ERK1/2 é um sinal de organização ancestral em clivagem espiral

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 2286 (2022) Citar este artigo

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O desenvolvimento animal é classificado como condicional ou autônomo com base em se os destinos celulares são especificados por meio de sinais indutivos ou determinantes maternos, respectivamente. No entanto, como esses dois principais modos de desenvolvimento evoluíram permanece obscuro. Durante a clivagem espiral - uma embriogênese estereotipada ancestral de 15 grupos de invertebrados, incluindo moluscos e anelídeos - a maioria das linhagens especifica os destinos das células condicionalmente, enquanto algumas definem os destinos axiais primários de forma autônoma. Para identificar os mecanismos que impulsionam essa mudança, estudamos Owenia fusiformis, um anelídeo condicional de ramificação precoce. Em Owenia, a sinalização do receptor de FGF mediada por ERK1/2 especifica o progenitor endomesodérmico. Essa célula provavelmente age como um organizador, induzindo destinos mesodérmicos e posterodorsais nas células vizinhas e reprimindo os sinais de anteriorização. O papel organizador de ERK1/2 em Owenia é compartilhado com moluscos, mas não com anelídeos autônomos. Juntos, esses achados sugerem que a especificação condicional de um organizador embrionário ERK1/2+ é ancestral na clivagem espiral e foi repetidamente perdida em linhagens de anelídeos com desenvolvimento autônomo.

O compromisso das primeiras células embrionárias com destinos de desenvolvimento mais restritos (por exemplo, endoderma, neuroectoderma e mesoderma) é uma etapa fundamental na embriogênese animal que leva ao estabelecimento de planos corporais e influencia o desenvolvimento subsequente1,2,3. Para definir essa organização espacial inicial, os embriões animais combinam interações célula-célula condicionais e indutivas com a herança assimétrica de determinantes maternos autônomos celulares1,2,4. Frequentemente, uma dessas estratégias de desenvolvimento é predominante e, assim, a embriogênese animal é definida como condicional ou autônoma1,2,4. Durante a evolução, as linhagens de animais transitaram entre esses dois principais modos de especificação do destino celular5. No entanto, como essas transições de desenvolvimento ocorrem não está claro, porque muitas vezes coincidem com variações adicionais na embriogênese inicial (por exemplo, em padrões de clivagem6,7) que dificultam a identificação das causas das mudanças na especificação do destino celular.

A clivagem espiral é um programa de desenvolvimento inicial antigo e estereotipado caracterizado por divisões celulares oblíquas alternadas a partir do estágio de 4 células que é encontrado entre grupos de invertebrados dentro de Spiralia, incluindo moluscos e anelídeos8,9 (Fig. 1a). Os embriões de clivagem espiral organizam os destinos das células em torno de quatro quadrantes embrionários - denominados A-D - que correspondem aproximadamente aos lados esquerdo, ventral, direito e dorsal do corpo, respectivamente8,9. Embora a clivagem espiral seja frequentemente descrita como um exemplo clássico de desenvolvimento autônomo2,4, os embriões de clivagem espiral especificam suas identidades axiais de forma condicional ou autônoma, sem que isso afete a conservação geral do programa de clivagem e as linhagens de células embrionárias8,9,10 (Fig. 1b). No modo condicional de especificação do destino celular, os sinais indutivos entre as células no pólo animal e um blastômero vegetal no estágio de ~32-64 células comprometem o último ao destino D dorsal11. Esta célula atuará como organizadora embrionária, instruindo as células vizinhas para determinados destinos e estabelecendo o plano corporal do animal (Fig. 1b). Este modo de clivagem espiral é generalizado e provavelmente ancestral de Spiralia11,12,13 (mas consulte Dohle para uma hipótese alternativa14) (Fig. 1c). No entanto, algumas linhagens de moluscos e anelídeos11,12 especificam as identidades axiais por meio da segregação assimétrica de determinantes maternos para um blastômero no estágio embrionário de 4 células15,16,17 (Fig. 1b). Este blastômero adotará o destino D dorsal, e um de seus descendentes atuará subseqüentemente como organizador embrionário. Portanto, a presença de modos condicionais e autônomos de desenvolvimento em animais que clivam em espiral12 é um sistema ideal para identificar os mecanismos celulares e moleculares subjacentes às transições de especificação do destino celular em embriões animais. No entanto, os mecanismos que regulam a clivagem espiral e, por extensão, as mudanças no modo de desenvolvimento são pouco compreendidos.