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Desenvolvimento de Insetos
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Bacteria and blue-green algae; 4760
Fungi; 46983
Algae; 26900
Bryophytes (mosses and liverworts) ; 17000
Gymnosperms (conifers) ; 750
Angiosperms (flowering plants) ; 250000
Protozoans ; 30800 Sponges ; 5000
Corals and Jellyfish ; 9000
Roundworms and earthworms ; 24000
Crustaceans ; 38000
Insects ; 751000
Other Arthropods and minor invertebrates ;
132461
Mollusks; 50000 Starfish ; 6100
Fishes (teleosts) ; 19056
Amphibians ; 4184 Reptiles; 6300
Birds ; 9198 Mammals ; 4170
2200 Louva-a-Deus
5000 Libélulas
20000 Gafanhotos
120000 Moscas
110000 Abelhas, Vespas e Formigas
170000 Borboletas e Mariposas
360000 Besouros
Insetos: Um caso de sucesso!!!
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y o ~ /'
t h r o
0 I A\ IV s E c <:1
9 2 5 o o
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Diversidade
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Diferentes estratégias reprodutivas
Ovíparos
Ovovivíparos
Vivíparos
Viviparidade adenotrófica (Afídeos – Partenogênese –, Glossinídeos: tsé-tsé)
Viviparidade pseudoplacentária (Hemímeros)
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Sem evidências fisiológicas do papel trófico destas estruturas
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Partenogênese Desenvolvimento de ovos não fertilizados Vantagens: maior velocidade reprodutiva, maiores chances de sobrevivência de um genótipo isolado, maior aproveitamento de boas condições ambientais momentâneas. Desvantagens: menor variabilidade genética, menor adaptabilidade.
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Poliembrionia (Hymenopteros Parasíticos e Strepsipteros) Múltiplos embriões de um único ovo Número de embriões dependente de disponibilidade de nutrientes
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Pedogênese (Chironomidae (Diptera), Coleoptera, and Hemiptera)
Maturação sexual precoce Geralmente associada a viviparidade e partenogênese Desenvolvimento embrionário durante a fase larval ou pupa da fêmea Caso extremo: afídeos
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Diferentes estratégias de desenvolvimento pós embrionário permitem: •Formas especializadas •Exploração de recursos mais eficiente •Dispersão •Aumento do potencial de adaptação Requer:
Mudas/Ecdise
Metamorfose
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(A) AMETABOLOUS DEVELOPMENT
~Pronymph
;L
Adult
(B) HEM!METABOLOUS DEVELOPMENT
~ Pronymph
• ~ Nymph ~ (iostar 1)
~
Nymph (iustar 2)
Adult
(C) llOLOMETABOLOUS DllVELOPMENT
Larva ( instar I)
t ~Larva
(instar 2)
~
1 Metamorph.ic t (pu pai) moh
Pupa
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Ametábolos
Muitas mudas Maturação da genitália
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Hemimetábolos
A cada muda: •Desenvolvimento de asas •Surgimento de neurônios •Omatídeos •Estruturas sensitivas no tegumento
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Holometábolos
Metamorfose completa Larva: móvel e faminta Pupa: imóvel, histólise e histogênese
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Evo-Devo Holometábolos Metamorfose principal inovação após o surgimento de asas! Holometábolos são monofiléticos 2 teorias: - Larva holometábola seria análoga a uma ninfa hemimetábola.
- Larvas holometábolas seriam versões duradouras das próninfas hemimetábolas
(embriões de vida livres). ( Diversas evidências corroboram: sistema nervoso, similaridade fisiológicas, sem vestígios de asas, cutícula não-esclerotizada)
Por quê? Dietas distintas entre larvas e adultos Ambientes distintos Encurtamento da fase imatura*** Controle sobre o desenvolvimento (fatores ambientais, diapausa, sucesso adaptativo)
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Drosophila melanogaster
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Clivagem •1 divisão a cada 9 minutos!! •Após 9ª divisão núcleos migram •Após 13ª mitose ocorre celularização •“Sobram” ~15 células polares
Sicronizadamente? Metacronicamente?
“Energids” Clivagem total
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Origem da clivagem sincicial incerta
Collembola -- Diplura
Hexapoda
Sincicial Total
Cheliceratta Onichophora
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Migração para a periferia pode variar
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Na maioria dos insetos alguns núcleos permanecem no vitelo e originam vitelófagos. Lepidopteros, Dipteros, e alguns ortópteros migram todos os núcleos para a periferia, sendo que alguns destes após algumas multiplicações migram de volta ao vitelo como vitelófagos secundários.
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A
extra-embryonic ectoderm
germ cells
embryonic primordium
stomodeum
B
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Gastrulação
•± 3 hpf •Corda Nervosa Ventral (Artrópodes) •Neuroblastos •Não ocorrem divisões celulares durante a Gastrulação
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Ao término da Gastrulação: •A epiderme divide-se 2-3 vezes e começa a secretar a cutícula •Torna-se evidente um padrão de segmentação
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: .. . :.:::· .. : ·.·-..:. : : . _: .-=-.:: : :·.· : -~ 1: ....... .. ~.: :·. . : .· ~
blastoderm
b) Apis
c) Locusta
-...;.;<-- vitellophage
~.:e!!~:;:+.,~~~-í·nner layer
invagination germ band
lateral plate ...,...._ ___ ofgerm
band
middle plate
: ·/ yolk
ventral groove
posterior midgut rudiment
posterior midgut rudiment
posterior midgut rudiment
midgut
anterior midgut rudiment
stomodeum
stomodeum
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Formação de membranas extra-embrionárias: Âmnio e serosa Exceção Muscomorpha
Cutícula serosa/pico hormonal
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You. M V€ . USí &~ . 1\ '1 i'RoU""
HE 'S . - . V• so curE 1 I -.
~stabe\ec\tnento de am:_~~ E\1f.OS etn \nsetOS
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Em Drosophila 24 genes determinam as estruturas terminais 18 genes determinam o eixo D-V 50 genes determinam o eixo A-P e o padrão de segmentação
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Estágio sincicial: difusão (proteínas e mRNAs) Determinação inicial de eixos ântero-posterior e dorso-ventral no blastoderme 3ª dimensão após gastrulação
Informação posicional: gradiente de fatores
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Fatores maternos
~50 genes maternos +
Genes zigóticos
Proteínas ou mRNAs
Iniciado o desenvolvimento as
mensagens maternas são traduzidas e as proteínas ativam ou
modulam a transcrição zigótica
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Estes genes agem seqüencialmente em uma ordem temporalmente regulada e respeitando uma hierarquia de atividade (cascata).
Descobertos a partir de mutações 3 classes determinam o A-P
Anteriores e posteriores: bicoid, nanos, hunchback e caudal Terminal: torso
Modulação da transcrição, tradução e atividade protéica
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bicoid Gradiente A/P mRNA localizado na porção anterior Tradução após a fecundação Difusão da proteína Bicoid Mutantes sem bicoid sem cabeça/tórax ou até com télson no lugar do ácron 1º gradiente morfogênico detectado Difusão e degradação de bicoid para formar o gradiente correto ½ vida de 30 min Fator de transcrição Ativa genes em limiares de []
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Experimentos de extravasamento e transferência
citoplasmática
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caudal, hunchback e nanos
bicoid padroniza somente porção anterior Posterior é padronizada por pelo menos 9 genes Mutações larvas curtas, abdome anormal. oskar localiza nanos mRNA + plasma germinativo nanos é traduzido após fecundação nanos não é um morfógeno direto Inibição gradiente da tradução de hunchback caudal distribuição uniforme Tradução inibida por bicoid
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(A) Oocyte mRNAs
c o
hunchback mRNA ~---------7-------------~
-bicoid mRNA
\ Anterior
~caudal j' mRNA
nanosmRNA
Posterior
(B) Early cleavage embryo proteins
c o ·-.... e<:$ ;...... .... c: v u c o u
Anterior
/ Hunchback
Caudal ____
Posterior
(C)
ANTERIOR
bicoid mRNA
Cortex, Grauzone, Staufen caudalmRNA
I Bicoid protein ~-I ----~
POSTERIOR
I nanos mRNA I ! Oskar
I Caudal proteinf
hunchback mRNA
I Nanos ~----------~ protein Pumilio
p55 Hunchback protein
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torso
Mutações levam a defeitos nas duas extremidades
Codifica um receptor transmembrânico TK
mRNA materno transcrito após fecundação
Uniformemente distribuído na membrana do ovo
Seu ligante é um fragmento de Trunk (Ou Torso-like)
>[ ] de ligante nos pólos
Ligados ao ligante tem sua atividade de quinase
acionada
Fosforilando proteínas citoplasmáticas e ativando a
transcrição zigótica relacionada às extremidades
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Huckebein Tailless
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Eixo dorso-ventral Proteínas maternas na membrana vitelínica do ovo
toll: mRNA materno traduzido depois da fecundação Receptor transmembrânico Ligante: fragmento de Spätzle Produzido por Pipe Heparan-sulfato-sulfotransf. Dorsal: fator de transcrição (materno)
Spätzle Spätzle fragmento Toll Dorsal
Pipe
Ativada na região ventral
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limiar de concentração acima do qual o gene decapentaplegic é reprimido
o
Tipo selvagem
o
v
limiar de concentração acima do qual o gene twist é ativado
, , , ,
-v -----
, , ,
v
• I
I , I ,
proteína Dorsal no núdeo
limiar de concentração acima do qual o gene decapentaplegic é reprimido
o
Ventralizado
o
v
limiar de concentração acima do qual o gene twist é ativado
, , , ,
v -----
, ,
v
• I
proteína Dorsal no núdeo
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Decapentaplegic é expressa na região dorsal, onde a Dorsal não está presente nos núcleos
• Proteína Dorsal D decapentaplegic, tolloid D sog
A atividade da Dpp é impedida de estender-se ventralmente pela Sog
Dpp, Sog e Tld interagem resultando em um pico pronunciado da atividade da Dpp nas células mais dorsais
\------ Atividade da
Amnio-serosa
Ectoderme dorsa(
Dpp
Sog liga-se à Dpp e à Tld na região de sobreposição de gradientes
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Drosophil I
A
NE
• I 1'1 G~h • ~
~~t2 • md
Verte rra e
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Oogênese e os fatores maternos
Ao sair do ovário o ovo é muito bem organizado (programado)
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Divisões assimétricas das células-tronco
1 célula-tronco
Citoblasto
1 oócito
15 células nutridoras (unidas por junções comunicantes)
Células foliculares : componentes da membrana vitelínica e do córion
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Posicionamento posterior do oócito Delta-notch Caderinas E
Propagação ???? Como o primeiro oócito polariza-se???
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•Gurken: fator de crescimento
•mRNA traduzido na
extremidade posterior e
secretado
•Indução de células foliculares
posteriores
•Produção de um sinal (?) que
re-organiza os microtúbulos e
posiciona nanos e bicoid
(originários das nutridoras).
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localização do mRNA de gurken localização do mRNA de bicoid localização do mRNA de oskar
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Torso Torso
Pipe
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Anterior
Uncommitted polar follicle cells
(B)
(C)
(D)
Anterior
bicoidmRNA
Nucleus Gurken
bicoid mRNA
Microtubules
association with kinesin I
association with Oskar protein
Posterior
Terminal foi lide cells
Gurken protein
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Sinais intercelulares comuns utilizados na Drosophila
Família e exemplos Receptores Exemplos de funções no desenvolvimento
Família Hedgehog
Hedgehog Patched Padronização de segmentos de insetos Sinalização posicional em discos de pata
e de asa de insetos
Família Wingless (Wnt)
Wingless e outras proteínas Wnt Friuled Especificação de segmentos e e de discos imaginais de insetos (Wingless)
Outras Wnts têm funções no desenvolvimento
Delta e Serrate
Proteínas transmembrânicas Notch Funções em muitos estágios do desenvolvimento de sinalização Especificação da polaridade do oócito
Família do fator de crescimento transformante a (TGF-a)
Gurken, Spitz, Vein Receptor EGF (tirosino-quinase receptora) Polarização do oócito Somente um na Drosophila conhecido Desenvolvimento do olho, diferenciação como DER ou Torpedo de veias da asa (ver Capítulo 9)
Família do fator de crescimento transformante Jl. (TGF-(3)
Decapentaplegic Receptores atuam como heterodímeros Padronização do eixo dorsoventral de subunidades de tipo I (p. ex., e de discos imaginais Thick veins) e tipo 11 (p. ex., Punt) Serino/treonino-quinases
Família do fator de crescimento de fibroblastos (FGF)
Um pequeno número de Receptores FGF (tirosino-quinases receptoras) Migração de células traqueais homólogos de FGF Dois na Drosophila, por exemplo, Breathless (ver Capítulo 9) (p. ex., Branchless)
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Diferenças na determinação de eixos entre insetos
Germe Longo vs. Germe curto
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A
Naaonla Dtoaophlla Anopltela Bombyx
Nasonla Drosophila Anopheles Bombyx
B Trlbollflm Oncopeltu• Anchya Acyrthoalphon Eu•cella
Trlbollum Oncopeltus Acyrthoslphon Euscel/s
c
Gryl/us Schístocerca Atrachya Thermobía
A
D
Ovary
A
B
Perivitelline space Embryo
B c od. ECM
~ protease cascade
I T
Spz activation
~ Toll (mat)
E F ???
I T
protease cascade?
t Spz
activation?
~
c
D
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Insetos parasitas (Himenóptera, Encyrtidae, Dryinidae, Platygasteridae e Braconidae) Poliembrionia ~400 células Padronização de eixos autônoma
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Evolution of Invertebrate Deuterostomes and Hox/ParaHox Genes Tetsuro Ikuta Genomics, Proteomics & Bioinformatics, Volume 9, Issue 3, 2011, Pages 77-96, ISSN 1672-0229, https://doi.org/10.1016/S1672-0229(11)60011-9.