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Control genético del desarrollo

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Control

genético del desarrollo

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Organismos multicelulares

Cada célula de un organismo multicelular expresa un

conjunto de genes.

Ej:

- α-tubulina: necesaria para la formación de microtúbulos

- opsinas: necesarias para la fototransducción

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Organismos multicelulares

Los organismos multicelulares comparten muchos genes y

muchos mecanismos de señalización molecular

involucrados en el desarrollo del zigoto a adulto.

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El desarrollo presenta dos sucesos

Determinación: se fija el destino específico de desarrollo de

una célula.

Células madre (stem cells) no se ha desencadenado la

determinación hacia un tipo celular particular.

Diferenciación: la célula alcanza su forma y función final.

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¿Se pierde información genética?

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Experimentos de clonación

El material genético no se altera, ni tampoco se

pierde de forma irreversible

El desarrollo está dado por la expresión

selectiva de los genes

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Clonación de plantas

1950, F. Steward: disgregado de floema de raíz de

zanahoria.

1 célula cultivada = 1 planta completa, comestible

El material genético no se pierde, ni se altera en forma

irreversible durante el desarrollo.

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Clonación de vertebrados

Rana pipiens (1952, Briggs y King) y Bufo arenarum (60s)

Ovocito enucleado

Núcleo de blastocisto

El material genético no se pierde, ni se altera en forma

irreversible durante el desarrollo.

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1996, Roslin Institute: se transfiere núcleo de célula

diferenciada de animal adulto

Somatic cell nuclear transfer

madre

Dolly sustituta

Acortamiento de telómeros

¿edad de la donante?

Clonación de mamíferos

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Control genético del desarrollo

Óvulo fecundado

Cigoto

Divisiones nucleares

Células embrionarias iniciales totipotentes

Destino celular específico: determinación

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Control genético del desarrollo en Drosophila

Estudio de mutantes

del desarrollo

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Control genético del desarrollo en Drosophila

Fecundación

Múltiples divisiones del núcleo sin

división celular= cél. multinucleada

los núcleos migran a la periferia

capa de células en la periferia del

embrión, por invaginación de la mb

celular

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Grupos de genes que controlan el desarrollo

en Drosophila

Genes Estadío del desarrollo

de polaridad del huevo principales ejes del cuerpo

de segmentación número y polaridad de los

segmentos del cuerpo

Homeóticos estructuras del adulto en cada

segmento

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Control genético del desarrollo en Drosophila

Morfógenos: proteínas expresadas durante el desarrollo.

Se establecen gradientes de concentración que afectan

el destino de la región en que se encuentran

Polaridad y dirección del huevo por distribución

asimétrica de morfógenos en el citoplasma

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Polaridad del huevo: Determinación del eje dorsoventral

Gen Dorsal:

-Expresión durante el desarrollo del

óvulo

- Distribución asimétrica de la proteína

en el citoplasma del embrión

- Dorso: en citoplasma

- Vientre: en núcleo

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Polaridad del huevo: Determinación del eje dorsoventral

Gen Expresión Acción

dorsal óvulo regula expresión twist y

decapentaplegic

cactus óvulo ancla prot. Dorsal al citoplasma

toll óvulo disocia Cactus y Dorsal ingresa

al núcleo

twist embrión desarrollo de tejidos ventrales

decapentaplegic embrión desarrollo de tejidos dorsales

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Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior

Gradiente de concentración de morfógenos

ARNm de bicoid en óvulo

Se traduce luego de la fecundación

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Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior

Gradiente de concentración de morfógenos

ARNm de nanos en óvulo

Se traduce luego de la fecundación

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Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior

Gradiente de concentración de morfógenos

Bicoid: Hunchback Nanos: Caudal

Caudal Hunchback

formación estrs. anteriores formación estrs. posteriores

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Segmentación

Genes de polaridad del huevo

Genes gap

Genes de regla de pares

Genes de polaridad segmentaria

Genes de

segmentación

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Segmentación en Drosophila

Transcripción luego de la fecundación

Bajo control de bicoid y nanos

Información posicional para las células del embrión

Número y orientación de los segmentos

Acción de manera secuencial

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Segmentación

Grupo de genes Acción Genes (ej.)

Genes gap división en grandes hunchback, Krüppel, giant,

regiones de segmentos tailless. Son factores de transcr,

adyacentes y control

genes de regla de pares

Genes de la regla de división en segm. hairy, fushi tarazu, odd paired, even

pares alternados y control paired, skipped paired

genes de polaridad muchos fact.transcr.

Genes de polaridad polaridad de los engrailed, wingless, patched,

segmentaria segm. individuales hedgehog, fused

definición de identidad algunos son fact.

celular en cada segm. transcr.

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Segmentación: genes de la regla par

Even skipped: represión transcripcional en segmentos

impares

Fushi tarazu: activador de transcripción en segmentos pares

El embrión queda dividido en bandas verticales alternadas:

establecen los límites de los segmentos del adulto para la

correcta diferenciación.

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Genes homeóticos (Hox)

- determinan las estructuras del adulto en cada

segmento

- codifican proteínas que se unen al ADN y activan

otros genes= factores de transcripción

- el dominio de unión al ADN es la caja homeótica u

homeobox: secuencia conservada que codifica 60 aa.

= tipo hélice-giro-hélice

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Genes homeóticos (Hox) en eucariotas

Secuencias homeóticas en todas las

especies animales con plan corporal

segmentado. No en poríferos:

Hallazgo de genes con cajas homeóticas

en nematodes, coleópteros, equinodermos,

vertebrados.

También en hongos y plantas.

Conclusión: aparición temprana de la caja

homeótica en la evolución de los eucariotas

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Genes homeóticos en Drosophila

2 grupos de genes homeóticos:

Complejo Antennapedia: desarrollo de cabeza y

segmentos anteriores del tórax

Complejo Bithorax: segm. posteriores del tórax y abdomen

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Genes homeóticos en Drosophila

Activados por los genes de segmentación.

Todos localizados en cromosoma 3, se activan en

orden secuencial

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Genes homeóticos en Drosophila

Antennapedia:

Alelo normal = determina la pata

en el 2do segmento torácico.

Antp = mutación dominante con

ganancia de función, formación

de una pata en la cabeza, en

lugar de la antena.

++ Antp

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Genes homeóticos en Drosophila

Bithorax

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Genes hox en vertebrados

En vertebrados 4 grupos de genes Hox:

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Homología de genes homeóticos

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Cascada de regulación genética

Genes de polaridad del huevo

Genes gap

Genes de regla de pares

Genes de polaridad segmentaria

Genes homeóticos

Morfogénesis

Efecto materno

segmentación

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Modelo de desarrollo embrionario:

Danio rerio

- Embriones transparentes:

permite observar al

microscopio los estadios del

desarrollo, las primeras

divisiones celulares y la

formación de las capas

embrionarias (ectodermo,

mesodermo y endodermo)

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Modelo de desarrollo embrionario:

Danio rerio

- Ciclo vital corto: 3 meses

- Desarrollo rápido:

- a las 24 horas se

aprecia la segmentación

- a los 5 días se

formaron los ojos y oídos

-100-200 huevos por pareja

por semana

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Modelo de desarrollo embrionario:

Danio rerio

Técnicas:

- localización de proteínas “in vivo” por GFP

- apagado específico de genes por ARN antisentido

- ablación y transplante de células

- mutagénesis

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Modelo de desarrollo embrionario:

Danio rerio

Mutagénesis:

- Nancy Hopkins: mutagénesis

insercional con retrovirus

Obtuvo 50.000 mutantes, 500 de ellos

para genes de desarrollo

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El caso de los peces tetra ciegos

Astyanax jordani Astyanax mexicanus

(aguas subterráneas) (aguas superficiales)

Tienen el mismo conjunto de genes para la formación

del ojo. Se diferencian sólo en la expresión génica

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El caso de los peces tetra ciegos

Sobreexpresión de dos genes regulatorios:

SHH=Sonic hedgehog (organogénesis)

TWHH=Tiggy-winkle hedgehog

(señalización)

Apoptosis del cristalino Sega 1991

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Apoptosis

1972 (Kerr) Muerte celular programada

Esencial para moldear tejidos y órganos durante el

desarrollo embrionario.

Comprende:

- degradación del núcleo

- reducción del citoplasma

- fagocitosis por otras células

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Apoptosis: diferencias con necrosis

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Apoptosis

Se activa en caso de:

- reestructuración de tejidos

- cambios hormonales

- infecciones virales (defensa)

- daño en el ADN (evita perduración de mutaciones)

- enfermedades neurodegenerativas

Se inactiva en caso de:

- mutación de genes involucrados

- procesos oncológicos

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Apoptosis

Procaspasas (actividad de proteasa)

Caspasas activas

Degradación de proteínas esenciales

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Desarrollo en mamíferos

Para el desarrollo normal de un mamífero se requiere el

óvulo y el espermatozoide.

¿Por qué?

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Efecto del Imprinting

2004: T. Kono, óvulo sin imprinting materno + núcleo

de neurona olfativa femenina

Para el desarrollo normal es necesario que se expresen

determinados genes femeninos y que sus homólogos

masculinos no se expresen. Y viceversa

Ifg2 se expresa sólo en machos

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Efecto del Imprinting

Kaguya 輝夜, Universidad de Agricultura, Tokyo

Kaguya deriva de dos hembras diferentes

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Efecto del Imprinting

Kaguya 輝夜, Universidad de Agricultura, Tokyo

Kaguya Hime no monogatari

de Isao Takahata

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Control genético de desarrollo en las plantas

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Control genético de desarrollo en las plantas

Modelo Arabidopsis thaliana:

desarrollo de órganos florales a partir de 4 verticilos

Verticilo 4

Verticilo 3

Verticilo 2

Verticilo 1

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

Identidad de verticilos del meristema floral

carpelos

estambres

pétalos

sépalos

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

3 clases de genes homeóticos

Clase A: verticilos 1 y 2

Clase B: verticilos 2 y 3

Clase C: verticilos 3 y 4

Son factores de transcripción que regulan la expresión de otros

genes

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

Identidad de las partes de la flor

C verticilo 4: carpelo

B + C verticilo 3: estambres

A + B verticilo 2: pétalos

A verticilo 1: sépalos

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

Identidad de las partes de la flor

Inactivación de genes A = activación de genes C

- v1= carpelos (no sépalos)

- v2= estambres (no pétalos)

- v3= estambres

- v4= carpelos

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

Identidad de las partes de la flor

Inactivación de genes B: activación de genes A y C

- v1= sépalos

- v2= sépalos (no pétalos)

- v3= carpelos (no estambres)

- v4= carpelos

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

Identidad de las partes de la flor

Inactivación de genes C: - activación de genes B

- v1= sépalos

- v2= pétalos

- v3= pétalos (no estambres)

- v4= sépalos (no carpelos)

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

- 3 clases de genes de la familia de genes con caja

MADS (MCM1, AGAMOUS, DEFICIENS, SRF)

- codifican factores de transcripción

- comparten 1 dominio de unión al ADN, sec. de 58 aa

- los genes MADS existen en animales y los genes

homeobox existen en plantas, pero no dirigen el

desarrollo de estructuras del adulto

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Control genético de desarrollo en A. thaliana

3 clases de genes MADS

Clase A: genes APETALA1 y APETALA2

Clase B: genes APETALA3 y PISTILLATA

Clase C: gen AGAMOUS