IV electivo. Unidad 1: Integración célula organismo. Temática 1: Diferenciación celular.

Transcripción

1 La Célula

2 IV electivo Unidad 1: Integración célula organismo. Temática 1: Diferenciación celular.

3 Preguntas guiadoras de la unidad: Qué significa la definición del plan corporal y la diferenciación celular a nivel molecular? Cómo se relacionan los eventos que ocurren en la superficie celular con las respuestas rápidas de las células y con la transcripción génica que ocurre en el núcleo? Cómo interaccionan las células con la matriz extracelular y con otras células en la formación de tejidos y órganos?

4 Objetivo Comprender que durante el desarrollo ocurre un amplio proceso de diferenciación celular. Relacionar la función de genes con el desarrollo embrionario.

5 Diversidad Celular A) Neuronas de la corteza cerebral. B) Células musculares esqueléticas vistas longitudinalmente. C) Células vegetales de una hoja. Se puede ver la diferencia entre las células parenquimáticas, grandes y alargadas, y las de la epidermis, en la parte superior, pequeñas e irregulares. D) Distintos tipos celulares del tracto digestivo. Las células más violetas de la parte superior son epiteliales, las alargadas pálidas de abajo son músculo liso y las verdosas situadas entre ambas son células del tejido conectivo.

6 Relación Genes - Fenotipo Ecuación fundamental de la genética: Fenotipo = Genotipo + Ambiente Fenotipo: expresión del genotipo en función de un determinado ambiente. Los rasgos fenotípicos cuentan con rasgos tanto físicos como conductuales. Es importante destacar que el fenotipo no puede definirse como la "manifestación visible" del genotipo, pues a veces las características que se estudian no son visibles en el individuo, como es el caso de la presencia de una enzima.

7 Relación Genes - Fenotipo A veces son mayormente determinantes los genes:

8 Relación Genes - Fenotipo A veces es mayormente determinante el ambiente: Fenilcetonuria (PKU): Error congénito del metabolismo causado por la carencia de la enzima fenilalanina hidroxilasa, lo que se traduce en la incapacidad de metabolizar el aminoácido tirosina a partir de fenilalanina en el hígado. Como consecuencia, la fenilalanina se acumula y resulta tóxica para el sistema nervioso central, ocasionando daño cerebral. Es una enfermedad congénita con un patrón de herencia recesivo. ácido fenilacético + cloruro férrico coloración verde Fenilalanina

9 Genes maestros Es aquel gen(es) que actúa como factor clave controlando otros genes. Su acción determina el comportamiento de estos genes y dirige sus funciones. Ejemplos: Gen Sex-lethal (Sxl) en determinación del sexo en Drosophila melanogaster. Gen SRY (Sex-determining Region Y) Determinación sexual en los mamíferos marsupiales placentarios., se encuentra en el brazo corto del cromosoma Y

10 Viva la diferencia! HOMBRES Y MUJERES son tan parecidos, pero a la vez tan diferentes. Las diferencias físicas entre hombres y mujeres son obvias, pero durante mucho tiempo, los biólogos tenían sólo vagas ideas acerca de las bases genéticas de esas diferencias. Hace menos de un siglo que Theophilus Painter descubrió el cromosoma Y. Varias décadas transcurrieron antes de que se aceptara de manera general que el cromosoma Y determina la naturaleza masculina de los hombres y de otros mamíferos. Pero, cómo? Una hipótesis sería que los genes en el cromosoma Y codifican la información de los genitales masculinos, de manera que fue posible predecir que cualquiera que tuviera un cromosoma Y tendría testículos y un pene. Pero los hombres también tienen todos los otros cromosomas que tienen las mujeres (aunque los hombres tienen sólo un cromosoma X, en vez de los dos que tienen las mujeres). Por qué entonces los niños no desarrollan genitales masculinos y femeninos? Más aún, la mayoría de los genes necesarios para producir las características sexuales masculinas, incluidos los genitales, no están en el cromosoma Y. Las niñas poseen estos genes, entonces, por qué no desarrollan genitales masculinos además de los femeninos?

11 En los varones, la acción de un solo gen localizado en el cromosoma Y activa el desarrollo masculino y desactiva el desarrollo femenino. Sin este gen todos seriamos seres físicamente femeninos. Cómo es posible que un sólo gen determine algo tan complejo como el sexo de un ser humano? Así como la información en un libro permanece oculta hasta que alguien lo abre y lee el texto, así también la información en los genes se utiliza o no en diferentes organismos, en las diversas células de un organismo individual y varias veces durante la vida de éste.

12 Viva la diferencia! (2) Cómo nos ayuda el conocimiento acerca de la transcripción y la traducción a comprender las diferencias físicas entre hombres y mujeres? En la década de 1930 los biólogos sabían que uno o más genes en el cromosoma Y eran esenciales para determinar si un mamífero se desarrollaría como macho o como hembra. En 1990 la investigación al respecto condujo al descubrimiento del gen SRY, siglas de "sexdetermining región on the Y chromosome (región determinante del sexo en el cromosoma Y). El gen SRY se encuentra en todos los machos de los mamíferos, incluidos los seres humanos. Experimentos con ratones han demostrado su importancia en la determinación del sexo. Si un embrión de ratón con dos cromosomas X recibe una copia del SRY pero no el resto del cromosoma Y, el embrión desarrolla características de un macho: tendrá testículos y un pene y se comportará como un ratón macho. (Sin embargo, estos ratones macho XX son estériles porque otros genes localizados en el cromosoma Y son necesarios para la produción de esperma funcional.) Los embriones de ratón que carecen del gen SRY se desarrollan como hembras, sin importar si tienen dos cromosomas X, o uno X y uno Y.

13 La conclusión: los mamíferos macho (XY) tienen todos los genes necesarios para ser hembras, pero no son tales porque poseen un gen SRY. Asimismo, las hembras de los mamíferos (XX) tienen todos los genes necesarios para ser machos, pero como no poseen el gen SRY, se desarrollan como hembras. Cómo logra el gen SRY ejercer tal enorme efecto en las características de un mamífero? SRY codifica un factor de transcripción. El gen SRY se transcribe sólo por un breve lapso durante el desarrollo embrionario, y sólo en las células que se convertirán en testículos. Después se vuelve activo durante el resto de la vida del animal. Sin embargo, en el breve lapso en el que se produce, el factor de transcripción que el gen SRY se encarga de codificar estimula la expresión de muchos otros genes, cuyos productos proteicos son esenciales para el desarrollo de los testículos. Una vez formados, los testículos en el embrión secretan testosterona, que se une a los receptores de andrógenos y activa otros genes, lo que conduce al desarrollo del pene y el escroto. La expresión física del género, por consiguiente, depende de la expresión cuidadosamente regulada de muchos genes, entre los cuales, uno sólo el SRY, sirve como el interruptor inicial que activa el desarrollo de un macho.

14 Piensa en esto Hemos descrito brevemente dos diferentes formas en las que una persona con cromosomas sexuales XY pueden desarrollarse como mujeres: el cromosoma Y podría tener un gen defectuoso SRY, o el cromosoma X podría tener un gen del receptor de andrógenos defectuoso. Supongamos que una chica de 16 años está acongojada y aterrada porque nunca ha menstruado, y le pregunta a su médico qué sucede. El médico ordena una prueba de cromosomas y quizá también un perfil de hormonas; al analizar los resultados, descubre que, de hecho, la paciente tiene cromosomas X y Y, pero tiene insensibilidad a bs andrógenos, o bien, carece de un gen SRY funcional. Qué debería decirle el médico? Desde luego, se le tendrá que decir que no tiene útero, que no menstruará nunca y que jamás podrá tener hijos. Pero, más allá de eso, qué? Para la mayoría de la gente, una persona con dos cromosomas X es una mujer, y una con un cromosoma X y uno Y es un hombre, y eso es todo. El médico debería decirle que es genéticamente hombre aunque fisiológicamente es mujer? Qué provocaría esto en la imagen y la salud psicológica de la paciente? Qué harías tú en el lugar del médico? Audesirk. Biología: La vida en la Tierra (extractos)

15 Control 1 - Qué es fenotipo?. Explica con tus palabras. Entrega un ejemplo que sirva para fundamentar tu propuesta. 2 - Qué es un gen maestro?, da un ejemplo.

16 Genes Homeóticos Son genes que participan en el desarrollo de los organismos y que determinan la identidad de los segmentos o partes individuales del embrión en sus etapas iniciales. La función normal de los genes homeóticos consiste en conferir a la célula identidad espacial o posicional inequívoca en diferentes regiones a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo. Estos genes indican a la célula si forma parte de la cabeza, del tórax o del abdomen del individuo.

17 Genes Homeóticos Los genes homeóticos se activan posteriormente a la expresión de otros genes implicados en el desarrollo. En el caso de Drosophila melanogaster, en primer lugar se expresan los genes de polaridad del huevo, que determinan los ejes anteroposterior y dorsoventral del huevo; después lo hacen los genes de segmentación, que determinan el número y la organización de los segmentos del cuerpo. Los productos de estos genes activan a los genes homeóticos que determinan la identidad de cada segmento.

18 Genes Homeóticos

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20 Genes Homeóticos Los genes homeóticos definen el plan corporal en el eje anteroposterior (cabeza-cola)

21 Genes Homeóticos Qué tipo de proteínas codifican los genes homeóticos? El producto de los genes homeóticos son proteínas reguladoras de genes. Los genes homeóticos tienen una secuencia muy conservada llamada caja homeótica, que en la proteína da origen a una región llamada homeodominio, cuya función consiste en reconocer y unirse a secuencias de DNA en los genes subordinados. Las proteínas con homeodominios activan o reprimen la expresión de los genes subordinados.

22 Genes Homeóticos Los genes homeóticos inicialmente identificados en la drosófila han sido encontrados posteriormente en vertebrados y en numerosos otros invertebrados. Cuando se comparan los genes homeóticos de la mosca con los del ratón se encuentran grandes homologías de secuencias. Esto hace pensar que durante la evolución los insectos y los vertebrados heredaron genes homeóticos desde un ancestro común. Esto explicaría el patrón de organización ampliamente difundido que se observa en un gran número de especies, donde los órganos y los aparatos principales aparecen distribuidos en tres ejes de polaridad: el eje antero-posterior, el eje dorso-ventral y el eje derecha izquierda. Esta organización es compartida por todos los vertebrados: aves, anfibios, reptiles, y mamíferos. El hecho que estos genes compartan una secuencia llamada caja homeótica (homeobox) sugiere que el mecanismo que determina la cabeza, el tronco y la cola pueden haber surgido una sola vez en la evolución.

23 Por lo tanto Durante el desarrollo se establece primero un esquema que define las principales regiones del cuerpo (cabeza, tronco, cola) y luego se produce una diferenciación en las células del embrión, generándose una gran variedad de fenotipos celulares con formas y estructuras especializadas en distintas funciones. La definición del plan corporal y la diferenciación celular ocurre por la expresión de distintos genes como resultado de un complejo programa de desarrollo.

24 Algunos fenotipos celulares

25 Algunos fenotipos celulares

26 Cuál será el fundamento molecular que sustenta estos fenotipos? Cómo se producen si todas las células poseen el mismo genoma?

27 Recordando

28 Núcleos aislados de células hepáticas, células renales y neuronas se incubaron con 32P-UTP y los RNA resultantes de la transcripción se hibridaron contra cdnas correspondientes a proteínas que se expresan en hígado (albúmina, transferrina, etc.). Se muestra una autorradiografía con los resultados. La detección de RNA transcritos muestra diferencias en la expresión génica en distintos tipos de células