cardíaca e diabetes, em que tipos de células perdidos poderiam ser substituídos por células iPS do próprio paciente, sem o risco de rejeição.

O que o desenvolvimento anómalo revela sobre o sistema

Na mosca-da-fruta existe uma mutante chamada Antennapedia: um único gene Hox expresso incorretamente faz crescer pernas completas na cabeça, em vez de antenas. A perna está corretamente construída — mas no local errado. A mutação não altera o plano de construção das pernas, mas sim o endereço: o programa certo é iniciado no local errado. Estas mutações homeóticas mostram que a identidade dos segmentos corporais não é um processo contínuo, mas é determinada por interruptores discretos.

No ser humano, perturbações no programa de desenvolvimento levam a malformações como a polidactilia (dedos a mais, devido a uma sinalização defeituosa da Sonic Hedgehog), fenda labial e palatina, ou defeitos do tubo neural. Estas perturbações mostram como o momento temporal e espacial da expressão génica no embrião tem de ser preciso — e quanta informação já decide, nos primeiros dias de desenvolvimento, sobre a forma e a função.

Atualmente, os organoides — miniórgãos que crescem em laboratório a partir de células estaminais — permitem um olhar direto sobre a lógica do desenvolvimento. A partir de poucas células estaminais, surgem em placa de cultura estruturas que imitam vilosidades intestinais, dobras cerebrais ou camadas da retina. Seguem o mesmo programa genético que no corpo — e mostram que o plano está integralmente contido no ADN.

Reescrever o plano — e trazer de volta os antigos

Se a identidade celular é um programa controlado epigeneticamente e os genes Hox funcionam praticamente sem alteração há 600 milhões de anos — o que acontece se intervirmos de forma direcionada nestes programas? A ferramenta para isso existe desde 2012: o CRISPR-Cas9, uma tesoura molecular que corta e altera o ADN num ponto escolhido com precisão. O que antes demorava anos, consegue-se hoje em semanas — e torna possíveis intervenções que, até há pouco tempo, eram pura especulação.

O projeto mais conhecido é o regresso do mamute-lanoso. A empresa Colossal Biosciences trabalha para inserir cerca de 60 genes-chave (estimativa original; atualmente estima-se antes cerca de 150, e a subir) no genoma do elefante-asiático — genes para pelagem densa, uma camada de gordura mais espessa, hemoglobina tolerante ao frio. O elefante não se tornará um clone, mas sim um animal geneticamente modificado com características de mamute: robusto o suficiente para a tundra siberiana, onde a extinção começou há cerca de 4.000 anos. O objetivo não é a nostalgia, mas a ecologia — megafauna que volta a compactar os solos gelados e que assim poderia retardar o degelo do permafrost.

Ainda mais diretamente, a investigação do Chickenosaurus intervém na genética do desenvolvimento. As aves não são descendentes dos dinossauros — são dinossauros, a última linhagem sobrevivente dos terópodes. Os genes para dentes, cauda e garras de três dedos ainda estão presentes em embriões de galinha; são apenas suprimidos numa fase precoce do desenvolvimento. Duas equipas de investigação independentes mostraram-no: Bhart-Anjan Bhullar e colegas, através da inibição direcionada das vias de sinalização FGF e Wnt, geraram embriões de galinha com um focinho transitoriamente semelhante ao dos dinossauros em vez de bico; uma equipa liderada por João Botelho e Alexander Vargas conseguiu, através da via de sinalização Indian Hedgehog — uma parente da Sonic Hedgehog —, estruturas ósseas do pé semelhantes às dos dinossauros em vez da típica perna das aves. Nenhum animal chegou a nascer — mas a prova está feita: o plano para uma característica de dinossauro permanece adormecido no genoma das aves, à espera de voltar a ser lido.

O que une estes projetos é o princípio central da genética do desenvolvimento: o fenótipo — a forma visível — não é um reflexo direto do ADN, mas sim o resultado de um programa de execução controlado por interruptores. Quem conhece os interruptores pode alterar o resultado. A questão há muito deixou de ser se isso é possível, e passou a ser com que precisão, com que responsabilidade e — no futuro — até onde.