Em biologia do desenvolvimento, dá-se o nome de diferenciação celular ao processo de desenvolvimento por meio do qual uma célula jovem e imatura se transforma em um tipo celular especializado, atingindo sua forma e funções maduras. Esse processo é composto por duas fases: especificação e determinação, verificando-se o aumento gradual do comprometimento da célula com um determinado destino à medida em que a célula percorre tais fases.
A especificação celular consiste em uma fase lábil, que ocorre no início do desenvolvimento do organismo (estágio de blástula), e após a qual a célula é capaz de se diferenciar autonomamente ainda que separada do resto do organismo e inserida em um meio neutro (como, por exemplo, uma placa de petri). Durante a especificação o tipo celular ainda não está determinado, razão pela qual se diz que o comprometimento da célula com um dado destino pode ser alterado (ou seja, o destino celular pode ser transformado em outro ou mesmo revertido – com a célula retornando ao estágio de pluripotência), o que não ocorre com células que já passaram para a fase de determinação.
São três os tipos de especificação: autônoma, condicional e sincicial.
A especificação condicional envolve a interação de uma dada célula com outras células ou tecidos vizinhos, o que restringe o destino de um ou de todos os participantes; logo, o destino da célula depende das condições nas quais ela se encontra (originando-se daí o nome atribuído a esse tipo de especificação). Sendo assim, a posição de uma célula em relação às demais é importante, pois determina quais interações poderão ocorrer. Trata-se, portanto, de processo extrínseco à própria célula, diferentemente da especificação autônoma, na qual o destino da célula está ligado ao material celular contido nos blastócitos. Assim, tem-se que a especificação condicional atua mais tarde no desenvolvimento em relação à especificação autônoma, pois requer um embrião já celularizado. Hall, B. K. e Olson, W. M. Keywords and Concepts in Evolutionary Developmental Biology. Harvard University Press Reference Library, 2006, 496p.
A especificação condicional está ligada ao chamado desenvolvimento regulativo: até o estágio de blastocisto, a remoção, adição ou inserção de células no embrião não compromete o desenvolvimento do organismo, podendo ser compensada pela adaptação das células ao novo ambiente em que se encontram. Isso significa que em organismos que apresentam tal tipo de especificação, a retirada de uma célula faz com que a blástula compense a parte extraída, não havendo prejuízo, portanto, ao desenvolvimento final do indivíduo, uma vez que este passa por clivagens indeterminadas. Uma célula retirada de um dado animal e inserida em local distinto do mesmo indivíduo se transformará em uma célula nativa dessa nova área, em decorrência das interações com as outras células e tecidos que lá estão, demonstrando que a célula, nesse estágio, ainda tem retém certa plasticidade. Os blastômeros, portanto, apresentam potenciais de desenvolvimento similares, sendo capazes individualmente de dar origem a um indivíduo completo.
O destino da célula, portanto, depende da posição dela no embrião e nas interações decorrentes disso, verificando-se, portanto, que no desenvolvimento regulativo, os eixos do indivíduo se formam a partir das interações das células constituintes (e não com base na distribuição de materiais celulares em cada um dos blastômeros, como no desenvolvimento em mosaico).Miglani, G. S. Developmental Genetics. Anshan Ltd., UK. and I.K. International, Nova Delhi, India. 2006.Wennekamp, S., Mesecke, S., Nédélec, F., Hiiragi, T. A self-organization framework for symmetry breaking in the mammalian embryo. Nature Reviews Molecular Cell Biology vol. 14, pp. 452–459, 2013.
(ver seção “Indução no desenvolvimento regulativo”, abaixo)
Histórico
A especificação condicional foi descoberta na Alemanha, no final do século XIX, como consequência de testes referentes à teoria do desenvolvimento em mosaico, característico da especificação autônoma.
Destacam-se, primeiramente, os estudos conduzidos por August Weismann, em 1883: sob a crença de que os cromossomos carregavam os determinantes nucleares, responsáveis pela diferenciação dos diversos tipos celulares, Weismann entendia que tais determinantes se dividiam de forma diferenciada nas diferentes porções do corpo, sendo que a linhagem germinativa reteria todos os determinantes. Ele conseguiu suporte à sua teoria cortando a cauda de camundongos recém-nascidos por 19 gerações, sendo que a prole de cada um deles tinha cauda normal, o que indicava que a linhagem germinativa não se afetava pelas condições do tecido somático.
Wilhelm Roux testou a hipótese de Weismann em 1888, indicando que os determinantes se dividiriam entre as metades direita e esquerda do embrião já na primeira divisão da clivagem. Seu experimento consistiu em destruir uma das duas células do embrião de uma rã, usando uma agulha quente, tendo observado a formação de meio embrião morto a partir da célula destruída e outra metade viva no estágio de nêurula, o que se provou posteriormente ser um artefato experimental.
Assim como Roux, em 1892 Hans Driesch procurava responder como os blastômeros remanescentes de um embrião se desenvolviam após uma porção do embrião ser removida. Assim, realizou experimento que consistiu no isolamento de blastômeros de embriões de ouriço do mar contendo 2, 4 e 8 células. O resultado foi o surgimento de larvas normais, mas de tamanho reduzido; isto é, os blastômeros isolados foram capazes de regular seu desenvolvimento e formar um indivíduo completo, ao invés de se diferenciar tão somente como sua parte correspondente no embrião do qual foram extraídos.
Além do experimento acima descrito, Driesch alterou a direção da terceira clivagem, fazendo com que ela fosse meridional, diferentemente do processo natural, em que essa divisão se dá no plano equatorial da célula. A hipótese de Driesch era de que caso o modelo de segregação dos determinantes nucleares proposto por Wiesmann e Roux estivesse correto, o embrião resultante desse experimento deveria ter seus tecidos desorganizados como resultado da mudança da direção da clivagem, pois os determinantes teriam sido mudados de lugar. Todavia, o observado foi a formação de indivíduos normais, o que levou Driesch a concluir que “A posição relativa de um blastômero dentro do organismo como um todo provavelmente definirá de um modo geral o que tal blastômero originará.”
Indução no desenvolvimento regulativo
Ao longo do desenvolvimento regulativo verifica-se a troca de sinais entre as células, determinando sua diferenciação em folhetos embrionários e influenciando a definição da polaridade dos eixos dorso-ventral e ântero-posterior. Dá-se o nome de indução à interação entre regiões do embrião que influencia a diferenciação ou o comportamento de uma segunda região. Denomina- se “indução primária” como aquela realizada pelo organizador, que resulta na definição do eixo dorsal do embrião, e como “induções secundárias” as demais, caracterizando-se, portanto, a necessidade da ocorrência de cascatas indutivas para o desenvolvimento do organismo (e não de apenas um evento de indução).
O processo indutivo ocorre através da formação de gradientes de concentração de morfógenos, que são moléculas produzidas e secretadas por células embrionárias, as quais se difundem e atuam sobre outras células ou tecidos como sinais posicionais que controlam o destino celular no embrião. Assim, a expressão diferencial de genes fica dependente do gradiente de concentração de tais sinalizadores.Rojas, M.; Signore, I. A. & Mejías, R. Morfógenos Durante el Desarrollo Embrionario de Vertebrados. Int. J. Morphol., 32(1):319-326, 2014.
Os sistemas de indução embrionária são compostos de, no mínimo, um tecido capaz de produzir o estímulo indutor e outro capaz de receber e responder ao estímulo. Além disso, é necessário que o tecido alvo da indução tenha a habilidade para responder de uma forma específica. Tal habilidade é chamada de competência e se altera com a idade embrionária, pois o tecido responsável pela produção do estímulo pode mudar ao longo do desenvolvimento.
Usando como modelo o embrião de uma salamandra aquática, Hans Spemann e Hilde Mangold mostraram, em 1924, que o lábio dorsal do blastóporo é a única região autodiferenciável da gástrula. Isto é, ao se remover o lábio dorsal de uma gástrula precoce e inseri-lo na região ventral de um embrião hospedeiro, desenvolve-se uma placa neural completa a partir da ectoderme, por indução da porção transplantada. Posteriormente, em 1938, o pesquisador Spemann definiu o lábio dorsal do blastóporo como o organizador, pois suas células são capazes de induzir tecidos ventrais do hospedeiro a formar estruturas dorsais (tubo neural e tecido mesodérmico dorsal) e define com nitidez os eixos no embrião hospedeiro. Além disso, o organizador é capaz de induzir a transformação de ectoderme em ectoderme neural, iniciar os movimentos de gastrulação e fazer com que a placa neural se torne o tubo neural. Posteriormente, Shih e Keller (1992) mostraram que o organizador consiste apenas das células epiteliais da zona marginal dorsal do blastóporo. Os trabalhos de Pieter Nieuwkoop realizados entre 1969 e 1977 com a rã Xenopus mostraram que a indução tem quatro estágios, sendo eles: (1) a formação do centro de Nieuwkoop que se dá na fertilização do óvulo, (2) a indução da formação do organizador (Spemann-Mangold) que leva à indução do eixo dorsal e do tubo neural, (3) a dorsalização da mesoderme e (4) a caracterização regional do tecido neural induzido - cérebro, medula espinhal, etc.
Especificação condicional nos grupos de animais Os resultados dos experimentos de Driesch tiveram grandes impactos no estudo da embriologia e mostraram como um blastômero isolado tem um potencial de diferenciação maior do que o seu destino prospectivo (com as células embrionárias sendo capazes de se diferenciar em mais formas do que o esperado no desenvolvimento normal, dado que isoladamente podem originar indivíduos completos), ao passo que Weismann e Roux entendiam que o potencial e o destino eram equivalentes (a célula embrionária teria destino invariável), o que corresponde ao desenvolvimento em mosaico.
Inicialmente, entendia-se que a especificação condicional (e, consequentemente, o desenvolvimento regulativo) estava presente apenas em deuterostômios, mas diversos estudos em diferentes filos de protostômios indicaram a ocorrência de desenvolvimento regulativo também nesses grupos.Davidson, E. H. How embryos work: a comparative view of diverse modes of cell fatespecification Development 108, 365-389, 1990. Logo, não é possível generalizar no sentido da existência de embriões que apresentem “apenas” desenvolvimento mosaico ou regulativo, devendo-se sim considerar a ocorrência de ambos em diversos grupos, a depender da linhagem celular que se analisa.Peter A. Lawrence, P. A., Levine, M. Mosaic and regulative development: two faces of one coin. Current Biology Vol 16 N. 7, 2006. Os experimentos com ouriço-do-mar, abaixo descritos, mostram que mesmo se tratando de um animal deuterostômio, ocorre um grau de diferenciação autônoma ao longo do eixo animal-vegetal.
Seguem abaixo exemplos de especificação condicional em alguns grupos:
Nematódeos