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)

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)

Modern life sciences research is increasingly relying on artificial intelligence (AI) approaches to model biological systems, primarily centered around the use of machine learning (ML) models. Although ML is undeniably useful for identifying patterns in large, complex data sets, its widespread application in biological sciences represents a significant deviation from traditional methods of scientific inquiry. As such, the interplay between these models and scientific understanding in biology is a topic with important implications for the future of scientific research, yet (...) it is a subject that has received little attention. Here, we draw from an epistemological toolkit to contextualize recent applications of ML in biological sciences under modern philosophical theories of understanding, identifying general principles that can guide the design and application of ML systems to model biological phenomena and advance scientific knowledge. We propose that conceptions of scientific understanding as information compression, qualitative intelligibility, and dependency relation modelling provide a useful framework for interpreting ML-mediated understanding of biological systems. Through a detailed analysis of two key application areas of ML in modern biological research – protein structure prediction and single cell RNA-sequencing – we explore how these features have thus far enabled ML systems to advance scientific understanding of their target phenomena, how they may guide the development of future ML models, and the key obstacles that remain in preventing ML from achieving its potential as a tool for biological discovery. Consideration of the epistemological features of ML applications in biology will improve the prospects of these methods to solve important problems and advance scientific understanding of living systems. (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)

The essential biological processes that sustain life are catalyzed by protein nano-engines, which maintain living systems in far-from-equilibrium ordered states. To investigate energetic processes in proteins, we have analyzed the system of generalized Davydov equations that govern the quantum dynamics of multiple amide I exciton quanta propagating along the hydrogen-bonded peptide groups in α-helices. Computational simulations have confirmed the generation of moving Davydov solitons by applied pulses of amide I energy for protein α-helices of varying length. The stability (...) and mobility of these solitons depended on the uniformity of dipole-dipole coupling between amide I oscillators, and the isotropy of the exciton-phonon interaction. Davydov solitons were also able to quantum tunnel through massive barriers, or to quantum interfere at collision sites. The results presented here support a nontrivial role of quantum effects in biological systems that lies beyond the mechanistic support of covalent bonds as binding agents of macromolecular structures. Quantum tunneling and interference of Davydov solitons provide catalytically active macromolecular protein complexes with a physical mechanism allowing highly efficient transport, delivery, and utilization of free energy, besides the evolutionary mandate of biological order that supports the existence of such genuine quantum phenomena, and may indeed demarcate the quantum boundaries of life. (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)

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 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)

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)

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)

The problem with reductionism in biology is not the reduction, but the implicit attitude of determinism that usually accompanies it. Methodological reductionism is supported by deterministic beliefs, but making such a connection is problematic when it is based on an idea of determinism as fixed predictability. Conflating determinism with predictability gives rise to inaccurate models that overlook the dynamic complexity of our world, as well as ignore our epistemic limitations when we try to model it. Furthermore, the assumption of (...) a strictly deterministic framework is unnecessarily hindering to biology. By removing the dogma of determinism, biological methods, including reductive methods, can be expanded to include stochastic models and probabilistic interpretations. Thus, the dogma of reductionism can be saved once its ties with determinism are severed. In this paper, I analyze two problems that have faced molecular biology for the last 50 years—protein folding and cancer. Both cases demonstrate the long influence of reductionism and determinism on molecular biology, as well as how abandoning determinism has opened the door to more probabilistic and unconstrained reductive methods in biology. (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)

Advances in biology, at least over the past two centuries, have mostly relied on theories that were subsequently revised, expanded or eventually refuted using experimental and other means. The field of theoretical biology used to primarily provide a basis, similar to theoretical physics in the physical sciences, to rationally examine the frameworks within which biological experiments were carried out and to shed light on overlooked gaps in understanding. Today, however, theoretical biology has generally become synonymous with computational (...) and mathematical biology. This could in part be explained by a relatively recent tendency in which a "data first", rather than a "theory first", approach is preferred. Moreover, generating hypotheses has at times become procedural rather than theoretical, therefore perhaps inadvertently leading some hypotheses to become perfunctory in nature. This situation leaves our understanding enmeshed in data, which should be disentangled from much noise. Given the many unresolved questions in biology and medicine, big and small, ranging from the problem of protein folding to unifying causative frameworks of complex non-Mendelian human diseases, it seems apt to revive the role of pure theory in the biological sciences. This paper, using the current biomedical literature and historical precedents, makes the case for a "philosophical biology" (philbiology), distinct from but quite complementary to philosophy of biology (philobiology), which would entail biological investigation through philosophical approaches. Philbiology would thus be a reincarnation of theoretical biology, adopting the true sense of the word "theory" and making use of a rich tradition of serious philosophical approaches in the natural sciences. A philbiological investigation, after clearly defining a given biological problem, would aim to propose a set of empirical questions, along with a class of possible solutions, about that problem. Importantly, whether or not the questions can be tested using current experimental paradigms would be secondary to whether the questions are inherently empirical or not. These issues will be illustrated using a range of specific examples. The final goal of a philbiological investigation would be to develop a theoretical framework that can lead observational and/or interventional experimental studies of the defined problem, a framework that is structured, generative and expandable, and, crucially, one that simplifies some aspect(s) of the said problem. (shrink)

Several authors have used the notion of causal specificity in order to defend non-parity about genetic causes (Waters 2007, Woodward 2010, Weber 2017, forthcoming). Non-parity in this context is the idea that DNA and some other biomolecules that are often described as information-bearers by biologists play a unique role in life processes, an idea that has been challenged by Developmental Systems Theory (e.g., Oyama 2000). Indeed, it has proven to be quite difficult to state clearly what the alleged special role (...) of genetic causes consists in. In this paper, I show that the set of biomolecules that are normally considered to be information-bearers (DNA, mRNA) can be shown to be the most specific causes of protein primary structure, provided that causal specificity is measured over a relevant space of biological possibilities, disregarding physical as well as logically possible states of the causal variables. (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)

This paper examines the adequacy of causal graph theory as a tool for modeling biological phenomena and formalizing biological explanations. I point out that the causal graph approach reaches it limits when it comes to modeling biological phenomena that involve complex spatial and structural relations. Using a case study from molecular biology, DNA-binding and -recognition of proteins, I argue that causal graph models fail to adequately represent and explain causal phenomena in this field. The inadequacy of these models is (...) due to their failure to include relevant spatial and structural information in a way that does not render the model non-explanatory, unmanageable, or inconsistent with basic assumptions of causal graph theory. (shrink)

The mantra that "the best way to predict the future is to invent it" (attributed to the computer scientist Alan Kay) exemplifies some of the expectations from the technical and innovative sides of biomedical research at present. However, for technical advancements to make real impacts both on patient health and genuine scientific understanding, quite a number of lingering challenges facing the entire spectrum from protein biology all the way to randomized controlled trials should start to be overcome. The (...) proposal in this chapter is that philosophy is essential in this process. By reviewing select examples from the history of science and philosophy, disciplines which were indistinguishable until the mid-nineteenth century, I argue that progress toward the many impasses in biomedicine can be achieved by emphasizing theoretical work (in the true sense of the word 'theory') as a vital foundation for experimental biology. Furthermore, a philosophical biology program that could provide a framework for theoretical investigations is outlined. (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)

While Darwin is commonly supposed to have demonstrated the inapplicability of the Aristotelian ontology of species to biological science, recent developments, especially in the wake of the Human Genome Project, have given rise to a new golden age of classification in which ontological ideas -- as for example in the Gene Ontology, the Cell Ontology, the Protein Ontology, and so forth -- are once again playing an important role. In regard to species, on the other hand, matters are more (...) complex. We provide a brief overview of recent proposals concerning the ontology of species, dealing with species as sets, classes and as collections, the views of Ernst Meyr, and mereological views. (shrink)

It has become customary to conceptualize the living cell as an intricate piece of machinery, different to a man-made machine only in terms of its superior complexity. This familiar understanding grounds the conviction that a cell's organization can be explained reductionistically, as well as the idea that its molecular pathways can be construed as deterministic circuits. The machine conception of the cell owes a great deal of its success to the methods traditionally used in molecular biology. However, the recent (...) introduction of novel experimental techniques capable of tracking individual molecules within cells in real time is leading to the rapid accumulation of data that are inconsistent with an engineering view of the cell. This paper examines four major domains of current research in which the challenges to the machine conception of the cell are particularly pronounced: cellular architecture, protein complexes, intracellular transport, and cellular behaviour. It argues that a new theoretical understanding of the cell is emerging from the study of these phenomena which emphasizes the dynamic, self-organizing nature of its constitution, the fluidity and plasticity of its components, and the stochasticity and non-linearity of its underlying processes. (shrink)

Chemical kinds (e.g. gold) are generally treated as having timelessly fixed identities. Biological kinds (e.g. goldfinches) are generally treated as evolved and/or evolving entities. So what kind of kind is a biochemical kind? This paper defends the thesis that biochemical molecules are clustered chemical kinds, some of which–namely, evolutionarily conserved units–are also biological kinds.On this thesis, a number of difficulties that have recently occupied philosophers concerned with proteins and kinds are shown to be resolved or dissolved.

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)

The Plant Ontology (PO; http://www.plantontology.org/) is a publicly-available, collaborative effort to develop and maintain a controlled, structured vocabulary (“ontology”) of terms to describe plant anatomy, morphology and the stages of plant development. The goals of the PO are to link (annotate) gene expression and phenotype data to plant structures and stages of plant development, using the data model adopted by the Gene Ontology. From its original design covering only rice, maize and Arabidopsis, the scope of the PO has been expanded (...) to include all green plants. The PO was the first multi-species anatomy ontology developed for the annotation of genes and phenotypes. Also, to our knowledge, it was one of the first biological ontologies that provides translations (via synonyms) in non-English languages such as Japanese and Spanish. There are about 2.2 million annotations linking PO terms to over 110,000 unique data objects representing genes or gene models, proteins, RNAs, germplasm and Quantitative Traits Loci (QTLs) from 22 plant species. In this paper, we focus on the plant anatomical entity branch of the PO, describing the organizing principles, resources available to users, and examples of how the PO is integrated into other plant genomics databases and web portals. We also provide two examples of comparative analyses, demonstrating how the ontology structure and PO-annotated data can be used to discover the patterns of expression of the LEAFY (LFY) and terpene synthase (TPS) gene homologs. (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)

[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)

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 fields of quantum biology and physics are now starting to unite to solve the mysteries associated with the field of evolutionary biology. One such question is the origination and propagation of consciousness which has always been ambiguous and in order to understand this concept, many theories have been proposed by several philosophers and scientists. This review paper agrees with the idea, that evolution is not a random process but hypothesizes, that its succession was managed by the expanding (...) level of consciousness due to cell division and cell differentiation. Several theories propose that the cytoskeleton and its proteins are promoters for consciousness in the brain, which propagates by means of super-conductance. A better correlation of cytoskeletal evolution and consciousness could help solve the enigma of the origination, propagation and existence of consciousness. This review is a compilation of theories, evidences and scientific studies which intends to bring an association between propagation of consciousness and the evolution of the cytoskeleton and its proteins. (shrink)

Upon separation of the protein from the nucleic acid component of tobacco mosaic virus by phenol, using a fast and gentle procedure, the nucleic acid is infective in assays on tobacco leaves. A series of qualitative and quantitative control experiments demonstrates that the biological activity cannot depend on residual proteins in the preparation, but is a property of isolated nucleic acid which is thus the genetic material of the virus.

The environment can elicit biological responses such as oxidative stress (OS) and inflammation as a consequence of chemical, physical, or psychological changes. As population studies are essential for establishing these environment-organism interactions, biomarkers of OS or inflammation are critical in formulating mechanistic hypotheses. By using examples of stress induced by various mechanisms, we focus on the biomarkers that have been used to assess OS and inflammation in these conditions. We discuss the difference between biomarkers that are the result of a (...) chemical reaction (such as lipid peroxides or oxidized proteins that are a result of the reaction of molecules with reactive oxygen species) and those that represent the biological response to stress, such as the transcription factor NRF2 or inflammation and inflammatory cytokines. The high-throughput and holistic approaches to biomarker discovery used extensively in large-scale molecular epidemiological exposome are also discussed in the context of human exposure to environmental stressors. We propose to consider the role of biomarkers as signs and to distinguish between signs that are just indicators of biological processes and proxies that one can interact with and modify the disease process. (shrink)

Following Kripke and Putnam, the received view of chemical kinds has been a microstructuralist one. To be a microstructuralist about chemical kinds is to think that membership in said kinds is conferred by microstructural properties. Recently, the received microstructuralist view has been elaborated and defended, but it has also been attacked on the basis of complexities, both chemical and ontological. Here, I look at which complexities really challenge the microstructuralist view; at how the view itself might be made more complicated (...) in order to accommodate such challenges; and finally, at what this increasingly complicated picture implies for our standard assessment of chemical kindhood—primarily, for the widespread assumption that chemical kinds in general are more neat and tidy than those messy biological ones. _1_ The Received View _2_ A Taxonomy of Chemical Kinds _3_ Atomic Number _4_ H2O, H3O+, OH−, and More _5_ Complicating the Microstructuralist Picture _6_ Concrete and Other Mixtures _7_ Macromolecules, Especially Proteins _8_ Abandoning Sameness of Elemental Composition _9_ Not So Different after All. (shrink)

In the future, human destiny may depend on our ethics. In particular, biotechnology and expansion in space can transform life, raising profound questions. Guidance may be found in Life-centered ethics, as biotic ethics that value the basic patterns of organic gene/protein life, and as panbiotic ethics that always seek to expand life. These life-centered principles can be based on scientific insights into the unique place of life in nature, and the biological unity of all life. Belonging to life then (...) implies a human purpose: to safeguard and propagate life. Expansion in space will advance this purpose but will also raise basic questions. Should we expand all life or only intelligent life? Should we aim to create populations of trillions? Should we seed other solar systems? How far can we change but still preserve the human species, and life itself? The future of all life may be in our hands, and it can depend on our guiding ethics whether life will fulfil its full potentials. Given such profound powers, life-centered ethics can best secure future generations. Our descendants may then understand nature more deeply, and seek to extend life indefinitely. In that future, our human existence can find a cosmic purpose. (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)

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.

Terms loaded with informational connotations are often employed to refer to genes and their dynamics. Indeed, genes are usually perceived by biologists as basically ‘the carriers of hereditary information.’ Nevertheless, a number of researchers consider such talk as inadequate and ‘just metaphorical,’ thus expressing a skepticism about the use of the term ‘information’ and its derivatives in biology as a natural science. First, because the meaning of that term in biology is not as precise as it is, for (...) instance, in the mathematical theory of communication. Second, because it seems to refer to a purported semantic property of genes without theoretically clarifying if any genuinely intrinsic semantics is involved. Biosemiotics, a field that attempts to analyze biological systems as semiotic systems, makes it possible to advance in the understanding of the concept of information in biology. From the perspective of Peircean biosemiotics, we develop here an account of genes as signs, including a detailed analysis of two fundamental processes in the genetic information system (transcription and protein synthesis) that have not been made so far in this field of research. Furthermore, we propose here an account of information based on Peircean semiotics and apply it to our analysis of transcription and protein synthesis. (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)

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)

Statements about the behavior of biochemical entities (e.g., about the interaction between two proteins) abound in the literature on molecular biology and are increasingly becoming the targets of information extraction and text mining techniques. We show that an accurate analysis of the semantics of such statements reveals a number of ambiguities that have to be taken into account in the practice of biomedical ontology engineering: Such statements can not only be understood as event reporting statements, but also as ascriptions (...) of dispositions or tendencies that may or may not refer to collectives of interacting molecules or even to collectives of interaction events. (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)

Vaccine research, as well as the development, testing, clinical trials, and commercial uses of vaccines involve complex processes with various biological data that include gene and protein expression, analysis of molecular and cellular interactions, study of tissue and whole body responses, and extensive epidemiological modeling. Although many data resources are available to meet different aspects of vaccine needs, it remains a challenge how we are to standardize vaccine annotation, integrate data about varied vaccine types and resources, and support advanced (...) vaccine data analysis and inference. To address these problems, the community-based Vaccine Ontology (VO) has been developed through collaboration with vaccine researchers and many national and international centers and programs, including the National Center for Biomedical Ontology (NCBO), the Infectious Disease Ontology (IDO) Initiative, and the Ontology for Biomedical Investigations (OBI). VO utilizes the Basic Formal Ontology (BFO) as the top ontology and the Relation Ontology (RO) for definition of term relationships. VO is represented in the Web Ontology Language (OWL) and edited using the Protégé-OWL. Currently VO contains more than 2000 terms and relationships. VO emphasizes on classification of vaccines and vaccine components, vaccine quality and phenotypes, and host immune response to vaccines. These reflect different aspects of vaccine composition and biology and can thus be used to model individual vaccines. More than 200 licensed vaccines and many vaccine candidates in research or clinical trials have been modeled in VO. VO is being used for vaccine literature mining through collaboration with the National Center for Integrative Biomedical Informatics (NCIBI). Multiple VO applications will be presented. (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)

The unit of selection is the concept of that ‘something’ to which biologists refer when they speak of an adaptation as being ‘for the good of’ something. Darwin identified the organism as the unit of selection because for him the ‘struggle for existence’ was an issue among individuals. Later on it was suggested that, in order to understand the evolution of social behavior, it is necessary to argue that groups, and not individuals, are the units of selection. The last addition (...) to this debate was the formulation by Dawkins, in 1976, that the genes themselves are the units of selection while the organisms are merely the temporary receptacles and vehicles for such genes. Thus, the preposterous dissolution of the organism into genes and the proteins coded by such genes has been introduced in the evolutionary discourse by neglecting that the explanations for biological phenomena can be either synchronic or diachronic, depending on the phenomenon to be explained. Therefore explanations in molecular biology are synchronic while evolutionary biology needs diachronic explanations. Nevertheless, for ultra-Darwinians such as Dawkins, efficient replication is all that biology is about. Here I develop an argument in order to show that there is nothing in molecular and cell biology that might support such a contention and that the idea of the gene as the unit of selection is incompatible with the evident evolution of biological complexity. (shrink)

When considering the question of possible transformation and disappearance of scientific objects, it is useful to distinguish between epistemic and technical objects. This paper presents preliminary observations and offers a typology of obsolescence. It is based on several case studies drawn from the history of life sciences. The paper proceeds as follows: first, the dynamics of epistemic objects is considered through the examples of Carl Correns’ study of “xenia”, Alfred Kühn’s work on physiological developmental genetics, and Paul Zamecnik’s research on (...) the protein biosynthesis. Second, the phasing out of technical objects is then separately discussed and illustrated by the example of radioactive tracing in biology – until recently, an established technique of visualization. (shrink)

The unit of selection is the concept of that ‘something’ to which biologists refer when they speak of an adaptation as being ‘for the good of’ something. Darwin identified the organism as the unit of selection because for him the ‘struggle for existence’ was an issue among individuals. Later on it was suggested that, in order to understand the evolution of social behavior, it is necessary to argue that groups, and not individuals, are the units of selection. The last addition (...) to this debate was the formulation by Dawkins, in 1976, that the genes themselves are the units of selection while organisms are merely the temporary receptacles and vehicles for such genes. Thus, the preposterous dissolution of the organism into genes and the proteins coded by such genes has been introduced in the evolutionary discourse by neglecting that the explanations for biological phenomena can be either synchronic or diachronic, depending on the phenomenon to be explained. Therefore explanations in molecular biology are synchronic while evolutionary biology needs diachronic explanations. Nevertheless, for ultra-Darwinians such as Dawkins, efficient replication is all that biology is about. Here I develop an argument in order to show that there is nothing in molecular and cell biology that might support such a contention and that the idea of the gene as the unit of selection is incompatible with the evident evolution of biological complexity. (shrink)

Statements about the behavior of biological entities, e.g. about the interaction between two proteins, abound in the literature on molecular biology and are increasingly becoming the targets of information extraction and text mining techniques. We show that an accurate analysis of the semantics of such statements reveals a number of ambiguities that is necessary to take into account in the practice of biomedical ontology engineering. Several concurring formalizations are proposed. Emphasis is laid on the discussion of biological dispositions.

This essay moves along broad lines from molecular biology to evolutionary biology and ecology to theology. Its objectives are to: 1) present some recent scientific findings in the emerging field of epigenetics that indicate that it is “the genome in context,” not genes per se, that are important in biological development and evolution; 2) show that this weakens the gene-centric neo-Darwinist explanation of evolution which, in fact, shares a certain preformationist orientation with intelligent design theory; 3) argue that (...) the evidence against a gene-centric view in no way negates Darwin’s central idea of “descent with modification”; 4) argue that an embrace of the evolutionary story, with all of its contingency and apparent lack of directionality, is not only consistent with Christianity, but actually resonates with the notion of the self-emptying love of God in Jesus Christ; and finally 5) suggest that we are called through an ecological imperative to embrace our evolutionary story, to listen to our “genetic coding,” and to reclaim our grounding as a species in the natural world. Corrigendum (published in later issue of journal): There was an error in the paragraph describing the mode of action of the small temporally-expressed RNAs (stRNAs) lin-4 and let-7 from Caenorhabditis elegans. Instead of reading "These two stRNAs act by binding to the tails of their target messenger RNAs (mRNAs); this results in destruction of the target and an overall drop in the level of production of protein from agouti mRNA" [note that agouti mRNA is not a target of these stRNAs], the sentence should have read, "These two stRNAs act by binding to the tails of target messenger RNAs (mRNAs); this leads to inhibition of translation of the mRNAs into protein and a consequent drop in the levels of the corresponding target protein.". (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. 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