Control genético del desarrollo

Transcripción

1 Control genético del desarrollo

2 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

3 Organismos multicelulares Los organismos multicelulares comparten muchos genes y muchos mecanismos de señalización molecular involucrados en el desarrollo del zigoto a adulto.

4 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.

5 Se pierde información genética?

6 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

7 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.

8 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.

9 Clonación de mamíferos 1996, Roslin Institute: se transfiere núcleo de célula diferenciada de animal adulto Somatic cell nuclear transfer Dolly madre sustituta Acortamiento de telómeros edad de la donante?

10 Control genético del desarrollo Óvulo fecundado Cigoto Divisiones nucleares Células embrionarias iniciales totipotentes Destino celular específico: determinación

11 Control genético del desarrollo en Drosophila Estudio de mutantes del desarrollo

12 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

13 Grupos de genes que controlan el desarrollo en Drosophila Genes Estadío del desarrollo de polaridad del huevo de segmentación Homeóticos principales ejes del cuerpo número y polaridad de los segmentos del cuerpo estructuras del adulto en cada segmento

14 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

15 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

16 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

17 Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior Gradiente de concentración de morfógenos ARNm de bicoid en óvulo Se traduce luego de la fecundación

18 Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior Gradiente de concentración de morfógenos ARNm de nanos en óvulo Se traduce luego de la fecundación

19 Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior Gradiente de concentración de morfógenos Bicoid: Hunchback Nanos: Caudal Caudal Hunchback formación estrs. anteriores formación estrs. posteriores

20 Segmentación Genes de polaridad del huevo Genes gap Genes de segmentación Genes de regla de pares Genes de polaridad segmentaria

21 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

22 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.

23 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.

24 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

25 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

26 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

27 Genes homeóticos en Drosophila Activados por los genes de segmentación. Todos localizados en cromosoma 3, se activan en orden secuencial

28 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

29 Genes homeóticos en Drosophila Bithorax

30 Genes hox en vertebrados En vertebrados 4 grupos de genes Hox:

31 Homología de genes homeóticos

32 Cascada de regulación genética Efecto materno Genes de polaridad del huevo Genes gap segmentación Genes de regla de pares Genes de polaridad segmentaria Genes homeóticos Morfogénesis

33 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)

34 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 huevos por pareja por semana

35 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

36 Modelo de desarrollo embrionario: Danio rerio Mutagénesis: - Christiane Nüsslein-Volhard: por mutagénesis química obtuvo 1200 mutantes que afectan el desarrollo (Nobel 1995)

37 Modelo de desarrollo embrionario: Danio rerio Mutagénesis: - Nancy Hopkins: mutagénesis insercional con retrovirus Obtuvo mutantes, 500 de ellos para genes de desarrollo

38 El caso de los peces tetra ciegos Astyanax jordani (aguas subterráneas) Astyanax mexicanus (aguas superficiales) Tienen el mismo conjunto de genes para la formación del ojo. Se diferencian sólo en la expresión génica

39 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

40 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

41 Apoptosis: diferencias con necrosis

42 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

43 Apoptosis Procaspasas (actividad de proteasa) Caspasas activas Degradación de proteínas esenciales

44 Desarrollo en mamíferos Para el desarrollo normal de un mamífero se requiere el óvulo y el espermatozoide. Por qué?

45 Efecto del Imprinting 2004: T. Kono, óvulo sin imprinting materno + núcleo de neurona olfativa femenina Ifg2 se expresa sólo en machos Para el desarrollo normal es necesario que se expresen determinados genes femeninos y que sus homólogos masculinos no se expresen. Y viceversa

46 Efecto del Imprinting Kaguya 輝夜, Universidad de Agricultura, Tokyo Kaguya deriva de dos hembras diferentes

47 Efecto del Imprinting Kaguya 輝夜, Universidad de Agricultura, Tokyo Kaguya Hime no monogatari de Isao Takahata

48 Control genético de desarrollo en las plantas

49 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

50 Control genético de desarrollo en A. thaliana Identidad de verticilos del meristema floral carpelos estambres pétalos sépalos

51 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

52 Control genético de desarrollo en A. thaliana Identidad de las partes de la flor C B + C A + B A verticilo 4: carpelo verticilo 3: estambres verticilo 2: pétalos verticilo 1: sépalos

53 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

54 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

55 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)

56 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

57 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