Applying mild methods of preparation, part of the ribosomes of rabbit reticulocytes are found in aggregates (later called polyribosomes) of up to six ribosomal units. Upon treatment with RNA-ase, they desintegrate into single ribosomes. The fast-sedimenting aggregates are found to be more active in protein synthesis in terms of incorporation of radioactive amino acids, whereas the single ribosomes are more receptive to stimulation by the artificial messenger RNA poly-U. The findings indicate that the linkage of ribosomes into aggregates is (...) due to the messenger RNA. They support a tape-reading mechanism of protein synthesis whereby growth of the peptide chain is accompanied by shifting the active site of the ribosome from one coding group of nucleotides of the messenger RNA to the next. (shrink)

The short paper introduces the concept of possible branches of double-stranded DNA (later sometimes called palindromes): Certain sequences of nucleotides may be followed, after a short unpaired stretch, by a complementary sequence in reversed order, such that each DNA strand can fold back on itself, and the DNA assumes a cruciform or tree-like structure. This is postulated to interact with regulatory proteins. -/- .

The Protein Ontology (PRO) web resource provides an integrative framework for protein-centric exploration and enables specific and precise annotation of proteins and protein complexes based on PRO. Functionalities include: browsing, searching and retrieving, terms, displaying selected terms in OBO or OWL format, and supporting URIs. In addition, the PRO website offers multiple ways for the user to request, submit, or modify terms and/or annotation. We will demonstrate the use of these tools for protein research and annotation.

Biomedical ontologies are emerging as critical tools in genomic and proteomic research where complex data in disparate resources need to be integrated. A number of ontologies exist that describe the properties that can be attributed to proteins; for example, protein functions are described by Gene Ontology, while human diseases are described by Disease Ontology. There is, however, a gap in the current set of ontologies—one that describes the protein entities themselves and their relationships. We have designed a (...) class='Hi'>PRotein Ontology (PRO) to facilitate protein annotation and to guide new experiments. The components of PRO extend from the classification of proteins on the basis of evolutionary relationships to the representation of the multiple protein forms of a gene (products generated by genetic variation, alternative splicing, proteolytic cleavage, and other post-translational modification). PRO will allow the specification of relationships between PRO, GO and other OBO Foundry ontologies. Here we describe the initial development of PRO, illustrated using human proteins from the TGF-beta signaling pathway. (shrink)

Biological order provided by α-helical secondary protein structures is an important resource exploitable by living organisms for increasing the efficiency of energy transport. In particular, self-trapping of amide I energy quanta by the induced phonon deformation of the hydrogen-bonded lattice of peptide groups is capable of generating either pinned or moving solitary waves following the Davydov quasiparticle/soliton model. The effect of applied in-phase Gaussian pulses of amide I energy, however, was found to be strongly dependent on the site of (...) application. Moving solitons were only launched when the amide I energy was applied at one of the α-helix ends, whereas pinned solitons were produced in the α-helix interior. In this paper, we describe a general mechanism that launches moving solitons in the interior of the α-helix through phase-modulated Gaussian pulses of amide I energy. We also compare the predicted soliton velocity based on effective soliton mass and the observed soliton velocity in computer simulations for different parameter values of the isotropy of the exciton-phonon interaction. The presented results demonstrate the capacity for explicit control of soliton velocity in protein α-helices, and further support the plausibility of gradual optimization of quantum dynamics for achieving specialized protein functions through natural selection. (shrink)

It is widely understood that protein functions can be exhaustively described in terms of no single parameter, whether this be amino acid sequence or the three-dimensional structure of the underlying protein molecule. This means that a number of different attributes must be used to create an ontology of protein functions. Certainly much of the required information is already stored in databases such as Swiss-Prot, Protein Data Bank, SCOP and MIPS. But the latter have been developed for (...) different purposes and the separate data-structures which they employ are not conducive to the needed data integration. When we attempt to classify the entities in the domain of proteins, we find ourselves faced with a number of cross-cutting principles of classification. Our question here is: how can we bring together these separate taxonomies in order to describe protein functions? Our proposed answer is: via a careful top-level ontological analysis of the relevant principles of classification, combined with a new framework for the simultaneous manipulation of classifications constructed for different purposes. (shrink)

Representing species-specific proteins and protein complexes in ontologies that are both human and machine-readable facilitates the retrieval, analysis, and interpretation of genome-scale data sets. Although existing protin-centric informatics resources provide the biomedical research community with well-curated compendia of protein sequence and structure, these resources lack formal ontological representations of the relationships among the proteins themselves. The Protein Ontology (PRO) Consortium is filling this informatics resource gap by developing ontological representations and relationships among proteins and their variants and (...) modified forms. Because proteins are often functional only as members of stable protein complexes, the PRO Consortium, in collaboration with existing protein and pathway databases, has launched a new initiative to implement logical and consistent representation of protein complexes. We describe here how the PRO Consortium is meeting the challenge of representing species-specific protein complexes, how protein complex representation in PRO supports annotation of protein complexes and comparative biology, and how PRO is being integrated into existing community bioinformatics resources. The PRO resource is accessible at http://pir.georgetown.edu/pro/. (shrink)

Biochemical kinds such as proteins pose interesting problems for philosophers of science, as they can be studied from the points of view of both biology and chemistry. The relationship between the biological functions of biochemical kinds and the microstructures that they are related to is the key question. This leads us to a more general discussion about ontological reductionism, microstructuralism, and multiple realization at the biology-chemistry interface. On the face of it, biochemical kinds seem to pose a challenge for ontological (...) reductionism and hence motivate a dual theory of chemical and biological kinds, a type of pluralism about natural kinds. But it will be argued that the challenge, which is based on multiple realization, can be addressed. The upshot is that there are reasonable prospects for ontological reductionism about biochemical kinds, which corroborates natural kind monism. (shrink)

In the beginning of the 20th century the groundbreaking work of Ramon y Cajal firmly established the neuron doctrine, according to which neurons are the basic structural and functional units of the nervous system. Von Weldeyer coined the term “neuron” in 1891, but the huge leap forward in neuroscience was due to Cajal’s meticulous microscopic observations of brain sections stained with an improved version of Golgi’s la reazione nera (black reaction). The latter improvement of Golgi’s technique made it possible to (...) visualize the arborizations of single neurons that were “colored brownish black even to their finest branchlets, standing out with unsurpassable clarity upon a transparent yellow background. All was sharp as a sketch with Chinese ink”. The high quality of both the visualization of individual nerve cells and the work performed on studying the anatomy of the central nervous system lead Ramon y Cajal to the conclusion that axons output the nervous impulses to the dendrites or the soma of other target neurons. (shrink)

We introduce a new type of pluralism about biological function that, in contrast to existing, demonstrates a practical integration among the term’s different meanings. In particular, we show how to generalize Sandra Mitchell’s notion of integrative pluralism to circumstances where multiple epistemic tools of the same type are jointly necessary to solve scientific problems. We argue that the multiple definitions of biological function operate jointly in this way based on how biologists explain the evolution of protein (...) class='Hi'>function. To clarify how our account relates to existing views, we introduce a general typology for monist and pluralist accounts along with standardized criteria for judging which is best supported by evidence. (shrink)

The Protein Ontology provides terms for and supports annotation of species-specific protein complexes in an ontology framework that relates them both to their components and to species-independent families of complexes. Comprehensive curation of experimentally known forms and annotations thereof is expected to expose discrepancies, differences, and gaps in our knowledge. We have annotated the early events of innate immune signaling mediated by Toll-Like Receptor 3 and 4 complexes in human, mouse, and chicken. The resulting ontology and annotation data (...) set has allowed us to identify species-specific gaps in experimental data and possible functional differences between species, and to employ inferred structural and functional relationships to suggest plausible resolutions of these discrepancies and gaps. (shrink)

Protein α-helices provide an ordered biological environment that is conducive to soliton-assisted energy transport. The nonlinear interaction between amide I excitons and phonon deformations induced in the hydrogen-bonded lattice of peptide groups leads to self-trapping of the amide I energy, thereby creating a localized quasiparticle (soliton) that persists at zero temperature. The presence of thermal noise, however, could destabilize the protein soliton and dissipate its energy within a finite lifetime. In this work, we have computationally solved the system (...) of stochastic differential equations that govern the quantum dynamics of protein solitons at physiological temperature, T=310 K, for either a single isolated α-helix spine of hydrogen bonded peptide groups or the full protein α-helix comprised of three parallel α-helix spines. The simulated stochastic dynamics revealed that although the thermal noise is detrimental for the single isolated α-helix spine, the cooperative action of three amide I exciton quanta in the full protein α-helix ensures soliton lifetime of over 30 ps, during which the amide I energy could be transported along the entire extent of an 18-nm-long α-helix. Thus, macromolecular protein complexes, which are built up of protein α-helices could harness soliton-assisted energy transport at physiological temperature. Because the hydrolysis of a single adenosine triphosphate molecule is able to initiate three amide I exciton quanta, it is feasible that multiquantal protein solitons subserve a variety of specialized physiological functions in living systems. (shrink)

Assembly of minimal genomes revealed many genes encoding unknown functions. Three overlooked functional categories account for some of them. Cells are prone to make errors and age. As a first key function, discrimination between proper and changed entities is indispensable. Discrimination requires management of information, an authentic, yet abstract, cur- rency of reality. For example proteins age, sometimes very fast. The cell must identify, then get rid of old proteins without destroying young ones. Implementing discrimination in cells leads to (...) the second set of functions, usually ignored. Being abstract, information must nevertheless be embodied into material entities, with unavoidable idiosyncratic properties. This brings about novel unmet needs. Hence, the buildup of cells elicits specific but awkward material implementations, ‘kludges’ that become essential under particular settings, while difficult to identify. Finally, a third functional category char- acterizes the need for growth, with metabolic implementations allowing the cell to put together the growth of its cytoplasm, membranes, and genome, spanning different spatial dimensions. Solving this metabolic quandary, critical for engineering novel synthetic biology chassis, uncovered an unexpected role for CTP synthetase as the coordinator of nonhomothetic growth. Because a significant number of SynBio constructs aim at creating cell factories we expect that they will be attacked by viruses (it is not by chance that the function of the CRISPR system was identified in industrial settings). Substantiating the role of CTP, natural selection has dealt with this hurdle via synthesis of the antimetabolite 30-deoxy-30,40-didehydro- CTP, recruited for antiviral immunity in all domains of life. (shrink)

Synthetic biology (SynBio) covers two main areas: application engineering, exemplified by metabolic engi- neering, and the design of life from artificial building blocks. As the general public is often reluctant to embrace synthetic approaches, preferring nature to artifice, its immediate future will depend very much on the public’s reaction to the unmet needs created by the pervasive demands of sustainability. On the other hand, this reluctance should not have a negative impact on research that will now take into account the (...) existence of the multiple transitions that cells face over time. The ages of life—birth, development, maturation, senescence and death—reflect specific key transitions and have, until now, rarely been taken into account in SynBio designs. This results in a mismatch between novelty and the very long evolutionary time that led to the existing chassis [remember that this is the common term used to describe the cellular framework as seen by synthetic biologists (de Lorenzo & Danchin, 2008)]. It also implies that, in general, transitions between growth stages will be taken into account with the appro- priate embodiment of highly specific processes. This is particularly important when adapting new models to their host, whether natural or artificial. Adaptation fol- lows two stages, short-term accommodation of new entities and long-term assimilation into the cell as a whole. This requires discrimination between classes of entities. We suggest that proteins playing the essential role of Maxwell’ demons, here named Maxwell’s dis- criminators (MxDs) to refer to their original function, will permit the assimilation and accommodation of artificial constructs. As a consequence, we can foresee that class discrimination, beyond mere recognition, will be implemented in SynBio 2.0, leading to an authentic par- adigm shift (Kuhn, 1996), based on conceptions that embody information as a genuine currency of reality. (shrink)

In a now classic paper published in 1991, Alberch introduced the concept of genotype–phenotype (G!P) mapping to provide a framework for a more sophisticated discussion of the integration between genetics and developmental biology that was then available. The advent of evo-devo first and of the genomic era later would seem to have superseded talk of transitions in phenotypic space and the like, central to Alberch’s approach. On the contrary, this paper shows that recent empirical and theoretical advances have only sharpened (...) the need for a different conceptual treat- ment of how phenotypes are produced. Old-fashioned metaphors like genetic blueprint and genetic programme are not only woefully inadequate but positively misleading about the nature of G!P, and are being replaced by an algorithmic approach emerging from the study of a variety of actual G!P maps. These include RNA folding, protein function and the study of evolvable soft- ware. Some generalities are emerging from these disparate fields of analysis, and I suggest that the concept of ‘developmental encoding’ (as opposed to the classical one of genetic encoding) provides a promising computational–theoretical underpinning to coherently integrate ideas on evolvability, modularity and robustness and foster a fruitful framing of the G!P mapping problem. (shrink)

Recent successes of systems biology clarified that biological functionality is multilevel. We point out that this fact makes it necessary to revise popular views about macromolecular functions and distinguish between local, physico-chemical and global, biological functions. Our analysis shows that physico-chemical functions are merely tools of biological functionality. This result sheds new light on the origin of cellular life, indicating that in evolutionary history, assignment of biological functions to cellular ingredients plays a crucial role. In this wider picture, even if (...) aggregation of chance mutations of replicator molecules and spontaneously self-assembled proteins led to the formation of a system identical with a living cell in all physical respects but devoid of biological functions, it would remain an inanimate physical system, a pseudo-cell or a zombie-cell but not a viable cell. In the origin of life scenarios, a fundamental circularity arises, since if cells are the minimal units of life, it is apparent that assignments of cellular functions require the presence of cells and vice versa. Resolution of this dilemma requires distinguishing between physico-chemical and biological symbols as well as between physico-chemical and biological information. Our analysis of the concepts of symbol, rule and code suggests that they all rely implicitly on biological laws or principles. We show that the problem is how to establish physico-chemically arbitrary rules assigning biological functions without the presence of living organisms. We propose a solution to that problem with the help of a generalized action principle and biological harnessing of quantum uncertainties. By our proposal, biology is an autonomous science having its own fundamental principle. The biological principle ought not to be regarded as an emergent phenomenon. It can guide chemical evolution towards the biological one, progressively assigning greater complexity and functionality to macromolecules and systems of macromolecules at all levels of organization. This solution explains some perplexing facts and posits a new context for thinking about the problems of the origin of life and mind. (shrink)

The biomedical literature makes extensive use of the concept of a genetic program. So far, however, the nature of genetic programs has received no satisfactory elucidation from the standpoint of computer science. This unsettling omission has led to doubts about the very existence of genetic programs, on the grounds that gene regulatory networks lack a predetermined schedule of execution, which may seem to contradict the very idea of a program. I show, however, that we can make perfect sense of genetic (...) programs, if only we abandon the preconception that all computers have a von Neumann architecture. Instead, genetic programs instantiate the computational architecture of Post–Newell Production Systems. That is, genetic programs are unordered sets of conditional instructions, instructions that fire independently when their conditions are matched. For illustration I present a paradigm Production System that regulates the functioning of the well-known lac operon of E. coli. On close reflection it turns out that not only genes, but also proteins encode instructions. I propose, therefore, to rename genetic programs to biomolecular programs. Biomolecular and/or genetic programs, and the cellular computers than run them, are to be understood not as von Neumann computers, but as Post–Newell production systems. (shrink)

A classic analytic approach to biological phenomena seeks to refine definitions until classes are sufficiently homogenous to support prediction and explanation, but this approach founders on cases where a single process produces objects with similar forms but heterogeneous behaviors. I introduce object spaces as a tool to tackle this challenging diversity of biological objects in terms of causal processes with well-defined formal properties. Object spaces have three primary components: (1) a combinatorial biological process such as protein synthesis that generates (...) objects with parts that are modular, independent, and organized according to an invariant syntax; (2) a notion of “distance” that relates the objects according to rules of change over time as found in nature or useful for algorithms; (3) mapping functions defined on the space that map its objects to other spaces or apply an evaluative criterion to measure an important quality, such as parsimony or biochemical function. Once defined, an object space can be used to represent and simulate the dynamics of phenomena on multiple scales; it can also be used as a tool for predicting higher-order properties of the objects, including stitching together series of causal processes. Object spaces are the basis for a strategy of theorizing, discovery, and analysis in biology: as heuristic idealizations of biology, they help us transform inchoate, intractable problems into articulated, well-structured ones. Developing an object space is a research strategy with a long, successful history under many other names, and it offers a unifying but not overreaching approach to biological theory. (shrink)

I consider some hitherto unexplored examples of teleological language in the sciences. In explicating these examples, I aim to show (a) that such language is not the sole preserve of the biological sciences, and (b) that not all such talk is reducible to the ascription of functions. In chemistry and biochemistry, scientists explaining molecular rearrangements and protein folding talk informally of molecules rearranging “in order to” maximize stability. Evolutionary biologists, meanwhile, often speak of traits evolving “in order to” optimize (...) some fitness-relevant variable. I argue that in all three contexts such locutions are best interpreted as shorthands for more detailed explanations which, were we to spell them out in full, would show that the relevant process would robustly converge towards the same end-point despite variation in initial conditions. This suggests that, in biology, such talk presupposes a substantial form of adaptationism. The upshot is that such shorthands may be more applicable in the physical sciences than the biological. (shrink)

The mathematical universe hypothesis is a theory that the physical universe is not merely described by mathematics, but is mathematics, specifically a mathematical structure. Our research provides evidence that the mathematical structure of the universe is biological in nature and all systems, processes, and objects within the universe function in harmony with biological patterns. Living organisms are the result of the universe’s biological pattern and are embedded within their physiology the patterns of this biological universe. Therefore physiological patterns in (...) living organisms can be used as models to structurally map analogies from the biological domain to any target domain to reveal and understand the biological nature of the target domain. Our paper explores various analogies, structurally mapping a red blood cell to a cup; proteins produced from ribosomes to music produced from instruments; a beating heart to the melting and freezing of Antartica; cells, tissue, organs and blood, to people, organizations, industries, and money, and; bio-economic concepts in cellular society to socioeconomic concepts in human society. It also discusses how phenomena in cellular mitosis can help explain phenomena in the universe, such as black holes, dark matter, dark energy, and the structure of the universe. Building upon the concept of perennial wisdom, our research has provided evidence that the ideas of a biological universe were expressed across many past cultures and historical periods. The implications of this theory are vast, encompassing fields such as physics, science, philosophy, religion, law, economics, politics, and engineering, thus serving as a unifying theory for all knowledge. Our theory is supported by meta-analysis of scientific, historic, and religious literature, observations and first principles logic. (shrink)

Forty years’ experience as a bacterial geneticist has taught me that bacteria possess many cognitive, computational and evolutionary capabilities unimaginable in the first six decades of the twentieth century. Analysis of cellular processes such as metabolism, regulation of protein synthesis, and DNA repair established that bacteria continually monitor their external and internal environments and compute functional outputs based on information provided by their sensory apparatus. Studies of genetic recombination, lysogeny, antibiotic resistance and my own work on transposable elements revealed (...) multiple widespread bacterial systems for mobilizing and engineering DNA molecules. Examination of colony development and organization led me to appreciate how extensive multicellular collaboration is among the majority of bacterial species. Contemporary research in many laboratories on cell–cell signaling, symbiosis and pathogenesis show that bacteria utilise sophisticated mechanisms for intercellular communication and even have the ability to commandeer the basic cell biology of ‘higher’ plants and animals to meet their own needs. This remarkable series of observations requires us to revise basic ideas about biological information processing and recognise that even the smallest cells are sentient beings. Previous article in issue. (shrink)

Different chemical species are often cited as paradigm examples of structurally delimited natural kinds. While classificatory monism may thus seem plausible for simple molecules, it looks less attractive for complex biological macromolecules. I focus on the case of proteins that are most plausibly individuated by their functions. Is there a single, objective count of proteins? I argue that the vagaries of function individuation infect protein classification. We should be pluralists about macromolecular classification.

All the conserved detailed results of evolution stored in DNA must be read, transcribed, and translated via an RNAmediated process. This is required for the development and growth of each individual cell. Thus, all known living organisms fundamentally depend on these RNA-mediated processes. In most cases, they are interconnected with other RNAs and their associated protein complexes and function in a strictly coordinated hierarchy of temporal and spatial steps (i.e., an RNA network). Clearly, all cellular life as we (...) know it could not function without these key agents of DNA replication, namely rRNA, tRNA, and mRNA. Thus, any definition of life that lacks RNA functions and their networks misses an essential requirement for RNA agents that inherently regulate and coordinate (communicate to) cells, tissues, organs, and organisms. The precellular evolution of RNAs occurred at the core of the emergence of cellular life and the question remained of how both precellular and cellular levels are interconnected historically and functionally. RNA-networks andRNA-communication can interconnect these levels.With the reemergence of virology in evolution, it became clear that communicating viruses and subviral infectious genetic parasites are bridging these two levels by invading, integrating, coadapting, exapting, and recombining constituent parts in host genomes for cellular requirements in gene regulation and coordination aims. Therefore, a 21st century understanding of life is of an inherently social process based on communicating RNA networks, in which viruses and cells continuously interact. (shrink)

Cells are cognitive entities possessing great computational power. DNA serves as a multivalent information storage medium for these computations at various time scales. Information is stored in sequences, epigenetic modifications, and rapidly changing nucleoprotein complexes. Because DNA must operate through complexes formed with other molecules in the cell, genome functions are inherently interactive and involve two-way communication with various cellular compartments. Both coding sequences and repetitive sequences contribute to the hierarchical systemic organization of the genome. By virtue of nucleoprotein complexes, (...) epigenetic modifications, and natural genetic engineering activities, the genome can serve as a read-write storage system. An interactive informatic conceptualization of the genome allows us to understand the functional importance of DNA that does not code for protein or RNA structure, clarifies the essential multidirectional and systemic nature of genomic information transfer, and emphasizes the need to investigate how cellular computation operates in reproduction and evolution. (shrink)

Ontologies are being developed throughout the biomedical sciences to address standardization, integration, classification and reasoning needs against the background of an increasingly data-driven research paradigm. In particular, ontologies facilitate the translation of basic research into benefits for the patient by making research results more discoverable and by facilitating knowledge transfer across disciplinary boundaries. Addressing and adequately treating mental illness is one of our most pressing public health challenges. Primary research across multiple disciplines such as psychology, psychiatry, biology, neuroscience and pharmacology (...) needs to be integrated in order to promote a more comprehensive understanding of underlying processes and mechanisms, and this need for integration only becomes more pressing with our increase in understanding of differences among individuals and populations at the molecular level concerning susceptibility to specific illnesses. Substance addiction is a particularly relevant public health challenge in the developed world, affecting a substantial percentage of the population, often co-morbid with other illnesses such as mood disorders. Currently, however, there is no straightforward automated method to combine data of relevance to the study of substance addiction across multiple disciplines and populations. In this contribution, we describe a framework of interlinked, interoperable bio-ontologies for the annotation of primary research data relating to substance addiction, and discuss how this framework enables easy integration of results across disciplinary boundaries. We describe entities and relationships relevant for the description of addiction within the Mental Functioning Ontology, Chemical Entities of Biological Interest Ontology, Protein Ontology, Gene Ontology and the Neuroscience Information Framework ontologies. (shrink)

The electric activities of cortical pyramidal neurons are supported by structurally stable, morphologically complex axo-dendritic trees. Anatomical differences between axons and dendrites in regard to their length or caliber reflect the underlying functional specializations, for input or output of neural information, respectively. For a proper assessment of the computational capacity of pyramidal neurons, we have analyzed an extensive dataset of three-dimensional digital reconstructions from the NeuroMorphoOrg database, and quantified basic dendritic or axonal morphometric measures in different regions and layers of (...) the mouse, rat or human cerebral cortex. Physical estimates of the total number and type of ions involved in neuronal electric spiking based on the obtained morphometric data, combined with energetics of neurotransmitter release and signaling fueled by glucose consumed by the active brain, support highly efficient cerebral computation performed at the thermodynamically allowed Landauer limit for implementation of irreversible logical operations. Individual proton tunneling events in voltage-sensing S4 protein alpha-helices of Na+, K+ or Ca2+ ion channels are ideally suited to serve as single Landauer elementary logical operations that are then amplified by selective ionic currents traversing the open channel pores. This miniaturization of computational gating allows the execution of over 1.2 zetta logical operations per second in the human cerebral cortex without combusting the brain by the released heat. (shrink)

We have begun work on two separate but related ontologies for the study of neurological diseases. The first, the Neurological Disease Ontology (ND), is intended to provide a set of controlled, logically connected classes to describe the range of neurological diseases and their associated signs and symptoms, assessments, diagnoses, and interventions that are encountered in the course of clinical practice. ND is built as an extension of the Ontology for General Medical Sciences — a high-level candidate OBO Foundry ontology that (...) provides a set of general classes that can be used to describe general aspects of medical science. ND is being built with classes utilizing both textual and axiomatized definitions that describe and formalize the relations between instances of other classes within the ontology itself as well as to external ontologies such as the Gene Ontology, Cell Ontology, Protein Ontology, and Chemical Entities of Biological Interest. In addition, references to similar or associated terms in external ontologies, vocabularies and terminologies are included when possible. Initial work on ND is focused on the areas of Alzheimer’s and other diseases associated with dementia, multiple sclerosis, and stroke and cerebrovascular disease. Extensions to additional groups of neurological diseases are planned. The second ontology, the Neuro-Psychological Testing Ontology (NPT), is intended to provide a set of classes for the annotation of neuropsychological testing data. The intention of this ontology is to allow for the integration of results from a variety of neuropsychological tests that assay similar measures of cognitive functioning. Neuro-psychological testing is an important component in developing the clinical picture used in the diagnosis of patients with a range of neurological diseases, such as Alzheimer’s disease and multiple sclerosis, and following stroke or traumatic brain injury. NPT is being developed as an extension to the Ontology for Biomedical Investigations. (shrink)

[ENGLISH] This article discusses the potential of synthetic biology to address fundamental questions in the philosophy of biology regarding the nature of life and biological functions. Synthetic biology aims to reduce living organisms to their simplest forms by identifying the minimal components of a cell and also to create novel life forms through genetic reprogramming, biobrick assembly, or novel proteins. However, the technical success of these endeavors does not guarantee their conceptual success in defining life. There is a lack of (...) consensus among researchers on how to define and classify the entities produced in the lab, whether they should be considered living or categorized differently. The criteria for minimal cells and minimal life are subject to arbitrary choices and varying interpretations. The concept of function, crucial to synthetic biology, is also difficult to define. The article highlights the need to consider the minimal set of functions that characterize life before determining the smallest genomes that code for those functions. The arbitrary nature of defining both life and function complicates the understanding and classification of these entities. The article suggests that the traditional dichotomy between the living and the non-living may no longer be valid and that the concept of life itself may not require precise scientific definition. As synthetic biology advances, the article emphasizes the importance of redefining or constructing new categories to encompass the expanding possibilities and creations in the field. The ability to create new life forms raises questions about recognition, identification, and ethical implications, requiring a conceptual and philosophical engagement beyond the technical achievements of synthetic biology. -/- [FRENCH] L'article aborde le potentiel de la biologie synthétique pour répondre à des questions fondamentales de la philosophie de la biologie concernant la nature de la vie et des fonctions biologiques. La biologie synthétique vise à réduire les organismes vivants à leurs formes les plus simples en identifiant les composants minimaux d'une cellule et à créer de nouvelles formes de vie grâce à la reprogrammation génétique, à l'assemblage de biobriques ou à des protéines nouvelles. Cependant, le succès technique de ces approches ne garantit pas leur réussite conceptuelle dans la définition de la vie. Il n'y a pas de consensus parmi les chercheurs sur la façon de définir et de classer les entités produites en laboratoire, qu'elles doivent être considérées comme vivantes ou catégorisées différemment. Les critères des cellules minimales et de la vie minimale sont soumis à des choix arbitraires et à des interprétations variables. La notion de fonction, essentielle en biologie synthétique, est également difficile à définir. L'article met en évidence la nécessité de prendre en compte l'ensemble minimal de fonctions qui caractérisent la vie avant de déterminer les plus petits génomes qui codent ces fonctions. La nature arbitraire de la définition de la vie et de la fonction complique la compréhension et la classification de ces entités. L'article suggère que la dichotomie traditionnelle entre le vivant et le non-vivant pourrait ne plus être valable et que le concept même de vie ne nécessite pas une définition scientifique précise. À mesure que la biologie synthétique progresse, l'article souligne l'importance de redéfinir ou de construire de nouvelles catégories pour englober les possibilités et créations croissantes dans le domaine. La capacité à créer de nouvelles formes de vie soulève des questions de reconnaissance, d'identification et d'implications éthiques, nécessitant une réflexion conceptuelle et philosophique au-delà des avancées techniques de la biologie synthétique. (shrink)

The Cell Ontology (CL) is designed to provide a standardized representation of cell types for data annotation. Currently, the CL employs multiple is_a relations, defining cell types in terms of histological, functional, and lineage properties, and the majority of definitions are written with sufficient generality to hold across multiple species. This approach limits the CL’s utility for cross-species data integration. To address this problem, we developed a method for the ontological representation of cells and applied this method to develop a (...) dendritic cell ontology (DC-CL). DC-CL subtypes are delineated on the basis of surface protein expression, systematically including both species-general and species-specific types and optimizing DC-CL for the analysis of flow cytometry data. This approach brings benefits in the form of increased accuracy, support for reasoning, and interoperability with other ontology resources. 104. Barry Smith, “Toward a Realistic Science of Environments”, Ecological Psychology, 2009, 21 (2), April-June, 121-130. Abstract: The perceptual psychologist J. J. Gibson embraces a radically externalistic view of mind and action. We have, for Gibson, not a Cartesian mind or soul, with its interior theater of contents and the consequent problem of explaining how this mind or soul and its psychological environment can succeed in grasping physical objects external to itself. Rather, we have a perceiving, acting organism, whose perceptions and actions are always already tuned to the parts and moments, the things and surfaces, of its external environment. We describe how on this basis Gibson sought to develop a realist science of environments which will be ‘consistent with physics, mechanics, optics, acoustics, and chemistry’. (shrink)

The notion of antifragility, an attribute of systems that makes them thrive under variable conditions, has recently been proposed by Nassim Taleb in a business context. This idea requires the ability of such systems to ‘tinker’, i.e., to creatively respond to changes in their environment. A fairly obvious example of this is natural selection-driven evolution. In this ubiquitous process, an original entity, challenged by an ever-changing environment, creates variants that evolve into novel entities. Analyzing functions that are essential during stationary-state (...) life yield examples of entities that may be antifragile. One such example is proteins with flexible regions that can undergo functional alteration of their side residues or backbone and thus implement the tinkering that leads to antifragility. This in-built property of the cell chassis must be taken into account when considering construction of cell factories driven by engineering principles. (shrink)

The fight to find effective, long-lasting treatments for cancer has led many researchers to consider protein degrading entities. Recent developments in PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) have signified their potential as possible cancer therapies. PROTACs are small molecule, protein degraders that function by hijacking the built-in Ubiquitin-Proteasome pathway. This review mainly focuses on the general design and functioning of PROTACs as well as current advancements in the development of PROTACs as anticancer therapies. Particular emphasis is given to PROTACs (...) designed against various types of Leukemia/Blood malignancies. (shrink)

Significant associations have been found between specific human leukocyte antigen (HLA) alleles and organ transplant rejection, autoimmune disease development, and the response to infection. Traditional searches for disease associations have conventionally measured risk associated with the presence of individual HLA alleles. However, given the high level of HLA polymorphism, the pattern of amino acid variability, and the fact that most of the HLA variation occurs at functionally important sites, it may be that a combination of variable amino acid sites shared (...) by several alleles (shared epitopes) are better descriptors of the actual causative genetic variants. Here we describe a novel approach to genetic association analysis in which genes/proteins are broken down into smaller sequence features and then variant types defined for each feature, allowing for independent analysis of disease association with each sequence feature variant type. We have used this approach to analyze a cohort of systemic sclerosis patients and show that a sequence feature composed of specific amino acid residues in peptide binding pockets 4 and 7 of HLA-DRB1 explains much of the molecular determinant of risk for systemic sclerosis. (shrink)

Living organisms are caught between a hammer and an anvil, evolutionarily speaking. On the one hand, they need to buffer the influences of genetic mutations and environmental stresses if they are to develop normally and maintain a coherent and functional form. On the other, stabiliz- ing one’s development too much may mean not being able to respond at all to changes in the environment and starting down the primrose path to extinction. On page 618 of this issue, Queitsch et al.1 (...) propose that, in plants, the balance between stability and the potential for change is made possible in part through a protein involved in ‘heat- shock responses’ in a wide variety of species, from plants to insects. (shrink)

Scientific models share one central characteristic with fiction: their relation to the physical world is ambiguous. It is often unclear whether an element in a model represents something in the world or presents an artifact of model building. Fiction, too, can resemble our world to varying degrees. However, we assign a different epistemic function to scientific representations. As artifacts of human activity, how are scientific representations allowing us to make inferences about real phenomena? In reply to this concern, philosophers (...) of science have started analyzing scientific representations in terms of fictionalization strategies. Many arguments center on a dyadic relation between the model and its target system, focusing on structural resemblances and “as if” scenarios. This chapter provides a different approach. It looks more closely at model building to analyze the interpretative strategies dealing with the representational limits of models. How do we interpret ambiguous elements in models? Moreover, how do we determine the validity of model-based inferences to information that is not an explicit part of a representational structure? I argue that the problem of ambiguous inference emerges from two features of representations, namely their hybridity and incompleteness. To distinguish between fictional and non-fictional elements in scientific models my suggestion is to look at the integrative strategies that link a particular model to other methods in an ongoing research context. To exemplify this idea, I examine protein modeling through X-ray crystallography as a pivotal method in biochemistry. (shrink)

Let us start by some general definitions of the concept of complexity. We take a complex system to be one composed by a large number of parts, and whose properties are not fully explained by an understanding of its components parts. Studies of complex systems recognized the importance of “wholeness”, defined as problems of organization (and of regulation), phenomena non resolvable into local events, dynamics interactions in the difference of behaviour of parts when isolated or in higher configuration, etc., in (...) short, systems of various orders (or levels) not understandable by investigation of their respective parts in isolation. In a complex system it is essential to distinguish between ‘global’ and ‘local’ properties. Theoretical physicists in the last two decades have discovered that the collective behaviour of a macro-system, i.e. a system composed of many objects, does not change qualitatively when the behaviour of single components are modified slightly. Conversely, it has been also found that the behaviour of single components does change when the overall behaviour of the system is modified. There are many universal classes which describe the collective behaviour of the system, and each class has its own characteristics; the universal classes do not change when we perturb the system. The most interesting and rewarding work consists in finding these universal classes and in spelling out their properties. This conception has been followed in studies done in the last twenty years on second order phase transitions. The objective, which has been mostly achieved, was to classify all possible types of phase transitions in different universality classes and to compute the parameters that control the behaviour of the system near the transition (or critical or bifurcation) point as a function of the universality class. This point of view is not very different from the one expressed by Thom in the introduction of Structural Stability and Morphogenesis (1975). It differs from Thom’s program because there is no a priori idea of the mathematical framework which should be used. Indeed Thom considers only a restricted class of models (ordinary differential equations in low dimensional spaces) while we do not have any prejudice regarding which models should be accepted. One of the most interesting and surprising results obtained by studying complex systems is the possibility of classifying the configurations of the system taxonomically. It is well-known that a well founded taxonomy is possible only if the objects we want to classify have some unique properties, i.e. species may be introduced in an objective way only if it is impossible to go continuously from one specie to another; in a more mathematical language, we say that objects must have the property of ultrametricity. More precisely, it was discovered that there are conditions under which a class of complex systems may only exist in configurations that have the ultrametricity property and consequently they can be classified in a hierarchical way. Indeed, it has been found that only this ultrametricity property is shared by the near-optimal solutions of many optimization problems of complex functions, i.e. corrugated landscapes in Kauffman’s language. These results are derived from the study of spin glass model, but they have wider implications. It is possible that the kind of structures that arise in these cases is present in many other apparently unrelated problems. Before to go on with our considerations, we have to pick in mind two main complementary ideas about complexity. (i) According to the prevalent and usual point of view, the essence of complex systems lies in the emergence of complex structures from the non-linear interaction of many simple elements that obey simple rules. Typically, these rules consist of 0–1 alternatives selected in response to the input received, as in many prototypes like cellular automata, Boolean networks, spin systems, etc. Quite intricate patterns and structures can occur in such systems. However, what can be also said is that these are toy systems, and the systems occurring in reality rather consist of elements that individually are quite complex themselves. (ii) So, this bring a new aspect that seems essential and indispensable to the emergence and functioning of complex systems, namely the coordination of individual agents or elements that themselves are complex at their own scale of operation. This coordination dramatically reduces the degree of freedom of those participating agents. Even the constituents of molecules, i.e. the atoms, are rather complicated conglomerations of subatomic particles, perhaps ultimately excitations of patterns of superstrings. Genes, the elementary biochemical coding units, are very complex macromolecular strings, as are the metabolic units, the proteins. Neurons, the basic elements of cognitive networks, themselves are cells. In those mentioned and in other complex systems, it is an important feature that the potential complexity of the behaviour of the individual agents gets dramatically simplified through the global interactions within the system. The individual degrees of freedom are drastically reduced, or, in a more formal terminology, the factual space of the system is much smaller than the product of the state space of the individual elements. That is one key aspect. The other one is that on this basis, that is utilizing the coordination between the activities of its members, the system then becomes able to develop and express a coherent structure at a higher level, that is, an emergent behaviour (and emergent properties) that transcends what each element is individually capable of. (shrink)

This book (in German) on "Physics, life and mind" is on the physical foundations of modern biology. The basic features of living systems, reproduction, mutation and metabolism, can be explained in terms of molecular processes involving nucleic acids as genetic material, and proteins as catalysts. The generation of structure and form in each generation results from spatiotemporal gene regulation in conjunction with the de novo formation of spatial order in which interplays of activation and inhibition play a crucial part. Brain (...) functions can be understood in terms of information processing in neural networks. Fundamental limitations of explanations of biological phenomena on the basis of physics are expected for the relation between neural and mental states, which may not be fully decodable by finite procedures. A complete algorithmic theory of the human mind encompassing all, including self-referential, aspects appears to be impossible even in principle, not only in practice. The range and limitations of explanations of life on the basis of physical laws and processes reflect the scope and limits of science in general. In contrast to the notions in circulation in the 19th century, modern science is open at the metatheoretical level to different philosophical, cultural and religious interpretations of man and the universe. -/- . (shrink)

Gregor Mendel (1822-1884) was the first to explain that certain 'traits' were inherited in plants from one generation to the next. These would later become known as genes. Frederich Miescher in 1869 analyzed a substance from the nucleus of cells, which he therefore called nuclein. Further study of nuclein revealed that it contained elements like hydrogen, oxygen, nitrogen and phosphorous, with a specific ratio of nitrogen to phosphorous. Then in 1878 Albrecht Kossel determined that nuclein contained nucleic acid, from which (...) he isolated five nucleobases (nitrogen compounds now referred to by the letters C, G, A, T, U representing cytosine, guanine, adenine, thymine, and uracil). It was also discovered that ribose, a sugar was present in the nuclein compound. What Miescher had isolated from the cell nucleus was actually what would latter be identified as DNA (Deoxyribonucleic acid). C. H. Waddington (1905 - 1975) first proposed the term “epigenetics” in 1942 to describe the region between the gene and the whole organism (phenotype) [3]. Today, what is called the epigenome refers to all the chromosomal modifications, DNA modifications, chromatin protein modifications and their complexes. It is the epigenome that determines both the expression of the genes and their inheritance. R. A. Jorgenson reports [4], "Many of these modifications appear to be “programmable” and to be “read out” to influence chromosomal functions." Nobel laureate Barbara McClintock stated this revolutionary proposal more clearly in her Nobel lecture [5], “to determine the extent of knowledge the cell has of itself, and how it utilizes this knowledge in a ‘thoughtful’ manner when challenged.” In 1960 R. A. Brinks suggested that chromosomes possess a paragenetic function in addition to their genetic function [7]. The physical nature of the paragenetic function is characterized by the variety of forms or states of chromatin that can reside at any genetic locus. While the genetic function is stable, the paragenetic function is labile and programmable in ontogeny. It is this latter function that allows organisms to transfer informational macromolecules (RNA and proteins) in a systematic and regulated manner over what is known as the “RNA information superhighway.” Given this capacity, organisms may be able to store information at numerous genetic loci in the form of paragenetic chromatin states, which can be reprogrammed during ontogeny or environmental stress [8]. This reprogrammable system could operate over the whole organism as a storage device, allowing it to make informed ‘decisions' during growth and development, or in response to the environment. Such processing capacity could be considered a form of ‘intelligence,' which also could be passed on to future generations. The study of the flow of information within and between cells and organisms represents the cutting edge of modern biological research. While physical correlates of cognitive behavior in living organisms are being discovered, it does not spell reduction to such correlates. The electronic activity within the physical components of a radio, for example, may be minutely determined, but ultimately it is not merely the electrical activity that produces the intelligent speech that is heard. Only the intelligent person whose voice is being broadcast through the radio can explain that. Without the broadcaster, the radio would sit silently even though fully functional. An organism without its living agency also appears to be devoid of metabolic activity although all the chemical components are fully present. How to connect life to matter will be the ultimate challenge that has to be met. This will prove to be a philosophical problem we hope to address in the near future. (shrink)

GAMETOGÊNESE -/- Emanuel Isaque Cordeiro da Silva Instituto Agronômico de Pernambuco Departamento de Zootecnia – UFRPE Embrapa Semiárido -/- • _____OBJETIVO -/- Os estudantes bem informados, estão a buscando conhecimento a todo momento. O estudante de Veterinária e Zootecnia, sabe que a Reprodução é uma área de primordial importância para sua carreira. Logo, o conhecimento da mesma torna-se indispensável. No primeiro trabalho da série fisiologia reprodutiva dos animais domésticos, foi abordado de forma clara, didática e objetiva os mecanismos de diferenciação (...) sexual dos embriões em desenvolvimento, quais os genes envolvidos nesse processo e tudo mais. Nesse segundo trabalho, a abordagem será teórica, mas também clara, sobre a formação primordial dos gametas femininos e masculinos, através da ovogênese nas fêmeas e a espermatogênese nos machos. Esse trabalho visa levar a importância do processo de formação dos gametas e a produção hormonal das gônadas, bem como o entendimento sobre as interações com o eixo hipotálamo-hipofisário. -/- •____INTRODUÇÃO -/- A reprodução sexual é um processo mediante a qual dois organismos da mesma espécie unem seu material genético para dar lugar a um organismo fixo com combinação única de genes; para isso, cada organismo produz células que contém a metade do material genético característico da espécie. Essas células haploides (1n) são denominadas gametas; ao combinar-se um gameta masculino com um feminino produz-se uma célula diploide (2n) (zigoto ou ovo) a partir da qual se forma o embrião. A grande maioria das espécies com reprodução sexual são anisogâmicas, o que significa que produzem dois tipos de gametas diferentes: os gametas masculinos são microscópios, móveis e produzem-se em grande quantidade, enquanto que os femininos são grandes, imóveis e produzem-se em menor quantidade. O tipo de gameta que um indivíduo produz é o que define seu sexo; sobre os animais o macho é o indivíduo que produz grandes quantidades de espermatozoides e a fêmea produz uma menor quantidade de óvulos, enquanto que nas plantas as gônadas masculinas são as produtoras pólen e as femininas produzem oosferas. Os gametas são diferentes do resto das células do organismo, as quais se chamam células somáticas; essas últimas são diploides porque contém dois pares de cromossomos, um par herdado do pai do indivíduo e o outro da mãe. As células somáticas, ademais, se dividem por mitose, ao qual os cromossomos se duplicam antes de cada divisão celular e cada uma das células filhas recebe um complemento diploide idêntico dos cromossomos, logo todas as células somáticas de um indivíduo possuem o mesmo material genético, embora cada tipo celular expresse diferentes combinações de genes. Em contraponto, os gametas são células haploides porque possuem somente um par de cromossomos e a metade do material genético característico da espécie. Cada um dos cromossomos em um gameta é resultado da recombinação dos genes contidos nos cromossomos paterno e materno do indivíduo que originam o gameta, e cada um destes possuem uma combinação única de genes. Os gametas se formam a partir das células germinais, que são células que em sua origem são diploides e elas de “comprometem” a manter-se como uma linha celular especial que em determinado momento sofrerá o processo de meiose para dar origem aos gametas haploides, sejam óvulos ou espermatozoides segundo o sexo do animal. Como descrito no trabalho sobre a diferenciação sexual, as células germinativas primordiais originam-se no epiblasto do embrião, e migram desde o saco vitelino até colonizar as cristas gonodais, onde, por sua vez, proliferam-se e se organizam junto com as células somáticas da gônada primitiva para formar o testículo ou o ovário. As células germinais masculinas e femininas tem a mesma origem embrionária. As gônadas indiferenciadas em um embrião possuem três tipos celulares: as células que dão origem aos gametas (ovogonia ou espermatogonia), as precursoras de células que nutrem os gametas em desenvolvimento (células da granulosa no ovário; células de Sertoli no testículo) e as precursoras de células que secretam hormônios sexuais (células da teca no ovário; células de Leydig no testículo). As células germinais são as únicas estruturas do organismo que têm a capacidade de dividir-se por meiose sofrendo uma redução no número de seus cromossomos, sendo responsável pela transmissão da carga genética aos descendentes. Em contraste, as células somáticas somente se dividem por mitose. A formação dos gametas compreende fases sequenciais de mitose, meiose e pós-meiose. Esses processos são altamente organizados e necessitam de um preciso e bem coordenado programa de expressão genética. Uma das características importantes da gametogênese é a redução cromossômica, que através da meiose, reduz pela metade o número de cromossomos e produz células distintas entre si, devido a trocas de material genético entre os pares de cromossomos provenientes do pai e da mãe, o que ocorre no processo de “crossing over” durante a primeira fase da meiose. A gametogênese é o processo mediante o qual as células germinais de cada sexo se multiplicam, dividem e diferenciam até formar os gametas. No caso da formação dos gametas masculinos o processo recebe o nome específico de espermatogênese, e para os gametas femininos é denominado como ovogênese. Embora os dois processos alcancem o objetivo comum de produção das células haploides, por onde compartilham algumas características, existem diferenças marcadas entre eles devido a necessidade de produzir um número muito distinto de gametas, de tamanho diferente, e com características de motilidade também distintas. -/- •___ESPERMATOGÊNESE -/- A espermatogênese é o processo mediante o qual se produz os gametas masculinos denominados espermatozoides. Durante a vida fetal as células germinais e as células somáticas do testículo em formação organizam-se em túbulos seminíferos que se derivam dos cordões sexuais primários e conformam a maior parte da medula do testículo. Na etapa fetal cada tubo seminífero é delimitado por uma membrana basal, recoberta na parte interior pelas células precursoras das células de Sertoli (um tipo de células somáticas). No exterior do túbulo localizam-se as células precursoras das células de Leydig ou intersticiais (figura 1), que também são células somáticas. Entre a membrana basal e as células de Sertoli encontram-se algumas células germinais denominadas espermatogonias de reserva A0 (denominadas gonócitos) que serão o único tipo de células germinais presentes no testículo enquanto o animal não alcançar a puberdade. As células de Sertoli estabelecem na região basal uniões oclusoras entre si, formando parte da barreira hemato-testicular. As espermatogonias A0 localizam-se por dentro da membrana basal do túbulo seminífero, embora fora da barreira hemato-testicular. Figura 1: fase neonatal. Nota-se a grande infiltração de tecido intersticial em quase 50% da seção originando que os túbulos sejam pequenos e redondos em sua maioria. O citoplasma e núcleo das células pré-Leydig são notadas claramente por essa ser uma espécie suína onde o tecido intersticial está claramente diferenciado. Hematoxilina-eosina (X 220.5). Fonte: Embrapa. -/- O número de células de Sertoli no testículo depende da influência do hormônio folículo estimulante (FSH) presente durante a vida fetal e as primeiras etapas de vida pós-natal. A população de células de Sertoli ao chegar a puberdade se manterá fixa durante o resto da vida do animal; existe uma relação positiva entre o tamanho e a população de células de Sertoli e a capacidade de produção de espermatozoides do testículo. As células de Sertoli são as únicas células somáticas que estão no epitélio seminífero, e sua função é a nutrição, sustentação e controle endócrino das células germinais. As células de Sertoli participam ativamente no processo de liberação dos espermatozoides para a luz do túbulo. Nesse momento, as células de Sertoli realizam a fagocitose de parte do citoplasma do espermatozoide dos chamados corpos residuais. As células de Sertoli também fagocitam as células germinais que se degeneram no curso normal da espermatogênese. Essas células ainda sintetizam grande quantidade de proteínas, como por exemplo as proteínas ABP (androgen hinding protein), que transportam andrógenos para todo o aparelho reprodutivo, transferrinas, que transportam ferro para a respiração celular das células germinais e também às inibinas, que regulam a liberação de FSH pela hipófise, através de um sistema de retroalimentação (feedback) negativa (figura 2). Figura 2: epitélio seminífero, células de Sertoli (flecha) (400 X). Fonte: Embrapa. -/- Antes da puberdade dos túbulos seminíferos observam-se ao corte como estruturas de diâmetro pequeno, sem luz, e conformados unicamente pelas células de Sertoli e espermatogonias de reserva e rodeados por abundante tecido intersticial, ao que estão presentes as células precursoras das células de Leydig. Ainda antes da puberdade, a diferenciação celular manifesta-se primeiro pela presença de espermatócitos primários, os quais se degeneram em geral na fase de paquíteno, por falta de estimulação hormonal. A partir de que o animal chega a puberdade inicia-se o processo de espermatogênese, que se manterá durante toda a vida do animal, exceto em espécies de animais silvestres muito estacionais, ao qual pode se suspender durante a época não reprodutiva para voltar e ser retomada na época ou estação reprodutiva. Depois da puberdade, os túbulos seminíferos possuem um diâmetro muito maior; em seu interior observa-se um grande número de células germinais de todos os tipos, diferentes estádios de divisão, e em seu lúmen contém líquido e espermatozoides. Ainda sobre o alcancei da puberdade, as espermatogonias começam a dividir-se aceleradamente por mitose, enquanto que no espaço intersticial as células mesenquimais também começam a se diferenciar e a dar origem as células de Leydig (figura 3). A partir dessa etapa as células de Leydig (totalmente diferenciadas) são também evidentes no exterior do túbulo, junto com as células mioides ou peritubulares que o rodeiam o que ao contrair-se são responsáveis por controlar o avanço dos fluidos e as células presentes no lúmen do túbulo. As células mioides estão situadas ao redor do túbulo, e é creditado a elas a promoção da contração e da integridade estrutural do túbulo. Esse tipo celular apenas se diferencia na puberdade pela ação dos andrógenos (figura 4). As interações entre as células de Sertoli e as mioides parecem ter um papel importante na manutenção das funções do testículo. Durante o processo de espermatogênese, as espermatogonias de reserva dividem-se periodicamente e enquanto algumas células fixas permanecem como espermatogonias de reserva, outras proliferam e sofrem uma seção de divisões mitóticas durante as quais se vão diferenciando até formarem espermatócitos primários (espermatocitogênese ou fase de mitose), logo sofrem divisões especiais mediante as quais reduzem seu número de cromossomos (fase de meiose), e ao final trocam de forma para converter-se em espermatozoides (espermatocitogênese) (figura 5). Cada uma dessas etapas da espermato- gênese será descrito detalhadamente adiante, antes é necessário a explicação de algumas características das células de Sertoli e de Leydig que ajudarão a entender seu papel durante a espermatogênese. Figura 3: células de Leydig no espaço intersticial do testículo bovino adulto PAS (400 X). Fonte: Embrapa. -/- Figura 4: o estabelecimento da puberdade pela presença de espermatozoides no túbulo. Hematoxilina-eosina (400 X). Fonte: Embrapa. Figura 5: fases mitóticas das espermatogonias (A0 e B) para formação de um espermatócito primário e as duas fases de meiose que se sucedem antes da espermatogênese. Fonte: ZARCO, 2018. -/- Ao início da espermatocitogênese as uniões oclusoras entre as células de Sertoli se abrem por etapas (como as comportas de um submarino) para permitir a passagem das espermatogonias em direção ao centro do túbulo seminífero sem que se estabeleça uma continuidade entre o exterior e o interior da barreira hemato-testicular. Uma vez ultrapassada essa barreira, as sucessivas gerações de espermatogonias, espermatócitos, espermátides e espermatozoides irão se localizar em direção ao interior do túbulo seminífero, em estreita associação com as células de Sertoli. Em consequência, as células de Sertoli dividem o túbulo seminífero em dois compartimentos; o compartimento basal (debaixo das uniões oclusoras das células de Sertoli), ao qual residem as espermatogonias de reserva, e o compartimento adluminal (em direção ao centro do túbulo), cujos espaços entre as células de Sertoli desenvolvem o resto do processo de espermatogênese (meiose e espermatocitogênese). Esse feito é importante porque durante a vida fetal as únicas células germinais existentes eram as espermatogonias de reserva, pelo que os antígenos expressados por gerações mais avançadas (espermatogonias intermediárias, secundárias, espermátides e espermatozoides) não são reconhecidos como próprios do corpo pelo sistema imunológico. Logo, o anterior implica que deve existir uma barreira entre eles e o sangue para evitar um ataque imunológico. Em todas as etapas da espermatogênese, as células de Sertoli atuam como células de suporte para as células germinais, que sempre permanecem recoberta pela membrana das células de Sertoli. Também atuam como células nutricionais já que proporcionam o meio em que as células germinais se desenvolvem e maturam, assim como as substâncias que regulam e sincronizam as sucessivas divisões e transformações das células germinais. As células de Sertoli produzem hormônios, como estrógenos e inibina que atuam sobre a hipófise para regular a secreção das gonadotropinas que controlam a espermatogênese. As células de Leydig que residem no exterior do túbulo seminífero também são importantes para a espermatogênese: produzem a testosterona que estimula e mantém a espermatogênese, bem como serve como substrato sobre o qual atua como aromatizador das células de Sertoli para transformá-las em estrógenos. Como supracitado, para seu estudo podemos dividir a espermatogênese em três fase: espermatocitogênese, meiose e espermiogênese (figura 6). Agora, serão descritas cada uma dessas etapas. Em algumas espécies, incluindo no homem, os macrófagos representam o segundo tipo celular intersticial mais numeroso no testículo, depois das células de Leydig. Os macrófagos e vários subtipos de linfócitos são identificados nós testículos de ovinos e ratos. Eles estão intimamente associados com as células de Leydig e atuam juntamente na regulação da esteroidogênese. Figura 6: fluxograma da espermatogênese. -/- Espermatocitogênese -/- A espermatocitogênese, também chamada de etapa proliferativa ou de mitose, consiste numa série de divisões mitóticas sofridas pelas células descendentes de uma espermatogonia de reserva. Uma vez que a célula se divide, abandona o estado de reserva e começa um processo de diferenciação. As espermatogonias de reserva (denominadas espermatogonias A0 na rata ou As nos humanos) são células que existem desde a vida fetal e que permanecem mitoticamente inativas durante a infância. Uma vez que alcançam a puberdade começam a dividir-se em intervalos regulares, e as células filhas podem permanecer como espermatogonias de reserva ou abandonar a reserva e ingressar na dita espermatocitogênese. Uma vez abandonada a reserva, as células filhas que vão se formando em cada divisão permanecem unidas por pontes citoplasmáticas, constituindo um clone que se divide sincronicamente. As células que se formam depois de cada divisão continuam sendo espermatogonias, porém cada geração é ligeiramente diferente da anterior. Na rata, por exemplo, as espermatogonias tipo A0 ao dividir-se originam espermatogonias do tipo A1, que em sucessivas divisões formam espermatogonias dos tipos A2, A3 e A4, as quais, por sua vez, sofrem outra mitose para formar espermatogonias intermediárias e uma mais para formar espermatogonias do tipo B. Essas últimas se diferenciam (sem se dividir) em espermatócitos primários, processo em que termina a fase de espermatocitogênese, que literalmente significa processo de geração de espermatócitos. As espermatogonias tipo A0 são a fonte para a contínua produção de gametas. A metade delas se dividem e formam células iguais (as chamadas células tronco) e a outra metade forma as espermatogonias A1, que sofre novas divisões mitóticas e formam os tipos 2, 3 e 4. O tipo A4 sofre mitose para formar a intermediária (A In), que por mitose, forma a tipo B (figura 6). Esses tipos de espermatogonias podem ser identificadas em evoluções histológicas de acordo com sua organização topográfica na membrana basal dos túbulos seminíferos ou mediante seu conteúdo de heterocromatina. Outra maneira de diferenciação se baseia em marcadores moleculares específicos que distinguem as espermatogonias tronco (A0) das demais, com os fins de isolamento, desenvolvimento in vitro e transplante. As tipo B passam por mitose para formarem os espermatócitos primários; estes iniciam a primeira etapa da meiose formando os espermatócitos secundários; na segunda etapa da divisão meiótica, cada espermatócito secundário se divide e formam as chamadas espermátides. Quando o testículo alcança seu desenvolvimento total, a meiose completa-se e as espermátides originadas se convertem em espermatozoides. Um dos maiores sinais característicos desse fenômeno é o alargamento das espermátides e sua migração em direção ao lúmen do túbulo seminífero (figuras 4, 7 e 8). Figura 7: espermatogonias marcadas por imuno-histoquímica, anticorpo monoclonal TGFa (400 x). Figura 8: fases de divisões meióticas (M), espermatócitos em paquíteno (PA) e espermatócitos secundários (ES). -/- Figura 9: estádio posterior a liberação dos espermatozoides na luz do túbulo. Hematoxilina-eosina (400 x). Mediante as seis divisões mitóticas que ocorrem durante a espermatocitogênese se forma potencialmente um clone de 64 espermatócitos primários a partir de cada espermatogonia A que ingressa sobre o processo. Não obstante, algumas células sofrem apoptose em cada uma das etapas do processo, ao qual o número real formado é menor. Em outras espécies produzem-se um transcurso similar de divisões mitóticas sucessivas durante a espermatocitogênese, embora a nomenclatura utilizada possa ser distinta, por exemplo nos bovinos as duas últimas divisões mitóticas dão origem as espermatogonias de tipo B1 e B2. -/- Meiose -/- Uma vez que as espermatogonias B se diferenciam em espermatócitos primários, esses iniciam a etapa de meiose, com uma nova divisão; desta vez a divisão é do tipo meiótica. Ao completar-se a primeira divisão meiótica (meiose I) se obtém os espermató-citos secundários, que ao sofrer a segunda divisão meiótica (meiose II) dão origem as espermátides. Vale salientar que a meiose é o processo mediante o qual reduz-se a metade do número de cromossomos, pelo que as espermátides que se obtém são células haploides (1n). Os espermatócitos secundários que se formam depois da primeira divisão meiótica contém a metade do número normal de cromossomos, porém a mesma quantidade de DNA já que cada cromossomo é duplo. As espermátides formadas na conclusão da segunda divisão meiótica (figura 7), por sua vez, contém a metade dos cromossomos, e esse já não são duplos, já que se trata de células 1n. Também deve-se enfatizar que durante a meiose é relevante o entrecruzamento dos cromossomos homólogos, pelo que cada espermátide possui uma combinação única e diferente de genes paternos e maternos. Outro ponto que deve ser levado em consideração é que cada espermátide somente possui um cromossomo sexual; a metade das espermátides contém o cromossomo X herdado da mãe do macho que está levando a cabo a espermatogênese e a outra metade contém o cromossomo Y herdado de seu pai. Para cada espermatócito primário que entra no processo de meiose obtém-se cerca de quatro espermátides, pelo qual ao ser completada a meiose potencialmente se poderiam formar até 256 espermátides por cada espermatogonia que abandona a reserva e ingressa na espermatocitogênese. -/- Espermiogênese -/- Durante a espermiogênese, também chamada de fase de diferenciação, as esper-mátides sofrem, sem se dividir, uma metamorfose que as transforma em espermatozoides, os quais finalmente são liberados das células de Sertoli em direção ao lúmen do túbulo seminífero. A espermiogênese é um processo complicado e longo já que a espermátide deve sofrer complexas trocas nucleares, citoplasmáticas e morfológicas que resultam na forma-ção dos espermatozoides. Algumas dessas mudanças incluem a condensação do material nuclear para formação de um núcleo plano e denso, a eliminação do citoplasma para a constituição de uma célula pequena, a formação de uma estrutura especializada denomi-nada acrossomo ou tampa cefálica, e a formação do pescoço e da cauda (flagelo) do esper-matozoide, do que depende a sua motilidade. Durante a maior parte da espermiogênese, as espermátides se mantém com uma estreita associação com as células de Sertoli; logo, chega-se a observar, então, flagelos que se projetam em direção a luz do túbulo que pare-cem sair das células de Sertoli, sendo na realidade os flagelos dos espermatozoides que ainda não tinham sido liberados pelo lúmen. Ao liberar os espermatozoides em direção a luz do túbulo, as células de Sertoli realizam a fagocitose de parte do citoplasma dos espermatozoides (corpos residuais). Também fagocitam os restos de todas as células germinais que sofrem apoptose ou degeneram-se durante a espermatogênese. Credita-se que ao realizar essas funções as células de Sertoli podem fazer uma monitoração eficiente da espermatogênese, o que lhes permitiria emitir sinais para colaborar na regulação desse processo em nível gonodal e a nível sistêmico através da secreção de hormônios como a inibina e o estradiol. Além da inibina e activina, as células de Sertoli sintetizam outras proteínas, como a ABP (proteína ligadora de andrógenos) que serve como uma molécula de transporte de andrógenos dentro dos túbulos seminíferos, ductos deferentes e epidídimo, ou a transfer-rina, que transporta o ferro necessário para a respiração celular. -/- Resultados da espermatogênese -/- O resultado da espermatogênese não significa apenas uma simples multiplicação das células germinais (até 256 espermatozoides a partir de cada espermatogonia A1), senão que através dela são produzidos gametas haploides pequenos, móveis e com grande diversidade genética entre eles, ao mesmo tempo que se mantêm uma reversa de células mãe (espermatogonias A0) a partir das quais se poderiam originar novos ciclos de esper-matogênese durante o resto da vida do animal. -/- Controle hormonal da espermatogênese -/- Como mencionado, o FSH reproduz um importante papel para o estabelecimento das células de Sertoli durante a vida fetal e início da vida pós-natal. O começo da esper-matogênese também é estimulado pelo FSH, que atua sobre as células de Sertoli para estimular sua função e a ativação de sinais dessas células em direção as células germinais, incluindo-as a abandonar a reserva e ingressar na espermatogênese. O FSH, assim mesmo, estimula a mitose durante o resto da espermatogênese e aumenta a eficiência do processo, já que reduz a apoptose e a degeneração de espermatogonias intermediárias e do tipo B. O FSH também estimula as células de Sertoli para produzirem inibina e ABP. Uma vez iniciada a espermatogênese somente requerem níveis baixos de FSH para se mantê-la. As células de Sertoli também devem ser estimuladas pela testosterona para funcio-nar de maneira adequada; se requer também do LH hipofisário: hormônio que estimula as células de Leydig para produzir testosterona. Por sua vez, a secreção de LH e FSH é regulada pelo GnRH hipotalâmico: esse neurohormônio também faz parte do mecanismo de regulação da espermatogênese. A espermatogênese também é modulada em nível local mediante a produção de determinados fatores e interações entre as células. Dentro dos fatores locais podemos mencionar o fator de crescimento parecido com a insulina 1 (IGF-1), o fator de crescimen-to transformante beta (TGF- β), activina, ocitocina e diversas citocinas. Entre as intera-ções celulares existem tanto uniões de comunicação entre as células de Sertoli e as células germinais, como pontes citoplasmáticas entre todas as células germinais que formam o clone de células descendentes de uma espermatogonia A1. Uma vez que as células de Sertoli iniciam sua função na puberdade é possível manter experimentalmente a espermatogênese somente com testosterona, sem ser requeri-dos nenhum outro hormônio. A quantidade de espermatozoides produzidos, no entanto, é maior quando há presença do FSH. Abaixo do estímulo do FSH as células de Sertoli produzem estradiol e inibina, hormônios que geram uma retroalimentação sobre o eixo hipotálamo-hipofisário para a regulação da secreção de gonadotropinas. Em particular, a inibina reduz a secreção de FSH, pelo qual é factível que sirva como um sinal que evite uma excessiva estimulação as células de Sertoli. -/- Ciclo do epitélio seminífero -/- Em cada espécie as espermatogonias de reserva iniciam um novo processo de divi-sões celulares em intervalos fixos: a casa 14 dias no touro; 12 dias no garanhão e a cada 9 dias no cachaço (reprodutor suíno). A nova geração de células que começam a proliferar sobre a base do tubo deslocam-se em direção ao centro do túbulo a geração anterior, que por sua vez deslocam-se as gerações anteriores. Devido as mudanças que vão sofrendo cada geração celular se ajustam a tempos característicos de cada etapa, já que rodas as células em uma determinada seção do túbulo estão sincronizadas entre si pelas células de Sertoli; em cada espécie somente é possível encontrar um certo número de combinações celulares: 14 diferentes combinações no caso da rata, 8 no touro e 6 no ser humano. A sucessão de possíveis combinações até regressar a primeira combinação se conhece como o ciclo do epitélio seminífero. Na maioria das espécies os espermatozoides que são libera-dos em direção a luz do túbulo provém das células que entraram no processo de esperma-togênese quatro gerações antes que a geração que está ingressando nesse momento, pelo que a espermatogênese no touro dura ao redor de 60 dias e um pouco menos em outras espécies domésticas. Significa que os efeitos negativos das alterações na espermatogêne-se podem estar presentes até dois meses depois de que se produziram essas alterações. Como supracitado, geralmente se observa a mesma combinação celular em toda a área de uma determinada secção transversal do túbulo seminífero. No entanto, se fizermos uma série de secções, observa-se que ao longo do túbulo há uma sucessão ordenada de combinações (a primeira em uma determinada secção; a segunda combinação na seguinte secção, e assim sucessivamente em secções subsequentes até regressar a primeira combi-nação. Teremos, então, que ao início da divisão das espermatogonias A1 se produz de forma sincronizada em uma secção do túbulo, e vai-se transmitindo como uma onda peristáltica as secções adjacentes. Esse processo é denominado como onda do epitélio seminífero e graças à esse túbulo seminífero sempre tem secções em todas as etapas da espermatogênese, com o que se alcança uma produção constante de espermatozoides. -/- Alterações da espermatogênese -/- Nas espécies estacionais a espermatogênese, como já mencionado, pode reduzir-se ou inclusive suspender sua atividade fisiológica durante a época não reprodutiva dessas espécimes, porém esse processo fisiológico não pode ser considerado como uma altera-ção. No entanto, a espermatogênese só pode ser alterada pelas enfermidades ou por fatores externos. A principal causa de alterações na espermatogênese é o aumento da temperatura testicular. Por isso, os testículos são localizados na saco escrotal e são “caídos” para fora do corpo como pode-se observar nos bovinos, caprinos, ovinos, caninos e no próprio homem. A temperatura testicular deve estar cerca de 2 a 6 °C abaixo da temperatura corporal normal. As células germinais masculinas são sensíveis ao calor, pelo qual na maioria dos mamíferos os testículos se encontram fora da cavidade abdominal e existe um sofisticado sistema de termorregulação para mantê-los a uma temperatura menor que a corporal. Se a temperatura corporal for elevada ou se os testículos permanecerem na cavidade abdominal, ou ainda se os sistemas termorreguladores do testículo sejam afetados por fatores inflamatórios como edema ou falta de mobilidade testicular dentro do escroto, a temperatura do tecido testicular aumentará e a espermatogênese sofrerá alterações proporcionais ao excesso de temperatura e a duração da elevação. A espermatogênese também pode ser afetada pela exposição a hormônios ou a outras substâncias. É possível que a causa mais comum (sobretudo no homem) seja o uso de esteroides anabólicos, que elevam a concentração de andrógenos na circulação, provo-cando um feedback negativo sobre a secreção de gonadotropinas. Ao deixar de estimular-se o testículo pelas gonadotropinas, este deixará de produzir testosterona, e as concentra-ções de andrógeno exógeno nunca alcançará as altíssimas concentrações de testosterona que normalmente estão presentes a nível do tecido testicular por ser o local onde se produz o hormônio. Também se supõe que diversas substâncias com propriedades estrogênicas derivadas de processos industriais (indústria dos plásticos, hidrocarbonetos etc.) e presentes no ambiente (fatores xenobióticos) podem ser responsáveis pelas alterações na espermatogênese em diversas espécies, entre as quais se inclui o ser humano. -/- • OVOGÊNESE E FOLICULOGÊNESE -/- A ovogênese é o processo seguido pelas células germinais da fêmea para a forma-ção dos óvulos, que são células haploides. Durante a vida fetal as células germinais proliferam-se no ovário por mitose, formando um grande número de ovogonias, algumas das quais se diferenciam em ovócitos primários que iniciam sua primeira divisão meiótica para deter-se na prófase da divisão. Somente alguns desses ovócitos primários retornarão e concluirão a primeira divisão meiótica em algum momento da vida adulta do animal, dando origem a um ovócito secundário e a um corpo polar. O ovócito secundário inicia a sua segunda divisão meiótica, a qual volta a ficar suspensa até receber um estímulo apropriado, já que somente os ovócitos secundários que são ovulados e penetrados por um espermatozoide retornam e concluem a segunda divisão meiótica, dando origem a um óvulo (figura 10). O processo de ovogênese é realizado dentro dos folículos ovarianos, que também tem que sofrer um longo transcurso de desenvolvimento e diferenciação denominado foliculogênese pelo que a ovogênese como tal realiza-se dentro do marco desse último processo. Por essa razão, na seguinte seção descreverei tanto a ovogênese como a folicu-logênese, e a relação que existe entre ambos. Figura 10: representação da ovogênese. Na etapa de proliferação, as células germinais se diferen-ciam por mitose. A meiose I se caracteriza por uma prófase prolongada, ocorrendo a duplicação do DNA. Nas duas divisões, que ocorrem antes da ovulação e depois da fertilização, a quantidade de DNA é reduzida a 1n, com o fim de que a fusão dos pronúcles (singamia) pós-fertilização, seja gerado um zigoto com um número de cromossomos de 2n (diploide). -/- Geração de ovócitos primários e folículos primordiais Tanto a ovogênese como a foliculogênese iniciam-se durante a vida fetal, quando as células germinais primordiais provenientes do saco vitelino colonizam a gônada primitiva e, junto com as células somáticas z organizam-se para a formação dos cordões sexuais secundários, que se desenvolvem principalmente no córtex do ovário. Nesse período, as células germinais que colonizaram o ovário sofrem até 30 divisões mitóticas, proliferando-se até formar milhares ou milhões de ovogonias, que inicialmente formam “ninhos” constituídos cada um deles por um clone de várias ovogonias que descendem da mesma célula precursora e que se mantêm unidas por pontes citoplasmáticas, sincronizan-do suas divisões mitóticas. Nessa etapa alcança-se a máxima população de células germinais no ovário, que antes de nascer se reduzirá drasticamente por apoptose. No ovário do feto humano chegam a haver até sete milhões de células germinais que ao nascimento se reduzem a dois milhões. Os ovários fetais do bovino, de maneira análoga, chegam a ter até 2.100.000 células germinais, que ao nascimento reduzem para 130.000 aproximadamente. A redução no número de ovogonias produz-se ao mesmo tempo que essas células, que vêm dividindo-se por mitose e estão agrupadas em ninhos, iniciam sua primeira divisão meiótica para se transformarem em ovócitos primários: células germinais que se encontram em uma etapa de suspensão (diplóteno) da prófase da primeira divisão meiótica. Nesse período produz-se uma grande proporção de células germinais; as células somáticas dos cordões sexuais, por sua vez, emitem projeções citoplasmáticas que separam a isolam os ovócitos primários sobreviventes, ficando cada um deles rodeados por uma capa de células aplanadas da (pré) granulosa. Ao mesmo tempo em que se forma uma membrana basal entre as células da granulosa e o tecido intersticial do ovário. Ao ovócito primário rodeado de uma capa de células da (pré) granulosa aplanadas e delimita-das por uma membrana basal denomina-se de folículo primordial (figura 11). Nas vacas os folículos primordiais bem formados já estão presentes nos ovários a partir do dia 90 da gestação. A maioria dos folículos primordiais com os que nasce uma fêmea se manterão inativos durante um longo tempo; muitos deles durante toda a vida do animal. Nos folículos primordiais inativos tanto os ovócitos primários como as células da granulosa conservam sua forma original e mantém um metabolismo reduzido estritamente ao mínimo necessário para manter-se viáveis. Por essa razão, ao realizar um corte histológico de qualquer ovário as estruturas mais numerosas que se observam serão os folículos primordiais. No entanto, cada dia da vida de um animal, inclusive desde a vida fetal, um certo número de folículos primordiais reiniciam seu desenvolvimento, e a partir desse momento um folículo exclusivamente pode ter dois destinos: o primeiro, prosseguir seu desenvolvi-mento até chegar a ovular, e o segundo (que é muito mais frequente) encontrar em algum momento condições inadequadas que fazem fronteira com ele para parar seu desenvolvi-mento, levando-o a sofrer atresia e degenerar até desaparecer do ovário. Figura 11: sequência da foliculogênese apresentando as diferentes estruturas que podemos encontrar em cada fase. Fonte: ZARCO, 2018. Culminação da ovogênese A ovogênese somente se completará quando um ovócito primário reinicia a meio-se; completa sua primeira divisão meiótica para formar um ovócito secundário e um primeiro corpo polar e, quando, finalmente sofrer uma segunda divisão meiótica para formar um óvulo e um segundo corpo polar. Os óvulos são as células 1n que constituem os gametas femininos, pouco numerosos, grandes e imóveis. A grande maioria dos ovóci-tos primários, como veremos mais adiante, nunca retomam a meiose e, em consequência, não chegam a formar ovócitos secundários, e muitos dos ovócitos secundários tampouco sofrem uma segunda divisão meiótica, pelo que não chegam a formar os óvulos. Ao longo da vida de uma fêmea, na maioria das espécies, menos de 0,1% dos ovócitos primários (um a cada mil) chega a terminar a ovogênese, dando origem a um óvulo. O supracitado deve-se a que a ovogênese somente pode retomar-se e ser completa-da em ovócitos primários que se encontram dentro dos folículos primordiais que (uma vez ativados) vão alcançando diversas etapas de seu desenvolvimento em momentos precisos aos que encontram as condições ideais de oxigenação, nutrição, vascularização e exposição a fatores parácrinos e a exposição a concentrações de hormônios que se requerem para que o folículo continue em cada etapa de seu desenvolvimento com o processo de foliculogênese até chegar a ovular. Qualquer folículo que não esteja nessas condições ao longo do desenvolvimento sofrerá degeneração e atresia, pelo que o ovócito primário em seu interior nunca chegará ao ponto em que pode retomar a primeira divisão meiótica. No que resta da presente seção revisaremos o processo de foliculogênese em cujo marco se desenvolve a ovogênese; havemos que tomar de conta que essa última se limita ao que ocorre nas células germinais (ovogonia, ovócito primário, secundário e óvulo), pelo qual depende intimamente do desenvolvimento do folículo de que essas células formam parte. Em um princípio a ativação do folículo primordial e o desenvolvimento folicular são independentes das gonadotropinas: não se conhecem os mecanismos precisos median-te os quais um folículo primordial se ativa e reinicia seu desenvolvimento, nem como se decide quais folículos, dentre as dezenas de milhares de ou centenas de milhares presentes em um ovário se reativarão em um dia em particular. A reativação trata-se de uma liberação de influência de fatores inibidores, já que os folículos primordiais se reativam espontaneamente quando cultivados in vitro, isolados do resto do tecido ovariano. Uma vez que um folículo primordial se ativa, inicia-se um longo processo de desenvolvimento que somente depois de vários meses (ao redor de cinco meses no caso dos bovinos) o levará a um estádio em que seu desenvolvimento posterior requer a presença das gonado-tropinas; daí que se diz que as primeiras etapas do desenvolvimento são independentes das gonadotropinas. Durante a fase independente de gonadotropinas, um folículo primordial que tenha sido ativado e tenha começado a crescer; passará primeiro para a etapa de folículo primá-rio, caracterizada por conter um ovócito primário que está rodeado, por sua vez, por uma capa de células da granulosa, que não são planas, e sim cúbicas. Depois, se o folículo continuar crescendo se transformará em um folículo secundário, ao qual as células da granulosa começam a proliferar (aumentando em número) e se organizam em duas ou mais capas que rodeiam o ovócito primário. Entre o ovócito e as células da granulosa que o rodeiam se forma nesta uma zona pelúcida; ainda assim o ovócito mantém contato direto com essas células, mediante o estabelecimento de pontes citoplasmáticas que atravessam a zona pelúcida. Através dessas pontes citoplasmáticas as células da granulosa podem passar nutrientes e informação ao ovócito primário. O volume e o diâmetro do ovócito primário aumentam ao mesmo tempo que as células da granulosa proliferam-se, para incrementar as capas ao redor do ovócito. De maneira gradual o citoplasma do ovócito primário aumenta até 50 vezes seu volume e a proliferação das células continua. Esses folículos que possuem cada vez mais células e portanto mais capas de células da granulosa se denominam folículos secundários. Para evitar confusões, há a necessidade de nomen-clatura ao qual o folículo vá mudando de nome de primordial a primário e logo, de secun-dário, a terciário, por sua vez, o ovócito que encontra-se em seu interior, a todo momento, segue sendo um ovócito primário. Durante a etapa dependente de gonadotropinas, os folículos secundários começam a formar um espaço cheio de líquido, o antro folicular, desse modo se convertem em folí-culos terciários. Com a utilização de outra nomenclatura, a formação do antro marca a transição entre folículos pré-antrais (sem antro) e folículos antrais (com antro). Em algum momento dessa transição entre folículo secundário e terciário, também aparece a depen-dência de folículos em direção as gonadotropinas, pelo qual somente podem seguir crescendo na presença do hormônio luteinizante (LH) e do hormônio folículo estimulante (FSH). Nos bovinos e em outras espécies (para seu estudo), os folículos antrais são dividi-dos em pequenos, médios e grandes. Embora todos eles possuam um antro folicular, dependendo do seu grau de desenvolvimento requerem diferentes concentrações de gona-dotropinas para continuar o crescimento. Os folículos antrais mais pequenos somente re-querem concentrações baixas de LH e FSH, pelo qual podem continuar crescendo em qualquer momento do ciclo estral inclusive em animais que não estão ciclando (fêmeas em anestro pré-puberal, gestacional, lactacional, estacional). Nas etapas posteriores os folículos antrais requerem primeiro concentrações elevadas de FSH, e nas etapas finais somente podem continuar crescendo na presença de pulsos frequentes de LH, pelo qual somente os folículos que encontram-se sob concentrações apropriadas desses hormônios podem seguir crescendo. Por essa razão, nos animais que se encontram em anestro de qualquer tipo somente é possível encontrar folículos antrais pequenos ou médios, segundo a espécie, e nos animais que se encontram ciclando (estro) o maior tamanho folicular encontrado em um determinado dia do ciclo dependerá das concentrações de FSH e LH presentes nesse momento e nos dias anteriores. Um folículo que chega ao estado máximo de desenvolvimento, conhecido como folículo pré-ovulatório, ao final, somente chegará a ovular se for exposto a um pico pré-ovulatório de LH. Como supracitado, cada dia na vida de uma fêmea inicia seu desenvolvimento um certo número de folículos; a grande maioria sofrem atresia, mas depois da puberdade em cada dia do ciclo estral um ou vários folículos vão encontrando ao longo do seu desenvol-vimento concentrações hormonais que lhes permite chegar na etapa de folículo pré-ovula-tório. Somente nestes folículos, e como consequência de um pico pré-ovulatório de LH, se reinicia e completa-se a primeira divisão meiótica do ovócito primário, produzindo duas células distintas. Uma delas é o ovócito secundário, que retém praticamente todo o citoplasma. Contém, assim mesmo, em seu núcleo um par de cromossomos duplos, a outra é o primeiro corpo polar, que é exclusivamente um núcleo com uma quantidade mínima de citoplasma. Na maioria das espécies ovula-se um ovócito secundário que se encontra, então, suspendido na segunda divisão meiótica. Esta segunda divisão meiótica somente reinicia-rá e completarar-se uma vez que o espermatozoide começa a penetrar sob o ovócito secundário. Ao concluir-se a divisão se forma o segundo corpo polar e completa-se a ovogênese com o qual se obtém o óvulo, célula 1n que constitui o gameta feminino. No entanto, o óvulo existe pouco tempo como tal, já que em poucos minutos/horas (depen-dendo da espécie) se produzirá a fusão do núcleo do mesmo (pró-núcleo feminino) com o do espermatozoide (pró-núcleo masculino), com o qual se completa a fertilização e se forma um novo indivíduo (o ovo ou zigoto). -/- Ondas foliculares -/- Como mencionado supra, todos os dias um determinado número de folículos pri-mordiais se ativam e começam a crescer, os quais crescem em um ritmo característico em cada espécie. Isso provoca que em qualquer momento existam nos ovários folículos pri-mordiais (que começam a crescer em alguns dias ou semanas), assim como folículos secundários em diversas etapas do desenvolvimento, os quais iniciaram seu desenvolvi-mento em semanas ou inclusive meses (segundo o grau de desenvolvimento atual). Também em qualquer momento poderá haver folículos antrais nas etapas iniciais de seu desenvolvimento (com antros que já se podem detectar em cortes histológicos mas não são visíveis macroscopicamente). Todos esses folículos chegaram até seu estado de de-senvolvimento atual (primário, secundário ou antral pequeno), independente da etapa do ciclo estral em que sejam observados ou encontrados. Nos bovinos, os folículos que chegam ao início da etapa antral iniciaram seu desenvolvimento cinco meses antes, e todavia requerem ao redor de 42 dias para chegar ao estado pré-ovulatório. Para continuar seu desenvolvimento, os folículos antrais pequenos devem encon-trar concentrações altas de FSH, que os estimulam para prosseguir o crescimento. Cada vez que se produz uma elevação nas concentrações de FSH, esse hormônio estimula o desenvolvimento de um grupo de folículos antrais pequenos, que começaram a crescer muito tempo antes e que o dia da elevação de FSH tenha alcançado o grau de desenvolvi-mento preciso para responder com eficiência a este hormônio, o qual atuará através de seus receptores nas células da granulosa para estimular a produção de estradiol, a secreção de inibina, a produção de líquido folicular e a proliferação das células da granulosa. Um grupo de folículos antrais pequenos é assim recrutado pelo FSH para acelerar seu cresci-mento e aumentar sua produção de estradiol e inibina (figura 12). Mediante um seguimento ultrassonográfico dos ovários é possível identificar pou-cos dias depois um certo número de folículos, que por haver sido recrutados começam um período de crescimento acelerado. Durante alguns dias vários folículos crescem juntos, porém depois um deles é selecionado para continuar crescendo, enquanto que o restante do grupo deixam de fazê-lo e terminam sofrendo atresia. Através da ultrassom é possível identificar o folículo selecionado, agora chamado folículo domi-nante, já que sua trajetória de crescimento sofre um desvio com respeito a seguida pelo restante do grupo. Os folículos que não foram selecionados deixam de crescer e sofrem atresia já que deixam de possuir o suporte gonadotrópico de FSH, uma vez que as concentrações desse hormônio são suprimidos pela inibina e o estradiol produzidos pelo conjunto de folículos que conformam a onda folicular (figura 12), porém o folículo mais desenvolvido do grupo se converterá em dominante. A inibina atua diretamente a nível hipofisário para reduzir a secreção de FSH. Figura 12: onda folicular e relação dos níveis de FSH, estradiol e LH. Fonte: ZARCO, 2018. -/- Figura 13: Recrutamento, seleção e dominação folicular na espécie ovina e influência do FSH e LH nas fases. Fonte: SILVA, E. I. C. da, 2019. -/- A razão pela qual o folículo dominante é capaz de continuar seu desenvolvimento apesar da baixa nas concentrações de FSH é que o folículo é o único que alcançou o grau de progresso necessário para que apareçam os receptores para LH em suas células da granulosa. Esse processo permite ao folículo dominante ser estimulado pela LH, e que requeira baixas concentrações de FSH para manter seu desenvolvimento. A secreção de LH em forma de pulsos de baixa frequência (um pulso a cada quatro a seis horas), característica da fase lútea do ciclo estral; é suficiente para permitir que um folículo dominante continue crescendo por mais dias depois da sua seleção e que mais tarde mantenha-se viável durante alguns dias embora não aumentem de tamanho. Contu-do, se durante o período viável desse folículo não seja finalizada a fase lútea e não diminuam as concentrações de progesterona, o folículo terminará sofrendo atresia devido a exigência de um padrão de secreção acelerada de LH (aproximadamente um pulso por hora) durante o desenvolvimento pré-ovulatório, que somente pode ser produzido com a ausência da progesterona. Uma vez que um folículo dominante sofre atresia deixa de produzir inibina, pelo qual as concentrações de FSH podem elevar-se novamente para iniciar o recrutamento de outro grupo de folículos a partir da qual se origina uma nova onda folicular. Durante o ciclo estral de uma vaca podem gerar-se dois ou três ondas foliculares; somente em raros casos quatro. A etapa de dominância folicular da primeira onda na grande maioria dos casos não coincide com a regressão do corpo lúteo, pelo qual o primei-ro folículo dominante quase invariavelmente termina em atresia. Em algumas vacas o fo-lículo dominante da segunda onda ainda está viável quando se produz a regressão do corpo lúteo e acelera-se a secreção de LH, pelo qual esse segundo folículo dominante se converte em folículo pré-ovulatório e, ao final ovula. Em outros animais o segundo folícu-lo dominante também perde a sua viabilidade antes da regressão do corpo lúteo, por onde nesses animais se inicia uma terceira onda folicular, da qual surge o folículo que finalmen-te ovulará depois de produzir-se a regressão do corpo lúteo. Sem importar a onda em que se origine, uma vez que um folículo dominante é ex-posto a alta frequência de secreção de LH que se produz depois da regressão do corpo lúteo, aumenta ainda mais sua secreção de estradiol até que as altas concentrações desse hormônio comecem a exercer um feedback positivo para a secreção do LH. Isso provoca-rá a aceleração da frequência de secreção do LH até que os pulsos são tão frequentes que começam a ficar por cima e produzir-se o pico pré-ovulatório de LH, que é responsável pela realização da ovulação e a maturação final do ovócito. -/- •___DIFERENÇAS ENTRE ESPERMATOGÊNESE E OVOGÊNESE -/- Enquanto que na fêmea a ovogênese inicia-se durante a vida fetal, no macho a es-permatogênese começa na puberdade. Na fêmea, a partir de um ovócito primário se origi-na um óvulo; no macho, de um espermatócito primário se produzem, teoricamente, quatro espermatozoides. Outra característica interessante é que enquanto a fêmea já conta desde o nasci-mento com todos os ovócitos que necessitará na vida adulta, o macho necessitará chegar a puberdade para iniciar o desenvolvimento das células sexuais, já que ao nascer somente possui gonócitos precursores das células germinais, células de Sertoli e intersticiais. Na vida adulta de uma fêmea, o número de células germinais desaparece paulati-namente. Uma vez iniciada a espermatogênese no macho, a cada ciclo do epitélio seminí-fero as células germinais são renovadas mantendo a provisão para toda a vida reprodutiva. Na fêmea, a meiose sofre duas interrupções em seu transcurso, e no macho é ininterrupta. Figura 14: representação em diagramação comparativa do desenvolvimento da gametogênese. -/- Principais pontos abordados sobre as diferenças entre a gametogênese masculina e feminina: ❙ Na ovogênese a meiose contêm-se em duas ocasiões esperando acontecimentos externos para prosseguir. Já na espermatogênese não existe a suspensão da meiose. ❙ A espermatogênese é um processo contínuo, enquanto que a ovogênese pode completar exclusivamente um óvulo em cada ciclo estral; já que só pode ser completada por mais de um nas espécies que ovulam vários ovócitos no caso das porcas, cadelas, gatas etc. ❙ Na espermatogênese existem células de reserva que permitem a continuação du-rante toda a vida, enquanto que na ovogênese o número de ovócitos primários é limitado. A fêmea somente conta com os que nasceu, e eles não se dividem. ❙ Na espermatogênese obtém-se até 256 espermatozoides para cada espermatogo-nia que inicia o processo, enquanto que na ovogênese somente se obtém um óvulo a partir de cada ovócito primário. ❙ Durante a espermatogênese se produz uma metamorfose que transforma as es-permátides em espermatozoides. Na ovogênese não ocorre um processo análogo. ❙ Na espermatogênese, durante a meiose produzem-se quatro espermátides a partir de cada espermatócito primário. Na ovogênese se produz somente um óvulo a partir de cada ovócito primário; produz, ademais, dois corpos polares. ❙ Todos os óvulos que se produzem durante a ovogênese contém um cromossomo X, enquanto que a metade dos espermatozoides possuem um cromossomo Y e a outra metade um cromossomo X. ❙ Na espermatogênese produzem-se centenas ou dezenas de milhões de esperma-tozoides por dia, enquanto que na ovogênese se produz um ou alguns óvulos a cada ciclo estral. ❙ A espermatogênese produz gametas macroscópicos e com motilidade própria, enquanto que a ovogênese produz gametas grandes e imóveis. -/- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- ABDEL-RAOUF, Mohammed et al. The postnatal development of the reproductive organs in bullswith special reference to puberty.(Including growth of the hypophysis and the adrenals). Acta endocrinologica, n. Suppl No. 49, 1960. ADONA, Paulo Roberto et al. Ovogênese e foliculogênese em mamíferos. Journal of Health Sciences, v. 15, n. 3, 2013. AERTS, J. M. J.; BOLS, P. E. J. Ovarian follicular dynamics: a review with emphasis on the bovine species. Part I: Folliculogenesis and pre‐antral follicle development. Reproduction in domestic animals, v. 45, n. 1, p. 171-179, 2010. AERTS, J. M. J.; BOLS, P. E. J. Ovarian follicular dynamics. A review with emphasis on the bovine species. Part II: Antral development, exogenous influence and future prospects. Reproduction in domestic animals, v. 45, n. 1, p. 180-187, 2010. ALBERTINI, David F.; CARABATSOS, Mary Jo. Comparative aspects of meiotic cell cycle control in mammals. Journal of molecular medicine, v. 76, n. 12, p. 795-799, 1998. AUSTIN, Colin Russell; SHORT, R. Reproduction in mammals. Cambridge, 1972. BAKER, T. G. Oogenesis and ovulation. In. Reproduction in Mammals I Germ Cells and Fertilization, p. 29-30, 1972. BEARDEN, Henry Joe et al. Reproducción animal aplicada. México: Manual Moderno, 1982. BIGGERS, John D.; SCHUETZ, Allen W. Oogenesis. University Park Press, 1972. BINELLI, Mario; MURPHY, Bruce D. Coordinated regulation of follicle development by germ and somatic cells. Reproduction, Fertility and Development, v. 22, n. 1, p. 1-12, 2009. CHIARINI-GARCIA, Helio; RUSSELL, Lonnie D. High-resolution light microscopic characterization of mouse spermatogonia. Biology of reproduction, v. 65, n. 4, p. 1170-1178, 2001. CHOUDARY, J. B.; GIER, H. T.; MARION, G. B. Cyclic changes in bovine vesicular follicles. Journal of animal science, v. 27, n. 2, p. 468-471, 1968. CLERMONT, Yves; PEREY, Bernard. Quantitative study of the cell population of the seminiferous tubules in immature rats. American Journal of Anatomy, v. 100, n. 2, p. 241-267, 1957. COSTA, DEILER SAMPAIO; PAULA, T. A. R. Espermatogênese em mamíferos. Scientia, v. 4, 2003. CUNNINGHAM, James. Tratado de fisiologia veterinária. Elsevier Health Sciences, 2011. CUPPS, Perry T. (Ed.). Reproduction in domestic animals. Elsevier, 1991. DA SILVA, Emanuel Isaque Cordeiro. Fisiologia Clínica do Ciclo Estral de Vacas Leiteiras: Desenvolvimento Folicular, Corpo Lúteo e Etapas do Estro. 2020. Acervo pessoal. DA SILVA, Emanuel Isaque Cordeiro. Fisiologia da Reprodução Animal: Ovulação, Controle e Sincronização do Cio. 2020. Acervo pessoal. DUKES, Henry Hugh; SWENSON, Melvin J.; REECE, William O. Dukes fisiologia dos animais domésticos. Editora Guanabara Koogan, 1996. EPIFANO, Olga; DEAN, Jurrien. Genetic control of early folliculogenesis in mice. Trends in Endocrinology & Metabolism, v. 13, n. 4, p. 169-173, 2002. ERICKSON, B. H. Development and senescence of the postnatal bovine ovary. Journal of animal science, v. 25, n. 3, p. 800-805, 1966. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- FELDMAN, Edward C. et al. Canine and feline endocrinology-e-book. Elsevier health sciences, 2014. FUSCO, Giuseppe; MINELLI, Alessandro. The Biology of Reproduction. Cambridge University Press, 2019. GALINA-HIDALGO, Carlos Salvador. A study of the development of testicular function and an evaluation of testicular biopsy in farm animals. 1971. Tese de Doutorado. Royal Veterinary College (University of London). GALLICANO, G. Ian. Composition, regulation, and function of the cytoskeleton in mammalian eggs and embryos. Front Biosci, v. 6, p. D1089-1108, 2001. GILBERT, Scott F. Biología del desarrollo. Ed. Médica Panamericana, 2005. GNESSI, Lucio; FABBRI, Andrea; SPERA, Giovanni. Gonadal peptides as mediators of development and functional control of the testis: an integrated system with hormones and local environment. Endocrine reviews, v. 18, n. 4, p. 541-609, 1997. HAFEZ, Elsayed Saad Eldin; HAFEZ, Bahaa. Reprodução animal. São Paulo: Manole, 2004. HEDGER, Mark P. Testicular leukocytes: what are they doing?. Reviews of reproduction, v. 2, n. 1, p. 38-47, 1997. HUTSON, James C. Testicular macrophages. In: International review of cytology. Academic Press, 1994. p. 99-143. HYTTEL, P. Gametogênese. In. HYTTEL, Poul; SINOWATZ, Fred; VEJLSTED, Morten. Embriologia veterinária. São Paulo: Elsevier Brasil, 2012. JOHNSON, Martin H. Essential reproduction. Nova Jersey: John Wiley & Sons, 2018. JONES, Richard E.; LOPEZ, Kristin H. Human reproductive biology. Academic Press, 2013. KIERSZENBAUM, Abraham L.; TRES, Laura L. Primordial germ cell‐somatic cell partnership: A balancing cell signaling act. Molecular Reproduction and Development: Incorporating Gamete Research, v. 60, n. 3, p. 277-280, 2001. MATZUK, Martin M. et al. Intercellular communication in the mammalian ovary: oocytes carry the conversation. Science, v. 296, n. 5576, p. 2178-2180, 2002. MCLAREN, Anne. Germ and somatic cell lineages in the developing gonad. Molecular and cellular endocrinology, v. 163, n. 1-2, p. 3-9, 2000. MCKINNON, Angus O. et al. (Ed.). Equine reproduction. John Wiley & Sons, 2011. MERCHANT-LARIOS, Horacio; MORENO-MENDOZA, Norma. Onset of sex differentiation: dialog between genes and cells. Archives of medical research, v. 32, n. 6, p. 553-558, 2001. MINTZ, Beatrice et al. Embryological phases of mammalian gametogenesis. Embryological phases of mammalian gametogenesis., v. 56, n. Suppl. 1, p. 31-43, 1960. MORALES, M. E. et al. Gametogénesis. I. Revisión de la literatura, con enfoque en la ovogénesis. Medicina Universitaria, v. 8, n. 32, p. 183-9, 2006. NAKATSUJI, NORIO; CHUMA, SHINICHIRO. Differentiation of mouse primordial germ cells into female or male germ cells. International Journal of Developmental Biology, v. 45, n. 3, p. 541-548, 2002. NILSSON, Eric; PARROTT, Jeff A.; SKINNER, Michael K. Basic fibroblast growth factor induces primordial follicle development and initiates folliculogenesis. Molecular and cellular endocrinology, v. 175, n. 1-2, p. 123-130, 2001. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- NORRIS, David O.; LOPEZ, Kristin H. The endocrinology of the mammalian ovary. In: Hormones and reproduction of vertebrates. Academic Press, 2011. p. 59-72. PEDERSEN, Torben. Follicle growth in the immature mouse ovary. European Journal of Endocrinology, v. 62, n. 1, p. 117-132, 1969. PINEDA, Mauricio H. et al. McDonald's veterinary endocrinology and reproduction. Iowa state press, 2003. ROSER, J. F. Endocrine and paracrine control of sperm production in stallions. Animal Reproduction Science, v. 68, n. 3-4, p. 139-151, 2001. RUSSELL, Lonnie D. et al. Histological and histopathological evaluation of the testis. International journal of andrology, v. 16, n. 1, p. 83-83, 1993. RÜSSE, I.; SINOWATZ, F. Gametogenese. Lehrbuch der Embryologie der Haustiere, p. 42-92, 1991. SAITOU, Mitinori; BARTON, Sheila C.; SURANI, M. Azim. A molecular programme for the specification of germ cell fate in mice. Nature, v. 418, n. 6895, p. 293-300, 2002. SALISBURY, Glenn Wade et al. Physiology of reproduction and artificial insemination of cattle. WH Freeman and Company., 1978. SAWYER, Heywood R. et al. Formation of ovarian follicles during fetal development in sheep. Biology of reproduction, v. 66, n. 4, p. 1134-1150, 2002. SCARAMUZZI, R. J.; MARTENSZ, N. D.; VAN LOOK, P. F. A. Ovarian morphology and the concentration of steroids, and of gonadotrophins during the breeding season in ewes actively immunized against oestradiol-17β or oestrone. Reproduction, v. 59, n. 2, p. 303-310, 1980. SEIDEL JR, G. E. et al. Control of folliculogenesis and ovulation in domestic animals: puberal and adult function. In: 9th International Congress on Animal Reproduction and Artificial Insemination, 16th-20th June 1980. II. Round tables. Editorial Garsi., 1980. p. 11-16. SKINNER, Michael K. Cell-cell interactions in the testis. Endocrine Reviews, v. 12, n. 1, p. 45-77, 1991. SMITZ, J. E.; CORTVRINDT, Rita G. The earliest stages of folliculogenesis in vitro. Reproduction, v. 123, n. 2, p. 185-202, 2002. SORENSEN, Anton Marinus. Reproducción animal: principios y prácticas. México, 1982. SUTOVSKY, Peter; MANANDHAR, Gaurishankar. Mammalian spermatogenesis and sperm structure: anatomical and compartmental analysis. In. The sperm cell: Production, maturation, fertilization, regeneration, p. 1-30, 2006. TAZUKE, Salli I. et al. A germline-specific gap junction protein required for survival of differentiating early germ cells. Development, v. 129, n. 10, p. 2529-2539, 2002. VAN STRAATEN, H. W. M.; WENSING, C. J. G. Leydig cell development in the testis of the pig. Biology of Reproduction, v. 18, n. 1, p. 86-93, 1978. TURNBULL, K. E.; BRADEN, A. W. H.; MATTNER, P. E. The pattern of follicular growth and atresia in the ovine ovary. Australian Journal of Biological Sciences, v. 30, n. 3, p. 229-242, 1977. WASSARMAN, Paul M. Gametogenesis. Londres: Academic Press, 2012. WROBEL, K.-H.; SÜß, Franz. Identification and temporospatial distribution of bovine primordial germ cells prior to gonadal sexual differentiation. Anatomy and embryology, v. 197, n. 6, p. 451-467, 1998. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- ZARCO, L. Gametogénese. In. PORTA, L. R.; MEDRANO, J. H. H. Fisiología reproductiva de los animales domésticos. Cidade do México: FMVZ-UNAM, 2018. ZIRKIN, Barry R. et al. Endocrine and Paracrine Regulation of Mammalian Spermatogenesis. In: Hormones and Reproduction of Vertebrates. Academic Press, 2011. p. 45-57. -/- REALIZAÇÃO -/- . (shrink)

RELAÇÃO E EFEITOS BIOQUÍMICO-NUTRICIONAIS SOBRE A OVULAÇÃO RETARDADA E A ANOVULAÇÃO EM VACAS -/- -/- Emanuel Isaque Cordeiro da Silva -/- Departamento de Agropecuária – IFPE Campus Belo Jardim -/- [email protected] ou [email protected] -/- WhatsApp: (82)98143-8399 -/- -/- 13. OVULAÇÃO RETARDADA -/- A ovulação retardada é uma situação de alteração fisiológica com diferentes origens. A falha em si, ocasiona assincronia nos tempos de liberação dos gametas. O óvulo é liberado tempo depois que os sinais corporais de estro terminaram, dessa forma, (...) os processos de contractilidade do útero para permitir a migração espermática não conseguem ser sincrônicos com o tempo básico de sobrevivência do óvulo. O evento é crítico em condições de inseminação artificial. Assim, sempre a evidência reprodutiva será uma falha na fertilização. As falhas na ovulação levam a uma perda sensível nos processos reprodutivos, são de difícil diagnóstico e sua consequência imediata é o aumento no número de serviços por concepção e aumento de dias abertos (FRAZER, 2005; GORDON, 1996). -/- 13.1 Relação Energia:Proteína -/- Se houver um desequilíbrio energético prolongado, o nível de glicose no sangue (glicemia) cai. Atualmente, presume-se que a hipoglicemia causada por um déficit de energia prolongado tenha um efeito negativo na síntese das hormonas gonadotrofas. Pontualmente, baixos níveis de energia geram, parcialmente, ondas de LH atípicas que não ocasionam ovulação, dessa forma, explicam-se os transtornos da fertilidade na deficiência de energia, que se manifesta principalmente a nível dos ovários como: aciclia, estros silenciosos, ovulação retardada até a degeneração cística do folículo. Frequentemente, a carência de energia não faz com que seja detectado a presença de corpos lúteos e o nível de progesterona no sangue é reduzido. Um déficit energético pré-parto provoca um atraso na involução uterina e no aparecimento do primeiro estro no período reprodutivo seguinte (ÁVILA, 2005). Um fornecimento adequado e suficiente de energia imediatamente após o parto ("Flushing") não pode corrigir totalmente os efeitos negativos acumulados. -/- Um excesso de fibra crua no pré e pós-parto precoce, origina ovulação retardada, pelo desequilíbrio central que a relação proteína:energia gera. Excesso de fibra, não fornece níveis adequados de energia disponível e, com isso, apresenta-se irregularidade na pulsatilidade da LH, levando a atrasos na ação fisiológica desta hormona. -/- Para o manejo preventivo contra a ovulação retardada e/ou anovulação, o criador tem que estar atento aos alimentos que fornece ao animal e sua composição. Sendo assim, o composto fibra é considerada como as medidas da parede celular das plantas, no caso, ela está presente na parede dos vegetais que os ruminantes ingerem, como os capins, silagens, fenos, leguminosas etc. Possui digestão limitada, limitando também a digestão do alimento e requer maior número de mastigações e de ruminações para que se consiga quebrar a ligação dessa parede celular composta de celulose, hemicelulose, lignina etc. A fibra está presente em todos os alimentos volumosos, que são considerados como fibrosos por conter > 18% de fibra bruta (FB). Divide-se a fibra em bruta (FB), detergente ácida (FDA) e detergente neutra (FDN), essa última toda metabolizada pelo rúmen do animal. Segundo livros de Nutrição de Ruminantes, a FDN é o maior valor da fibra presente nos alimentos, a FDA o segundo e FB o menor. -/- Para obter sucesso tanto na prevenção por parte nutricional quanto na prática pelos animais, a tabela 1 traz as concentrações ideias para a presença de fibra na matéria seca para animais de diferentes categorias, além do fator produtivo e estado de condição corporal. -/- Tabela 1: Conteúdo de FDN ideal para bovinos leiteiros -/- -/- Animais Categoria % de FDN na MS -/- Vacas em lactação > 45 litros de leite/dia 26 -/- 30-45 l/dia 28 -/- 20-30 l/dia 32-33 -/- < 20 l/dia 39 -/- Recém-paridas (4 semanas) 36 -/- Vacas secas —— 50 -/- Novilhas < 180 kg de peso vivo 34 -/- 180-360 kg de PV 42 -/- Gestantes (360-540 kg de PV) 50 -/- Fonte: TEIXEIRA, 1997. -/- Para prevenir os animais jovens dos transtornos ovulatórios, deixando-os isentos para que possam entrar na vida reprodutiva saudáveis, as concentrações e níveis ideais de fibra presente na dieta dos animais jovens em diferentes idades estão abordados na tabela a seguir: -/- Tabela 2: Níveis de fibra recomendados na dieta de bezerras em diferentes idades -/- Nutriente Ração -/- 3-6 meses Ração -/- 6-12 meses Ração -/- > 12 meses -/- Mínimo de fibra -/- FB % 13 15 15 -/- FDA % 16 19 19 -/- FDN % 25 25 25 -/- FDN % na MS da fibra 17 19 19 -/- Fonte: TEIXEIRA, 1997. -/- Os níveis ideais de fibra na alimentação de bovinos leiteiros giram em torno de 37,4% no total da composição da matéria seca que o animal deverá ingerir. O percentual de FB nunca deve ser inferior aos 26-27%, uma vez que os animais diminuirão o consumo de alimentos, aumenta-se o índice de acidose, problemas nos cascos e depressão de gordura no leite. Já que os alimentos fibrosos são os volumosos, e esses requerem mais mastigações e ruminações, os cortes desse alimento devem ser bastante finos, o que torna o alimento mais fácil de ser ingerido, quebrado e metabolizado. A tabela 3 trata dos alimentos mais ricos em fibra e sua disponibilidade para os animais. -/- Tabela 3: Alimentos fibrosos e seu fornecimento -/- Alimentos Nível de fibra Fornecimento -/- Feno de capim FB = 30% -/- FDA = 35% -/- FDN = 65% ——— -/- Silagem de milho FB = 24% -/- FDA = 28% -/- FDN = 51% ——— -/- Farelo de girassol ↑ fibra 20-25% da mistura -/- Caroço de algodão Pode substituir a fibra dos volumosos Até 3,5 kg/cab./dia -/- Polpa de citrus 6% de PB -/- 11% de FB -/- 70-75% de NDT Cuidado 2% de Ca na composição -/- Fonte: TEIXEIRA, 1997. -/- 13.2 Minerais -/- O excesso de sódio pode influenciar negativamente a reprodução. Pode haver um fornecimento excessivo (150g de Na/dia) devido à ingestão prolongada de água salgada ou de palha degradada com soda cáustica à qual não se lavou o suficiente antes de ser administrada ao gado. Clinicamente, além de sintomas semelhantes à acetonemia e emagrecimento, esse excesso apresenta maior número de casos de retenção de placenta, endometrite e distúrbios da ovulação. -/- Um excesso de nitrogênio não proteico (NNP) também pode causar falha reprodutiva, uma vez que, no rúmen há uma produção crescente de nitritos devido ao teor elevado de matéria seca do alimento ingerido e por uma ingestão rápida (TAMMINGA, 2006). A transformação de nitrito em amônio pode ser retardada devido a uma alteração da flora ruminal (acidose), de tal forma que existam grandes quantidades de nitritos que podem causar uma metahemoglobinemia. No sangue pode também ser diminuída a redução enzimática da metahemoglobina através da glicosidase seja por falta de energia e/ou de vitamina C; a capacidade do sangue para fixar o oxigênio está diminuída, a hipoxia generalizada causa disfunções ou lesões nos tecidos com altas necessidades de oxigênio, como por exemplo o fígado e mucosas endometriais. Na mucosa do vestíbulo e vagina há uma coloração típica, cianótica às vezes marrom, que pode ser considerada patognomônica. Uma vez que o endométrio também seria afetado, isso explicaria as baixas taxas de fertilidade. -/- O NNP têm como principal fonte de fornecimento a ureia, mas o produtor deve estar atento a níveis de administração da mesma que não pode ultrapassar os 1-2% do total da ração de bovinos adultos. De acordo com pesquisadores, o fornecimento de ureia deve ser restringido aos 200 g/animal/dia. Não recomenda-se o uso do elemento em animais jovens < de 6 meses, e sua utilização deve ser de 0,5% do concentrado da dieta para animais de 6 meses ou mais, caso não exista a presença de amônio na ensilagem. O percentual de NNP presente nos concentrados é baixo quando a PB < 12%. Os teores de NNP nos alimentos são 10-15% nos verdes ou frescos, 15-25% nos fenados e de 35-65% nos ensilados. -/- 14. ANOVULAÇÃO -/- O processo de anovulação poderia definir-se como a sequência completa de recrutamento, desenvolvimento das estruturas foliculares, ganância de um folículo dominante sem que o mesmo chegue ao fim de sua dinâmica de crescimento, acaba não ovulando e portanto, a sequela deste fenômeno tem a ver com falhas na fertilização. Em outros casos, não existe crescimento e predominância manifesta do folículo dominante. Ele incriminou falhas na liberação de LH, devido a problemas inerentes à falta de energia. A manipulação induzida da liberação de GnRH por efeitos nutricionais mostrou alguma melhoria do problema (PRADO et al., 2002). -/- A anovulação é considerada normal e comum durante o estro de transição, isto é, o tempo ou intervalo de um cio para outro. Nada mais é do que um óvulo que não foi, ou que não pode ser fertilizado. Durante o estro de transição é comum observar sangramento no animal, mas calma produtor, esse sangramento deriva desse óvulo que não foi fecundado e está sendo expulso pelos mecanismos fisiológicos do sistema genital desse animal. Geralmente, como foi relatado, ocorre em fêmeas de primíparas e multíparas pós-parto. -/- Para combater as falhas da ovulação dessas fêmeas o criador deverá optar pela alimentação balanceada que forneça todos os nutrientes exigidos pelo animal, além da disponibilidade de água e conforto térmico para o bem-estar do animal, fazendo com que ele, além de controlar sua deficiência ovulatória possa expressar seu máximo potencial genético. -/- -/- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- -/- ÁVILA, G. J. El período preparto y su influencia en la eficiencia reproductiva. In: En: Memorias del XXII Congreso Nacional de Buiatría. 1998. p. 182-190. -/- -/- BARRENHO, Gonçalo José Pinheiro. Nutrição e fertilidade em bovinos de leite. 2016. Dissertação de Mestrado. Universidade de Évora. -/- -/- BERCHIELLI, Telma Teresinha; PIRES, Alexandre Vaz; OLIVEIRA, SG de. Nutrição de ruminantes. Jaboticabal: funep, 2006. -/- -/- BINDARI, Yugal Raj et al. Effects of nutrition on reproduction-A review. Adv. Appl. Sci. Res, v. 4, n. 1, p. 421-429, 2013. -/- -/- BOLAND, M. P. Efectos nutricionales en la reproducción del ganado. XXXI Jornadas Uruguayas de Buiatría, 2003. -/- -/- DEHNING, R. Interrelaciones entre nutrición y fertilidad. In: Curso Manejo de la Fertilidad Bovina18-23 May 1987Medellín (Colombia). CICADEP, Bogotá (Colombia) Universidad de La Salle, Medellín (Colombia) Instituto Colombiano Agropecurio, Bogotá (Colombia) Sociedad Alemana de Cooperación Técnica-GTZ (Alemania), 1987. -/- -/- DE LUCA, Leonardo J. Nutrición y fertilidad en el ganado lechero. XXXVI Jornadas Uruguayas de Buiatría, 2008. -/- -/- DIAS, Juliano Cesar et al. Alguns aspectos da interação nutrição-reprodução em bovinos: energia, proteína, minerais e vitaminas. PUBVET, v. 4, p. Art. 738-743, 2010. -/- -/- FRAZER, Grant S. Bovine theriogenology. Veterinary Clinics: Food Animal Practice, v. 21, n. 2, p. xiii-xiv, 2005. -/- -/- FUCK, E. J.; MORAES, G. V.; SANTOS, G. T. Fatores nutricionais na reprodução das vacas leiteiras. I. Energia e proteína. Rev Bras Reprod Ani, v. 24, p. 147-161, 2000. -/- -/- GORDON, Ian. Controlled reproduction in farm animals series. Nova Iorque: CAB International, 1996. -/- -/- MAAS, John. Relationship between nutrition and reproduction in beef cattle. The Veterinary Clinics of North America. Food Animal Practice, v. 3, n. 3, p. 633-646, 1987. -/- -/- MIRANDA, Cleydson Daniel Moreira et al. Taxa de ovulação de vacas holandesas em relação ao ECC no período pós parto/Ovulation rate of Dutch cows in relation to ECC in the postpartum period. Brazilian Journal of Development, v. 5, n. 11, p. 24738-24742, 2019. -/- -/- PASA, Camila. Relação reprodução animal e os minerais. Biodiversidade, v. 9, n. 1, 2011. -/- -/- PELEGRINO, Raeder do Carmo et al. Anestro ou condições anovulatórias em bovinos. Revista Científica Eletrônica de Medicina Veterinária, n. 12, 2009. -/- -/- PRADO, T. M. et al. Influence of exogenous gonadotropin-releasing hormone on ovarian function in beef cows after short-and long-term nutritionally induced anovulation. Journal of animal science, v. 80, n. 12, p. 3268-3276, 2002. -/- -/- SARTORI, Roberto; GUARDIEIRO, Monique Mendes. Fatores nutricionais associados à reprodução da fêmea bovina. Revista Brasileira de Zootecnia, v. 39, p. 422-432, 2010. -/- -/- TAMMINGA, Seerp. The effect of the supply of rumen degradable protein and metabolisable protein on negative energy balance and fertility in dairy cows. Animal reproduction science, v. 96, n. 3-4, p. 227-239, 2006. -/- -/- TEIXEIRA, J. C.; TEIXEIRA, LFAC. Alimentação de bovinos leiteiros. FAEPE, Lavras, 1997. -/- -/- WILTBANK, M. C.; GÜMEN, A.; SARTORI, Roberto. Physiological classification of anovulatory conditions in cattle. Theriogenology, v. 57, n. 1, p. 21-52, 2002. -/- . (shrink)

Bioinformatics scientists often describe their own scientific activities as the practice of working with large amounts of data using computing devices. An essential part of their self-identification is also the development of ways to visually represent the results of this work. Some of these methods are aimed at building convenient representations of data and demonstrating patterns present in them (graphics, diagrams, graphs). Others are ways of visualizing objects that are not directly accessible to human perception (microphotography, X-ray). Both the construction (...) of visualizations and (especially) the creation of new computer visualization methods are considered in bioinformatics as significant scientific achievements. Representations of the three-dimensional structure of protein molecules play a special role in the inquiries of bioinformatics scientists. 3D-visualization of a macromolecule, on the one hand, is, like a graph, a representation of the results of computer processing of data arrays obtained by material methods – spatiotemporal coordinates of structural elements of the molecule. On the other hand, like microphotography, these 3D structures should serve as accurate representations of specific scientific objects. This leads to the parallel existence of two contradictory epistemic regimes: creative arbitrariness in making convenient, communicatively successful models, is combined with commitment to the object “as it really is”. The paradox is reinforced by the fact that the scientific study of objects in question (determining the properties of the structure, its functions, comparison with other structures) by means of computers does not require visualization at all. Its obviously high value for bioinformatics does not look justified if we take into account the prominent artificiality and artistry of the resulting images. However, the status of these images becomes clearer if we relate them to earlier notions of the role of the visual in scientific discovery. The highest estimation of visualization as the final result of scientific research was characteristic of Renaissance science. The artistic representation of ideal essential properties, instead of a strict correspondence to a particular biological object, is an epistemic virtue typical of the naturalists of the 17th and 18th centuries. Both suggested a close collaboration between the scientist and the artist; and standards for visualizing macromolecules in bioinformatics grow out of a similar collaboration (Geis’ drawings). The desire for maximum accuracy and detail inherits the regulation of “mechanical objectivity” (as Daston and Galison put it into words), for which it is also important to eliminate humans from the image production process (in bioinformatics, to transfer these functions to computer programs). Thus, 3D-visualization of protein structures bears traces of historically different value orientations, but the scientific practice of the 20th and 21st centuries, supplemented by computer technologies, allows them to be intertwined in particular disciplinary units. (shrink)

Plants have evolved with complex signaling circuits that operate under multiple conditions and govern numerous cellular functions. Stress signaling in plant cells is a sophisticated network composed of interacting proteins organized into tiered cascades where the function of a molecule is dependent on the interaction and the activation of another. In a linear scheme, the receptors of cell surface sense the stimuli and convey stress signals through specific pathways and downstream phosphorylation events controlled by mitogen-activated protein (MAP) kinases (...) and second messengers, leading to appropriate adaptive responses. The specificity of the pathway is guided by scaffolding proteins and docking domains inside the interacting partners with distinctive structures and functions. The flexibility and the fine-tuned organization of the signaling molecules drive the activated MAP kinases into the appropriate location and connection to control and integrate the information flow. Here, we overview recent findings of the involvement of MAP kinases in major abiotic stresses (drought, cold and temperature fluctuations) and we shed light on the complexity and the specificity of MAP kinase signaling modules. (shrink)

Current knowledge of the RNA world indicates 2 different genetic codes being present throughout the living world. In contrast to non-coding RNAs that are built of repetitive nucleotide syntax, the sequences that serve as templates for proteins share—as main characteristics—a non-repetitive syntax. Whereas non-coding RNAs build groups that serve as regulatory tools in nearly all genetic processes, the coding sections represent the evolutionarily successful function of the genetic information storage medium. This indicates that the differences in their syntax structure (...) are coherent with the differences of the functions they represent. Interestingly, these 2 genetic codes resemble the function of all natural languages, i.e., the repetitive non-coding sequences serve as appropriate tool for organization, coordination and regulation of group behavior, and the nonrepetitive coding sequences are for conservation of instrumental constructions, plans, blueprints for complex protein-body architecture. This differentiation may help to better understand RNA group behavioral motifs. (shrink)

Since John Von Neumann's proposition in 1932 of a relationship between quantum mechanics and the brain, different perspectives and proposals have evolved (Tarlaci, 2010). Hu & Wu (2006) point out that the seat of consciousness would be the spin within the membranes of neurons and proteins in the brain. Sieb (2016) applied the theory of relativity to spatiotemporal consciousness and found correlations with aspects of brain functioning. Another suggestion is that consciousness emerges because of the Orchestrated Objective Reduction in microtubules (...) (Hameroff & Penrose, 2003). However, few studies about the psychological implications of the relationship between quantum mechanics and the brain and its application to individual psychology exist. (shrink)

This essay examines the relationship between metabolic brain processes and psycho-physiological activities or mental activity. It is argued that metabolic brain processes, including those involved in the production of energy, proteins and other molecules are restorative and conditional, rather than directly involved in mental activities. This stance suggests that life-time acquired learning and memory is precipitated as a permanent and personal configuration of the brain, that is in principle accessible to neurophysiological examination. Current neuroscience largely ignores implicitly or explicitly the (...) search for new emergent configurations of the brain. (shrink)

The Protein Ontology (PRO) provides a formal, logically-based classification of specific protein classes including structured representations of protein isoforms, variants and modified forms. Initially focused on proteins found in human, mouse and Escherichia coli, PRO now includes representations of protein complexes. The PRO Consortium works in concert with the developers of other biomedical ontologies and protein knowledge bases to provide the ability to formally organize and integrate representations of precise protein forms so as to (...) enhance accessibility to results of protein research. PRO (http://pir.georgetown.edu/pro) is part of the Open Biomedical Ontologies (OBO) Foundry. (shrink)

This is a short overview of the biological functions debate in philosophy. While it was fairly comprehensive when it was written, my short book ​A Critical Overview of Biological Functions has largely supplanted it as a definitive and up-to-date overview of the debate, both because the book takes into account new developments since then, and because the length of the book allowed me to go into substantially more detail about existing views.

The Protein Ontology (PRO; http://proconsortium.org) formally defines protein entities and explicitly represents their major forms and interrelations. Protein entities represented in PRO corresponding to single amino acid chains are categorized by level of specificity into family, gene, sequence and modification metaclasses, and there is a separate metaclass for protein complexes. All metaclasses also have organism-specific derivatives. PRO complements established sequence databases such as UniProtKB, and interoperates with other biomedical and biological ontologies such as the Gene Ontology (...) (GO). PRO relates to UniProtKB in that PRO’s organism-specific classes of proteins encoded by a specific gene correspond to entities documented in UniProtKB entries. PRO relates to the GO in that PRO’s representations of organism-specific protein complexes are subclasses of the organism-agnostic protein complex terms in the GO Cellular Component Ontology. The past few years have seen growth and changes to the PRO, as well as new points of access to the data and new applications of PRO in immunology and proteomics. Here we describe some of these developments. (shrink)

The etiological account of teleological function is beset by several difficulties, which I propose to solve by grafting onto the etiological theory a subordinated goal-contribution clause. This approach enables us to ascribe neither too many teleofunctions nor too few; to give a unitary, one-clause analysis that works just as well for teleological functions derived from Darwinian evolution, as for those derived from human intention; and finally, to save the etiological theory from falsification, by explaining how, in spite of appearances, (...) the theory can allow for evolutionary function loss. (shrink)

Our perceptual systems are not stagnant but can learn from experience. Why is this so? That is, what is the function of perceptual learning? I consider two answers to this question: The Offloading View, which says that the function of perceptual learning is to offload tasks from cognition onto perception, thereby freeing up cognitive resources (Connolly, 2019) and the Perceptual View, which says that the function of perceptual learning is to improve the functioning of perception. I argue (...) that the Perceptual View better explains data from infants and animals, and better accounts for learned tasks that only perception could perform. (shrink)

In the debate over the moral status of nonsentient organisms, biocentrists argue that all living things, including nonsentient ones, have interests of their own. They often defend this claim by arguing that living organisms are goal-directed, functionally organized systems. This argument for ascribing interests has faced a serious challenge that is sometimes called the Problem of Scope. Critics have argued that ascribing interests on the basis of functional organization would have implausible implications regarding the scope of the argument, such as (...) ascribing interests to inanimate artifacts and machines. In this paper, I argue that much of the recent discussion on the Problem of Scope is based on an uncharitable interpretation of the argument for ascribing interests, which presupposes a reductionist account of functions. I assess this version of the argument, and explain why it cannot succeed. I then consider an alternative interpretation of the argument, which starts from a non-reductionist account of functions. I argue that this version of the argument avoids the Problem of Scope, while acknowledging that it has limitations of its own. (shrink)