Projeto Genoma do CÃ¢ncer - Biotecnologia

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CONSTRUINDO PESQUISA FLORES Marcelo Carnier Dornelas phD pela Université de Paris XI (France) Pesquisador do Departamento de Ciências Florestais da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz - USP mcdornel@carpa.ciagri.usp.br O controle molecular da arquitetura floral Fotos cedidas pelo autor A uniformidade estrutural das plantas Uma idéia unificadora em biologia vegetal é que a variedade de formas dos vegetais reflete simplesmente variações de um plano de desenvolvimento comum. Diferentes permutações de umas poucas características-chave do desenvolvimento vegetal podem gerar um universo de formas distintas. Provavelmente não há ilustração melhor deste princípio do que a comparação entre uma flor e um ramo. A noção de que estas duas estruturas poderiam ser fundamentalmente equivalentes foi exemplificada pela primeira vez pelo famoso naturalista e poeta Goethe (o mesmo que escreveu «Fausto»), em um tratado sobre a metamorfose, há mais de 300 anos. Goethe concluiu que «As flores que se desenvolvem das gemas devem ser vistas como ramos ou plantas inteiras, inseridas na planta-mãe, como esta está inserida na terra» (Goethe, 1790). Comparando-se flores e ramos, quatro detalhes precisam ser esclarecidos. Primeiro, as diferentes partes de uma flor (sépalas, pétalas, estames e carpelos) são os equivalentes de folhas em um ramo. Segundo, os órgãos de ramos e flores são separados por entrenós, mas no caso das flores, estes são tão curtos que raramente são visíveis. Terceiro, os órgãos dos ramos e das flores podem ter uma filotaxia distinta, ou seja, são diferencialmente arranjados ao redor de um eixo. Finalmente, o crescimento indeterminado que caracteriza um ramo é suprimido, no caso de uma flor, tanto apicalmente, porque uma flor, em geral, pára de produzir órgãos ao redor do eixo central, quanto lateralmente, pois novos brotos não surgem nas axilas dos órgãos florais, como pode acontecer nas axilas das folhas dos ramos. Portanto, a comparação entre flores e ramos aponta quatro variáveis importantes: a identidade dos órgãos produzidos, o tamanho do entrenó, a filotaxia e a determinação do crescimento. Desse modo, as inúmeras formas e hábitos visíveis das plantas simplesmente refletem variações e permutações desses quatro aspectos fundamentais do desenvolvimento. Quais os princípios criadores e reguladores desses parâmetros? Eles poderiam ser manipulados pelo Homem? Figura 1: A flor de arabidópsis (Arabidopsis thaliana) do tipo selvagem possui 4 sépalas (não visíveis nesta foto), 4 pétalas brancas, 6 estames e um gineceu composto por 2 carpelos unidos O desenvolvimento de ramos e flores depende do comportamento das regiões de proliferação celular na planta, os meristemas apicais. Na periferia dos meristemas, grupos de células são arregimentados para formar meristemas secundários ou primórdios de órgãos. A filotaxia depende do padrão preciso em que ocorre essa repartição. A determinação também é reflexo desta partição, principalmente se ela favorece a continuidade do meristema ou a formação de primórdios. A identidade dos órgãos formados depende das caractísticas do desenvolvimento dos primórdios (principalmente de seu padrão de divisões celulares). Finalmente, o crescimento da região entre os mesmos determina o tamanho dos entrenós. Dessa forma, a grande questão é: como as células ainda indiferenciadas «aprendem» suas posições relativas de tal forma a se diferenciarem de maneira correta? Esta pergunta tem preocupado, há muito tempo, pesquisadores que estudam a formação de padrões de desenvolvimento em diferentes organismos, na tentativa de compreender como o comportamento de um grupo de células é coordenado. A formação de padrões durante o desenvolvimento tem sido mais intensamente estudada em animais, particularmente a moscadas-frutas, do gênero Drosophila. Recentemente, entretanto, vários grupos trabalhando com plantas modelo como a boca-de-leão (Antirrhinum majus) e arabidópsis (Arabidopsis thaliana, Figura 1) usaram dados genéticos e moleculares para formular um modelo de um processo formador de padrão de desenvolvimento único de plantas: a especificação dos órgãos florais. O modelo ABC do desenvolvimento floral Embora uma vasta gama de mutações genéticas possa alterar o processo de 44 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento
formação de uma flor, relativamente poucos genes foram encontrados que estejam envolvidos com a especificação dos órgãos florais per se. Mutações em tais genes causam transformações homeóticas em dois verticilos adjacentes da flor. Os dois verticilos mais externos de mutantes apetala2 (ap2) de arabidópsis, por exemplo, contêm carpelos e estames no lugar de sépalas e pétalas, respectivamente. Mutações nos genes APETALA3 (AP3) ou PISTILLATA (PI) de arabidópsis causam a substituição de pétalas por sépalas e de estames por carpelos. Finalmente, no mutante agamous (ag; Figura 2) de arabidópsis, os dois verticilos mais internos são alterados: estames são transformados em pétalas e carpelos em sépalas. (Coen & Meyerowitz, 1991; Meyerowitz et al., 1991; Ma, 1998). Em adição ao controle da identidade dos órgãos florais, o gene AG deve suprimir o crescimento do meristema floral uma vez que os carpelos estão formados, pois a mutação ag tem o efeito adicional de causar a proliferação indeterminada do meristema. Desta forma, o quarto verticilo de uma flor ag constitui o primeiro verticilo de uma nova «flor» mutante, que contém outras em seu interior. Portanto, o gene AG também é responsável pelo hábito determinado do meristema floral. As modificações das características dos órgãos florais dos mutantes descritos acima sugerem um modelo combinatorial simples para a determinação da identidade destes órgãos (Coen & Meyerwitz, 1991; Figura 3). Segundo este modelo, os genes responsáveis pela identidade estão ativos em três regiões sobrepostas, cada uma compreendendo dois verticilos adjacentes. Devido à sobreposição das regiões de expressão de cada gene, uma combinação única de genes especifica a identidade de cada verticilo (Figura 3a). Se a região de atividade B (que requer a expressão dos genes AP3 e PI em arabidópsis) está ausente, ambos os verticilos 1 e 2 serão especificados apenas pela região de atividade A (AP2 em arabidópsis) e conterão sépalas (Figura 3b). De maneira similar, nesse caso, os verticilos 3 e 4 serão ambos especificados pela região de atividade C (AG em arabidópsis) e conterão carpelos. Para explicar os fenótipos dos mutantes ap2 e ag, é necessário adicionar ao modelo a previsão de que as atividades A e C são mutuamente antagonistas. Ou seja, em um mutante para genes do tipo A, a ação de C se expande para os quatro verticilos e em um mutante do tipo C, dessa vez, é a atividade de A que é expressa nos quatro verticilos (Figuras 3c, d). Esse modelo, criado para explicar os fenótipos de mutantes simples, passa por uma prova final: ele fielmente prevê o fenótipo de mutantes duplos. Por exemplo, o modelo prevê que, se as funções B e C fossem removidas, C deveria definir a identidade dos quatro verticilos, que se desenvolveriam em carpelos. De fato, todos os verticilos do mutante duplo ap2ap3 contêm carpelos (Meyerowitz et al., 1991). Similarmente, se as atividades B e C estivessem ausentes, A deveria definir a identidade de todos os órgãos da flor. Como previsto pelo modelo, sépalas se desenvolvem em todos os verticilos de mutantes duplos agpi. O fenótipo deste duplo mutante apresenta ainda vários verticilos concêntricos adicionais (todos compostos de sépalas), devido ao efeito da mutação ag de suprimir a determinação do meristema floral. O que aconteceria se ambas as funções A e C fossem removidas? A atividade B sozinha definiria a identidade dos verticilos 2 e 3, porém nenhuma das atividades identificadas estaria presente nos verticilos 1 e 4. O modelo não faz nenhuma previsão óbvia sobre o fenótipo resultante, pois nenhum destes estados ocorre em nenhum verticilo da flor do tipo selvagem. A função B é associada à formação de pétalas e estames; assim, espera-se que, na ausência de A e C, B cause a produção de órgãos intermediários entre pétalas e estames. De fato, os verticilos 2 e 3 das flores do mutante duplo ap2ag são ocupados por pétalas estaminoidais. Os verticilos 1 e 4 deste duplo mutante contêm folhas. Igualmente, no triplo mutante ap2ap3ag, no qual as funções A, B e C foram desativadas, as «flores» são formadas por folhas organizadas em vários verticilos concêntricos. Estas observações indicam que a folha seria o «estado basal» a partir do qual a identidade de cada órgão floral seria determinada. Por meio destes resultados, a equivalência de flores e ramos (e portanto de órgãos florais e folhas), clamada por Goethe há mais de 300 anos, foi finalmente demonstrada. O ABC não é suficiente Figura 2: A flor do mutante agamous de arabidópsis é composta por uma série de verticilos contendo apenas sépalas e pétalas Durante a década passada, todos os genes descritos acima foram clonados e seqüenciados. A localização dos respectivos RNA mensageiros foi determinada por hibridização in situ e corresponde, de fato, às regiões descritas pelo modelo ABC (veja a revisão de Ma, 1998). Todos os genes do modelo ABC codificam fatores de transcrição, sugerindo que seus respectivos produtos ativam ou reprimem a transcrição de outros genes requeridos para a diferenciação de tipos celulares órgão-específicos. Embora o modelo ABC explique com sucesso como a combinação de genes homeóticos pode especificar a identidade dos primórdios dos órgãos florais, ele não explica como os domínios de expressão de cada gene homeótico são definidos. Outros mutantes homeóticos do desenvolvimento floral de arabidópsis, como superman (sup; Figura 4) e leafy (lfy), foram caracterizados e os genes correspondentes, clonados. O estudo do fenótipo destes mutantes e dos mutantes duplos entre esses e os do modelo ABC, permitiu o aprimoramento do modelo (Ma, 1998). Assim, SUP, cujo mutante apresenta o desenvolvimento de anteras no lugar de carpelos, embora possua os verticilos 1, 2 e 3 normais (Figura 4), estaria envolvido na retenção da expressão dos genes de função B. O gene LFY faria o papel contrário, ativando os genes de função B. Tanto LFY quanto SUP também codificam reguladores de transcrição. Outros fatores de transcrição, como o codificado pelo gene PERIANTHIA (PAN, Figura 5), controlam o número de órgãos florais sem alterar suas identidades (veja a revisão de Baum, 1998). Assim, as flores do mutante pan possuem mais sépalas e pétalas que as do tipo selvagem (Figura 5). Em animais, a atividade e a extensão do domínio de expressão de fatores de transcrição envolvidos no desenvolvimento são geralmente controladas por cascatas de sinalização. O exemplo de Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento 45
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