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Homeobox

Considerações Gerais

Os genes homeobox são conhecidos como genes controladores do desenvolvimento (do inglês “master control genes”), pois atuam no topo de hierarquias genéticas regulando aspectos essenciais da embriogênese, morfogênese e diferenciação celular de uma série de organismos dos mais simples aos mais complexos.

Esses genes são assim chamados por possuírem um segmento de DNA característico (o homeobox) constituído de 180 pb e que codifica uma proteína com 60 aa que tem função de fator de transcrição e é encarregada de interagir com genes alvos promovendo sua ativação, repressão ou mesmo modulação, o que está na dependência do sinal recebido pela célula. Essa porção protéica de 60 aa, chamada de homeodomínio, possui estrutura de hélice-alça-hélice e se caracteriza pela similaridade na seqüência de aa, pela especificidade ao DNA, representada pela sua 3a hélice, e pelos padrões de expressão durante o desenvolvimento animal. Sabe-se, por exemplo, que as proteínas codificadas pelos genes homeobox Antennapedia, Bicoid e Paired diferem em um resíduo aa colocado na posição 9 da hélice de reconhecimento do seu homeodomínio (Figura 1).

Pouco se sabe sobre os genes alvos das homeoproteínas codificadas pelos homeobox. Sugere-se que essas homeoproteínas atuem em genes que codificam moléculas de adesão, fatores de crescimento e proteínas da matriz extracelular (CARÉ et al., 1996; LAWRENCE et al., 1996). Abate-Shen (2002) relatou que algumas dessas homeoproteínas, tais como Otx2, podem sofrer modificações pós-traducionais e interações com outras proteínas antes de atuarem como fatores de transcrição específicos (figura 2). Apesar dos efeitos biológicos diferentes que ocorrem in vivo, os homeodomínios de várias proteínas homeobox diferentes compartilham grande similaridade seqüencial e podem se ligar, in vitro, de maneira e com similar afinidade a muitas áreas de DNA que contém a seqüência ATTA no núcleo (GUAZZI et al., 1998).

Evidências crescentes indicam que os retinóides, moléculas relacionadas à vitamina A, funcionam como importantes moléculas regulatórias do crescimento e diferenciação celular, tanto durante a embriogênese quanto no animal adulto e são também citados como um dos prováveis reguladores da expressão de genes homeobox. A característica principal dessa regulação parece ser sua habilidade de ativar genes homebox específicos, de maneira que a concentração do ácido retinóico pela qual a célula é exposta provavelmente tem influência em que tipo de gene homeobox será ativado (GUDAS, 1994).

 

Figura 1 – Homeodomínio, mostrando a região da terceira hélice interagindo no sulco maior do DNA.

Figura 2 – Esquema alternativo de regulação da atividade de algumas homeoproteínas. M: modificações pós-traducionais; GTF: fator geral de transcrição, do inglês “general transcription factor”

A descoberta dos genes homeobox foi importante para o entendimento do desenvolvimento embrionário e da evolução, que foram encontrados homólogos com função semelhante em várias espécies, de fungos e vegetais a humanos (GEHRING, 1998). O nome homeobox foi dado a esse grupo de genes porque foram descobertos a partir dos genes homeóticos da mosca da fruta Drosophila melanogaster (figura 3), responsáveis pelo fenômeno conhecido como homeose quando sofrem mutação. A homeose consiste na transformação de uma estrutura corporal em outra.

Exemplo típico ocorre na mutação do gene Antennapedia, que acarreta a formação de patas no lugar das antenas (GEHRING, 1998). Sabe-se que nos vertebrados os genes homólogos ao complexo homeótico da Drosophila (HOM-C) estão dispostos de maneira agrupada e são chamados de HOX. Em humanos estão representados por 39 membros dispostos em quatro grupos (A, B, C e D), localizados nos cromossomos 7, 17, 12 e 2, respectivamente, e contém 9 a 11 genes em cada um desses grupos. A expressão dos genes HOX é iniciada na gastrulação e segue um padrão de colinearidade temporal e espacial, ou seja, os genes HOX da região 3´ são expressos precocemente, seguidos progressivamente pelos genes da região 5`, que são expressos mais tardiamente e controlam regiões mais posteriores do desenvolvimento embrionário (CILLO et al., 1999; GOODMAN, 2002).

 

Figura 3 – Genes homeóticos da mosca da fruta Drosophila melanogaster

A seqüência homeobox também foi verificada em genes não homeóticos da Drosophila e que parecem estar a montante da sua cascata de sinalização. Tais genes representam a classe dos homeobox não agrupados, pois estão dispersos pelo genoma. Nesse caso, vários genes como os de efeito materno, os “gap”, os “pair-rule” e os genes de polaridade de segmento podem conter a seqüência homeobox (GILBERT, 2000) (figura 4). Vários genes homeobox não agrupados continuam sendo descobertos, entre os mais conhecidos e estudados atualmente estão os genes Pax, Msx, Emx, Otx e Dlx assim chamados devido à homologia com os genes da Drosophila “paired”, “muscle segment homeobox”, “empty spiracles”, “orthodenticle” e “distal-less”, respectivamente (CILLO et al., 1999; THOMAS et al., 2000).

 

Figura 4 – Esquema geral dos genes envolvidos no desenvolvimento embrionário da Drosophila. Notar os dois exemplos de genes que contém homeobox: o gene bicoid e o paired

Desenvolvimento versus Câncer

Já se sabe que os aspectos moleculares relacionados ao desenvolvimento como proliferação, diferenciação e apoptose também são relacionados ao processo de carcinogênese. Nesse aspecto, Gailani e Bale (1997) relataram que o homólogo humano do gene patched da Drosophila estava relacionado com a síndrome do carcinoma nevóide basocelular (do inglês NBCCS), a qual origina inúmeros carcinomas basocelulares. Mutações nesse gene ocorrem tanto nas formas hereditárias quanto esporádicas dessas lesões. Sabe-se que o gene patched da Drosophila se relaciona com a via de sinalização do gene hedgehog, que possui grande importância na determinação do destino celular em múltiplas estruturas do desenvolvimento do embrião. A cascata de sinalização da família Wnt também tem importante papel no desenvolvimento e sua desregulação tem implicações na transformação neoplásica (VAN ES; BARKER, CLEVERS, 2003).

Vários outros genes primordiais para o desenvolvimento, como os homeobox, também foram e estão sendo progressivamente associados a cânceres em humanos, pois se mostram desregulados em uma ampla gama de neoplasias malignas, incluindo aquelas de pele, colon, próstata, mama, ovário, rim, pulmão, tireóide, além de leucemias (CILLO et al., 2001; NUNES et al., 2003; TAKAHASHI et al., 2004). De maneira geral, as conseqüências dos genes homeobox para o processo de carcinogênese podem ser interpretadas como uma extensão de sua função normal (ABATE-SHEN, 2002). Falaremos a seguir, de forma breve, sobre a participação de genes homeobox em algumas neoplasias. Essa participação, no entanto, é mais encontrada na literatura associada com os genes HOX, ou seja, com os genes homeobox agrupados, apesar de alguns membros da família de genes não agrupados terem uma associação com a carcinogênese efetivamente mais consistente.

A família de genes PAX representa, dentro dos homeobox, aquela cuja associação com o câncer está mais bem estabelecida. Essa família possui nove genes todos expressos no sistema nervoso central, mesoderma paraxial e seus derivados. Esses genes apresentam um domínio comum de ligação ao DNA, o paired box (CILLO et al., 1999), no entanto nem todos os seus membros são da família homeobox, já que alguns deles não possuem a região do homeodomínio em suas proteínas. Maulbecker e Gruss (1993) estudaram o potencial oncogênico de genes Pax, demonstrando que esses genes eram capazes de induzir oncogênese em camundongos. Essa indução era dependente do domínio paired funcional e não necessitava da presença do homeodomínio para essa atuação. Dessa forma, não somente as proteínas Pax3 e Pax6, que além de possuírem o domínio paired, possuem também homeodomínio, como também Pax2 e Pax8 que contém apenas homeodomínios residuais e o Pax1, que não possui homeodomínio, foram capazes de induzir tumorigênese em camundongos. Além disso, em rabdomiossarcomas alveolares já foram encontradas fusões protéicas t(2;13) entre o gene PAX3 e FKHR (forkhead gene) (CILLO et al., 1999).

Já foi também relatada relação entre homeoproteínas MSX e a cascata de sinalização ras em leucemias (TAKAHASHI et al., 1997), porém a maioria dos outros trabalhos sobre membros dos genes homeobox não agrupados, que se apresentam em situação desregulada, estão associados com anormalidades e síndromes diversas (QIU et al., 1996; WUYTS et al., 2000).
Foi proposto que fatores de crescimento representam alvos normais da ativação de genes HOX durante a embriogênese. Exemplo típico ocorre em melanomas, onde a hiperexpressão do HOXB7 ativa constitutivamente o fator de crescimento fibroblástico básico (bFGF), favorecendo a proliferação celular descontrolada (CARÉ et al., 1996). O gene HOXB7 mostrou-se também expresso em câncer de mama e nesse caso foi associado com prognóstico ruim (HYNDMAN et al., 2002).
Chang et al. (1998) estudaram a amplificação de transcritos de genes Hox tanto na pele normal de camundongos adultos como em papilomas e carcinomas, através do uso de iniciadores degenerados. Seus resultados mostraram que 25 dos 39 genes Hox conhecidos foram amplificados no tecido normal. Ao contrário, nos papilomas e carcinomas, onde preferencialmente o HoxA7, o HoxB7 estavam presentes, sendo observado concomitante silenciamento de todo o lócus do grupo HoxD.

Rieger et al. (1994) observaram que a expressão do gene HOXC4 em queratinócitos de pele normal e em tumores de pele estava correlacionada com a diferenciação celular. Utilizando RT-PCR e hibridização in situ, os autores encontraram expressão predominante do gene em queratinócitos diferenciados, ao passo que em células mais indiferenciadas (neoplásicas), o gene mostrava-se com baixa expressão.

Anormalidades em genes homeobox também estão relacionadas a carcinogênese via anomalias congênitas. Nesse caso, mutações nos genes Hoxa4, Hoxa5 e Hoxa6 em camundongos transgênicos estão relacionadas ao surgimento de anormalidades esqueléticas que levam à transformação da sétima vértebra cervical em um par de costelas que lembram a primeira vértebra torácica. Essa alteração, similar a conhecida costela cervical em humanos, é vista em aproximadamente 2 a 6% dos indivíduos e está associada à formação de diversos tumores em crianças, incluindo neuroblastoma, tumor cerebral, sarcoma de partes moles, leucemia e tumor de Wilm, cuja expressão gênica desses tumores também inclui os mesmos genes relacionados à costela cervical (Hoxa4, Hoxa5 e Hoxa6) (ANBAZHAGAN; RAMAN, 1997).
Em adição a expressão desregulada de genes homeobox em tumores sólidos, alguns desses genes estão freqüentemente translocados em leucemias. Nesse caso, fusões de proteínas do “nucleo pore complex 98” (NUP98) com proteínas codificadas por genes homeobox foram encontradas atuantes em leucemias, como por exemplo, NUP98/HOXA9, NUP98/HOXD13 e NUP98/PMX1, associadas com t(7;11), t(2;11) e t(1;11) respectivamente, (DASH; GILLILAND, 2001; NAKAMURA et al., 1999).

Apesar de trabalhos sobre os genes HOX dominarem claramente a literatura sobre essa temática, ainda não está evidente se esse dado reflete um significado particular na carcinogênese ou se apenas representa o fato desses genes estarem sendo estudados mais extensivamente do que as outras classes de genes homeobox (ABATE-SHEN, 2002).

 

 

 

 

 


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