GENÉTICA Aula 10 : Control Genético del Desarrollo 1 Profesor Disciplina: Enrique Acevedo Jiménez.

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1 GENÉTICA Aula 10 : Control Genético del Desarrollo 1 Profesor Disciplina: Enrique Acevedo Jiménez

2 Control Genético del Desarrollo PREGUNTAS CLAVE: PREGUNTAS CLAVE: Que genes controlan el desarrollo y cómo se pueden identificar? Que genes controlan el desarrollo y cómo se pueden identificar? Donde y Cuando son activos estos genes en el curso del desarrollo? Donde y Cuando son activos estos genes en el curso del desarrollo? Cómo se controlan los genes que regulan los patrones del desarrollo? Cómo se controlan los genes que regulan los patrones del desarrollo? Cómo afectan a la forma de los animales los genes reguladores de patrones? Cómo afectan a la forma de los animales los genes reguladores de patrones? Tienen diferentes grupos taxonómicos procesos y genes reguladores de patrones comunes? Tienen diferentes grupos taxonómicos procesos y genes reguladores de patrones comunes? OBJETIVO: Estudiaremos conceptos que ilustran la lógica del control genético del desarrollo y cómo se codifica en el genoma la información necesaria para construir organismos complejos. OBJETIVO: Estudiaremos conceptos que ilustran la lógica del control genético del desarrollo y cómo se codifica en el genoma la información necesaria para construir organismos complejos. 2

3 “La Aproximación Genética al desarrollo” 3

4 Entender la naturaleza de los organizadores y los morfógenos, en términos moleculares, fue posible al aplicar aproximaciones genéticas, principalmente con el aislamiento de mutantes con defectos discretos en el desarrollo, y la consiguiente caracterización y estudio de los productos génicos correspondientes. Desde el punto de vista genético, hay 4 cuestiones clave respecto al número, la identidad y la función de los genes que intervienen en el desarrollo: 1.Qué genes son importantes en el desarrollo. 2.Donde y en que momento son activos estos genes en el animal en desarrollo. 3.Cómo se regula la expresión de los genes del desarrollo. 4.A través de qué mecanismo molecular pueden afectar el desarrollo sus productos génicos. 4 Pero cual especie serviría para estos estudios? Se pensaron varias: Drosophila Melanogaster, el gusano nematodo Caenorhabditis elegants, el ratón de laboratorio y hasta el pez cebra Danio rerio. Fue escogida la Mosca!

5 “La Aproximación Genética al desarrollo” 5 Organismo modelo: Organismo modelo: importante para entender la formación del plan básico del cuerpo animal. El exoesqueleto de larvas mutantes refleja los destinos mutantes asignados a los diferentes subconjuntos de células epidérmicas y por tanto se pueden identificar los genes que vale la pena analizar con detalle. Los genes que contribuyen al plan corporal de Drosophila pueden ser clonados y caracterizados a nivel molecular con facilidad.

6 “Las herramientas genéticas del desarrollo de Drosophila” genes de mantenimiento Los genomas animales normalmente contienen entre 12000 y 25000 genes. Muchos de estos codifican proteínas que funcionan en procesos esenciales (metabolismo celular o en la biosíntesis de macromoléculas). Estos genes son llamados genes de mantenimiento. Los genes herramienta de la mosca de la fruta se han identificado a través de las monstruosidades que se originan cuando son mutados. Las mutaciones en los genes herramienta son procedentes de 2 fuentes: la primera consiste en las mutaciones espontaneas que surgen en la poblaciones de laboratorio, y la segunda son la mutaciones inducidas al azar por el tratamiento con mutágenos (productos químicos o radiación) que aumentan la frecuencia de genes dañados a lo largo del genoma. Las herramientas genéticas para el desarrollo animal están compuestas por una pequeña fracción de todos los genes. Sólo un pequeño subconjunto de toda la dotación de genes del genoma afecta el desarrollo de manera discreta “Las herramientas genéticas para el desarrollo animal están compuestas por una pequeña fracción de todos los genes. Sólo un pequeño subconjunto de toda la dotación de genes del genoma afecta el desarrollo de manera discreta.” 6 Ejemplo de mutación en mosca El genoma de la mosca tiene 14000 genes, y sólo unos cientos son genes herramienta.

7 Clasificación de los genes según su función en el desarrollo: Clasificación de los genes según su función en el desarrollo: 1.Del Control de la identidad de partes del cuerpo (diferentes segmentos o apéndices) 2.De la Formación de partes del cuerpo (órganos o apéndices) 3.Del número de partes del cuerpo 4.De la formación de tipos celulares 5.De la Organización de los ejes corporales primarios (eje anteroposterior A-P y dorsoventral D-V) Comenzaremos estudiando los genes de identidad de segmentos Comenzaremos estudiando los genes de identidad de segmentos 7

8 Genes homeóticos e identidad de los segmentos 8 Los mutantes homeóticos tienen 3 propiedades: Los mutantes homeóticos tienen 3 propiedades: 1. una única mutación en un gen altera el desarrollo de forma radical. 2.Estructura en el mutante tiene un parecido notable con otra parte del cuerpo. 3.Las mutaciones homeóticas transforman la identidad de las estructuras repetidas en serie. (Ej: alas, segmentos, antenas, patas)

9 Genes homeóticos e identidad de los segmentos Una mutación podría causar la perdida o ganancia de una función en un gen homeótico en un lugar en el que el gen actúa normalmente. Una mutación podría causar la perdida o ganancia de una función en un gen homeótico en un lugar en el que el gen actúa normalmente. Ej.: el gen Ultrabithorax (Ubx) actúa en el ala posterior en desarrollo para inducir la formación del ala posterior y reprimir la formación de un ala anterior. Las mutaciones en pérdida de función en Ubx transforman el ala posterior en una ala anterior, mientras que las mutaciones dominantes de ganancia de función transforman el ala anterior en un ala posterior. De modo similar ocurre la transformación de una antena en pierna de los mutantes Antennapedia. Ej.: el gen Ultrabithorax (Ubx) actúa en el ala posterior en desarrollo para inducir la formación del ala posterior y reprimir la formación de un ala anterior. Las mutaciones en pérdida de función en Ubx transforman el ala posterior en una ala anterior, mientras que las mutaciones dominantes de ganancia de función transforman el ala anterior en un ala posterior. De modo similar ocurre la transformación de una antena en pierna de los mutantes Antennapedia. Además de la transformación en la identidad de apéndices, también pueden transformar la identidad de segmentos, provocando que un segmento del cuerpo del adulto o de larva se parezca a otro. Además de la transformación en la identidad de apéndices, también pueden transformar la identidad de segmentos, provocando que un segmento del cuerpo del adulto o de larva se parezca a otro. 9 La búsqueda sistemática de genes homeóticos ha conducido a la identificación de 8 loci, llamados genes Hox, que afectan la identidad de los segmentos y apéndices asociados. La búsqueda sistemática de genes homeóticos ha conducido a la identificación de 8 loci, llamados genes Hox, que afectan la identidad de los segmentos y apéndices asociados.

10 Organización y expresión de los genes Hox Una característica de los genes Hox es que se encuentran agrupados en dos complejos génicos situados en el 3er cromosoma de Drosophila. El complejo Bithorax contiene 3 genes Hox, y el complejo Antennapedia 5 genes Hox. Una característica de los genes Hox es que se encuentran agrupados en dos complejos génicos situados en el 3er cromosoma de Drosophila. El complejo Bithorax contiene 3 genes Hox, y el complejo Antennapedia 5 genes Hox. Además, el órden dentro de los complejos y en el cromosoma corresponde con el orden de las regiones corporales de la cabeza a la cola, bajo la influencia de cada gen Hox. Además, el órden dentro de los complejos y en el cromosoma corresponde con el orden de las regiones corporales de la cabeza a la cola, bajo la influencia de cada gen Hox. 10

11 Organización y expresión de los genes Hox La relación entre la estructura de los complejos de genes Hox y los fenotipos de los mutantes se empezó a aclara con la caracterización molecular de estos genes. La relación entre la estructura de los complejos de genes Hox y los fenotipos de los mutantes se empezó a aclara con la caracterización molecular de estos genes. La clonación molecular de las secuencias que rodean cada locus Hox proporcionó los medios para analizar dónde se expresa cada gen dentro del animal en desarrollo. La clonación molecular de las secuencias que rodean cada locus Hox proporcionó los medios para analizar dónde se expresa cada gen dentro del animal en desarrollo. Las 2 principales técnicas para visualizar la expresión génica en embriones son: Las 2 principales técnicas para visualizar la expresión génica en embriones son: 1.Hibridación in situ para visualizar la expresión de transcritos de RNA. 2.Métodos inmunológicos para visualizar la expresión de las proteínas Hox. Cada técnica depende del aislamiento de clones de cDNA que representa el transcrito de mRNA maduro y la proteína. 11

12 Organización y expresión de los genes Hox En el embrión en desarrollo los genes Hox se expresan en dominios restringidos espacialmente que en ocasiones se solapan dentro del embrión. Estos genes se expresan también en los tejidos de la larva y de la pupa que originarán las diferentes partes del cuerpo del adulto. En el embrión en desarrollo los genes Hox se expresan en dominios restringidos espacialmente que en ocasiones se solapan dentro del embrión. Estos genes se expresan también en los tejidos de la larva y de la pupa que originarán las diferentes partes del cuerpo del adulto. Los patrones de expresión de los genes Hox (y de otros genes herramienta) generalmente están relacionados con las regiones del animal afectadas pro las mutaciones en estos genes. Por Ej., el color azul en la figura indica donde se expresa el gen Ubx. Los patrones de expresión de los genes Hox (y de otros genes herramienta) generalmente están relacionados con las regiones del animal afectadas pro las mutaciones en estos genes. Por Ej., el color azul en la figura indica donde se expresa el gen Ubx. Este gen Hox se expresa en el segmento torácico posterior y en muchos de los segmentos abdominales del embrión. El desarrollo de estos segmentos está alterado en los mutantes Ubx. Este gen Hox se expresa en el segmento torácico posterior y en muchos de los segmentos abdominales del embrión. El desarrollo de estos segmentos está alterado en los mutantes Ubx. Ubx también se expresa en el ala posterior, pero no en el ala anterior en desarrollo, tal y como se esperaría sabiendo que Ubx induce el desarrollo del ala posterior y reprime el desarrollo del ala anterior. Ubx también se expresa en el ala posterior, pero no en el ala anterior en desarrollo, tal y como se esperaría sabiendo que Ubx induce el desarrollo del ala posterior y reprime el desarrollo del ala anterior. “ La expresión espacial de los genes herramienta normalmente está muy relacionada con las regiones del animal afectadas por las mutaciones en esos genes ” “ La expresión espacial de los genes herramienta normalmente está muy relacionada con las regiones del animal afectadas por las mutaciones en esos genes ” 12

13 La caja homeótica Edward Lewis notó que el agrupamiento de los genes del complejo Bithorax sugería que los múltiples loci habían surgido mediante la duplicación en tándem de un gen ancestral. Esta idea llevó a buscar similitudes en las secuencias del DNA de los diferentes genes Hox, encontrando que eran muy similares como para hibridar unos con otros. Edward Lewis notó que el agrupamiento de los genes del complejo Bithorax sugería que los múltiples loci habían surgido mediante la duplicación en tándem de un gen ancestral. Esta idea llevó a buscar similitudes en las secuencias del DNA de los diferentes genes Hox, encontrando que eran muy similares como para hibridar unos con otros. Esta hibridación resultó deberse a una corta región de 180 pb de longitud. Esta secuencia fue llamada Caja homeótica, la cual codifica un dominio proteíco llamado homeodominio que contiene 60 aminoácidos (están organizados en una estructura hélice-giro hélice). Esta hibridación resultó deberse a una corta región de 180 pb de longitud. Esta secuencia fue llamada Caja homeótica, la cual codifica un dominio proteíco llamado homeodominio que contiene 60 aminoácidos (están organizados en una estructura hélice-giro hélice). Así se llegó a la conclusión que las proteínas Hox son secuencias de unión a una secuencia especifica de DNA y que ejercen sus efectos mediante el control de la expresión génica en los segmentos y apéndices en desarrollo. Así se llegó a la conclusión que las proteínas Hox son secuencias de unión a una secuencia especifica de DNA y que ejercen sus efectos mediante el control de la expresión génica en los segmentos y apéndices en desarrollo. “Muchos genes herramienta codifican factores de transcripción que regulan la expresión de otros genes” 13 Todo lo que está en color naranja es igual en los 8 genes

14 Grupos de genes Hox controlan el desarrollo de los animales Los investigadores comenzaron a buscar cajas homeóticas en los genes Hox de muchas especies (lombriz, ranas, ratones, vacas y humanos) y encontraron muchas cajas homeóticas en los genomas de esos animales. Los investigadores comenzaron a buscar cajas homeóticas en los genes Hox de muchas especies (lombriz, ranas, ratones, vacas y humanos) y encontraron muchas cajas homeóticas en los genomas de esos animales. A lo largo de los 60 aa del homeodominio, algunas proteínas Hox de ratón y de rana eran idénticas a las secuencias de mosca, de las 60 59 eran iguales. A lo largo de los 60 aa del homeodominio, algunas proteínas Hox de ratón y de rana eran idénticas a las secuencias de mosca, de las 60 59 eran iguales. 14 “A pesar de las grandes diferencias anatómicas, muchos genes herramienta son comunes en una gran variedad de animales” “A pesar de las grandes diferencias anatómicas, muchos genes herramienta son comunes en una gran variedad de animales”

15 Definición del conjunto completo de herramientas genéticas Los genes Hox son sólo una pequeña parte de las herramientas genéticas. Existen muchos más. Los genes Hox son sólo una pequeña parte de las herramientas genéticas. Existen muchos más. En Alemania un grupo de investigadores se propuso el objetivo de encontrar los genes necesarios para la formación de la organización segmental del embrión y la larva de Drosophila. En Alemania un grupo de investigadores se propuso el objetivo de encontrar los genes necesarios para la formación de la organización segmental del embrión y la larva de Drosophila. Comenzaron a buscar genes que fueran necesarios en el cigoto. También desarrollaron rastreos para identificar aquellos genes con productos que funciona en el óvulo, antes de que el genoma del cigoto sea activo. Los genes con productos proporcionados por la hembra en el óvulo se denominan genes de efecto materno. Comenzaron a buscar genes que fueran necesarios en el cigoto. También desarrollaron rastreos para identificar aquellos genes con productos que funciona en el óvulo, antes de que el genoma del cigoto sea activo. Los genes con productos proporcionados por la hembra en el óvulo se denominan genes de efecto materno. Los fenotipos mutantes de genes de efecto materno estrictos sólo dependen del genotipo de la hembra. Los fenotipos mutantes de genes de efecto materno estrictos sólo dependen del genotipo de la hembra. 15

16 Definición del conjunto completo de herramientas genéticas En estos rastreos se identificaron genes que eran necesarios para crear el número y el patrón adecuados de segmentos larvarios, para crear sus 3 capas de tejido y para modelar los detalles dinos de la anatomía de un animal. En estos rastreos se identificaron genes que eran necesarios para crear el número y el patrón adecuados de segmentos larvarios, para crear sus 3 capas de tejido y para modelar los detalles dinos de la anatomía de un animal. Cada clase de genes representaba diferentes pasos en el refinamiento progresivo del plan corporal embrionario. Cada clase de genes representaba diferentes pasos en el refinamiento progresivo del plan corporal embrionario. Para cualquier gen herramienta hay 3 datos clave para comprender su función: Para cualquier gen herramienta hay 3 datos clave para comprender su función: 1.El Fenotipo Mutante. 2.El patrón de expresión génica. 3.La naturaleza del producto génico. El estudio extenso de unas pocas docenas de genes ha llevado a una imagen bastante detallada de cómo se establece cada eje corporal y cómo se subdivide en segmentos o capas germinales. El estudio extenso de unas pocas docenas de genes ha llevado a una imagen bastante detallada de cómo se establece cada eje corporal y cómo se subdivide en segmentos o capas germinales. 16

17 Para la correcta organización del eje corporal anteroposterior del embrión de mosca son necesarias algunas docenas de genes. Los genes están agrupados en cinco clases según su área de influencia en el patrón embrionario: Clase 1: establece el eje anteroposterior y consiste en los genes de efecto materno. Un miembro clave de esta clase es el gen Bicoid. Los embriones de madres mutantes en Bicoid carecen de la región anterior del embrión (Figura), lo que sugiere que el gen es necesario para el desarrollo de esta región. Las siguientes tres clases son genes activos en el cigoto que son necesarios para el desarrollo de los segmentos del embrión. Clase 2: contiene los genes gap. Cada uno de estos genes afecta a la formación de un bloque contiguo de segmentos; las mutaciones en los genes gap dan lugar a grandes huecos en la segmentación (Figura). Clase 3: comprende los genes de regla par, que actúan con una periodicidad de dos segmentos. Los mutantes de regla par carecen de una parte de cada pareja de segmentos, aunque diferentes genes de regla par afectan a diversas partes de cada doble segmento. Por ejemplo, el gen even-skipped afecta a una serie de límites segmentales y el gen odd-skipped afecta a la serie complementaria de límites (Figura). Clase 4: consiste en los genes de polaridad de segmento, que afectan al patrón dentro de cada segmento. Los mutantes de esta clase muestran defectos en la polaridad y el número de segmentos (Figura). La quinta clase de genes determina el destino de cada segmento. Clase 5: incluye los genes Hox, los mutantes Hox no afectan al número de segmentos, sino que alteran la apariencia de uno o más segmentos. 17 Los ejes anteroposterior y dorsoventral

18 Los patrones de expresión de los genes herramienta presentan una correspondencia exacta con sus fenotipos, ya que con frecuencia están relacionados de una forma muy precisa con las partes del cuerpo en desarrollo que están alteradas en los mutantes. Cada gen se expresa en una región que puede situarse en unas coordenadas específicas a lo largo de cualquiera de los ejes del embrión. Por ejemplo la proteína de efecto materno Bicoid se expresa en un patrón gradual a partir del polo anterior del embrión temprano, la sección que falta en los mutantes (Figura). 18 Expresión de los genes herramienta Se observa que los dominios de expresión génica se vuelven más refinados a medida que avanza el desarrollo: los genes se expresan primero en grandes regiones (proteínas gap), después en bandas de 3 o 4 células de ancho (proteínas de regla par) y después en bandas de una a 2 células de ancho (proteínas de polaridad de segmento). El orden de expresión génica de dominios dentro del embrión revelan que la construcción corporal es un proceso paso a paso.

19 Aquellas proteínas que no son factores de transcripción tienden a ser componentes de las rutas de señalización. Estas rutas median los procesos de señalización inducida por un ligando, y su resultado lleva a la activación o represión génica. Por lo tanto, la mayor parte de las proteínas herramientas afectan a la regulación génica de forma directa (como factores de transcripción) o indirecta (como componentes de las rutas de señalización). 19

20 Regulación espacial de la expresión génica en el desarrollo El control espacial de la expresión génica durante el desarrollo es dirigido en gran parte por la interacción de factores de transcripción con elementos reguladores que actúan en cis. Para definir una posición dentro de un embrión debe existir la información reguladora que permita distinguir esa posición puntual. Si nos imaginamos un embrión tridimensional como una esfera, se debe especificar la información posicional que indique: Longitud: localización a lo largo del eje anteroposterior. Latitud: localización a lo largo del eje dorsoventral. Altitud o profundidad: posición en capas germinales. “ El desarrollo es un proceso continuo en el cual cada patrón de actividad génica tiene una base causal precedente. El proceso completo incluye miles de interacciones reguladoras y sus correspondientes resultados.” “ El desarrollo es un proceso continuo en el cual cada patrón de actividad génica tiene una base causal precedente. El proceso completo incluye miles de interacciones reguladoras y sus correspondientes resultados.” 20

21 Gradientes maternales y activación Génica La proteína Bicoid es un factor de transcripción que contiene un homeodominio y que se produce a partir de un mRNA depositado en el huevo y localizado en el polo anterior. La proteína Bicoid es un factor de transcripción que contiene un homeodominio y que se produce a partir de un mRNA depositado en el huevo y localizado en el polo anterior. Como el embrión temprano de Drosophila es un sincitio que carece de membranas celulares que impidan la difusión de las moléculas de proteína, Bicoid puede difundirse a través del citoplasma. Como el embrión temprano de Drosophila es un sincitio que carece de membranas celulares que impidan la difusión de las moléculas de proteína, Bicoid puede difundirse a través del citoplasma. Esta difusión establece un gradiente en la concentración de proteínas (figura): la proteína Bicoid está a una concentración muy elevada en el extremo anterior, disminuyendo gradualmente al aumentar la distancia. Esta difusión establece un gradiente en la concentración de proteínas (figura): la proteína Bicoid está a una concentración muy elevada en el extremo anterior, disminuyendo gradualmente al aumentar la distancia. Este gradiente de concentración proporciona información posicional acerca de la localización a lo largo del eje anteroposterior: alta concentración significa extremo anterior, una concentración más baja es el medio y más baja todavía es el extremo posterior. Este gradiente de concentración proporciona información posicional acerca de la localización a lo largo del eje anteroposterior: alta concentración significa extremo anterior, una concentración más baja es el medio y más baja todavía es el extremo posterior. 21 Así que una manera de asegurar que un solo gen es activado en una posición determinada es ligar la expresión génica al nivel de concentración. Un ejemplo son los genes gap, los cuales deben ser activados en regiones puntuales a lo largo del eje. Así que una manera de asegurar que un solo gen es activado en una posición determinada es ligar la expresión génica al nivel de concentración. Un ejemplo son los genes gap, los cuales deben ser activados en regiones puntuales a lo largo del eje.

22 Gradientes maternales y activación Génica Varios genes cigóticos incluyendo los genes gap, están regulados por diferentes niveles de la proteína Bicoid. Varios genes cigóticos incluyendo los genes gap, están regulados por diferentes niveles de la proteína Bicoid. Por ejemplo el gen hunchback es un gen gap activado en el cigoto en la mitad anterior del embrión. Esta activación se produce a través de la unión directa de la proteína Bicoid a 3 sitios aguas arriba del promotor del gen hunchback. Por ejemplo el gen hunchback es un gen gap activado en el cigoto en la mitad anterior del embrión. Esta activación se produce a través de la unión directa de la proteína Bicoid a 3 sitios aguas arriba del promotor del gen hunchback. Bicoid se une a estos 3 sitios cooperativamente, o sea que la unión de una molécula de proteína Bicoid a un sitio facilita la unión de otras moléculas de Bicoid a sitios cercanos. Bicoid se une a estos 3 sitios cooperativamente, o sea que la unión de una molécula de proteína Bicoid a un sitio facilita la unión de otras moléculas de Bicoid a sitios cercanos. 22

23 Gradientes maternales y activación Génica Realizando algunas pruebas in vivo se puede ver como la activación de hunchback depende del gradiente de concentración. Estas pruebas requieren unir las secuencias reguladoras del gen estudiado a un gen informador (un gen codificador de una enzima como el gen LacZ o la proteína verde fluorescente de las medusas), introducir la construcción de DNA en la línea germinal de la mosca y controlar la expresión del gen informador en los embriones descendientes de las moscas transgénicas (Figura). 23

24 24 Aunque las secuencias de tipo salvaje aguas arriba del gen hunchback son suficientes para inducir la expresión del gen informador en la mitad anterior del embrión, las deleciones de sitios de unión de Bicoid en este elemento regulador en cis, reducen o eliminan completamente la expresión del gen informador (Figura 12-18b). Debe estar ocupado más de un sitio de unión de Bicoid para generar un límite definido de expresión del gen informador, lo que indica que es necesaria una concentración umbral de la proteína Bicoid para ocupar varios sitios antes de que se active la expresión génica.. Un gen gap con menor número de sitios de unión no sería activado en puntos con baja concentración.

25 25 Cada gen gap contiene elementos reguladores que actúan en cis con diferentes combinaciones de sitios de unión, y esos sitios de unión pueden tener diferentes afinidades para la proteína Bicoid. Cada gen gap contiene elementos reguladores que actúan en cis con diferentes combinaciones de sitios de unión, y esos sitios de unión pueden tener diferentes afinidades para la proteína Bicoid. Como consecuencia, cada gen gap se expresa en un dominio del embrión único y distinto en respuesta a los diferentes niveles de Bicoid y de otros gradietens de factores de transcripción. Como consecuencia, cada gen gap se expresa en un dominio del embrión único y distinto en respuesta a los diferentes niveles de Bicoid y de otros gradietens de factores de transcripción. La respuesta de los genes en función de las características de concentración creadas por los gradientes de otras proteínas es una característica crucial de la regulación génica en el embrión temprano de Drosophila. Los elementos reguladores en cis que determinan respuestas contienen diferentes números y combinaciones de sitios de unión para factores de transcripción “La respuesta de los genes en función de las características de concentración creadas por los gradientes de otras proteínas es una característica crucial de la regulación génica en el embrión temprano de Drosophila. Los elementos reguladores en cis que determinan respuestas contienen diferentes números y combinaciones de sitios de unión para factores de transcripción”

26 Los múltiples papeles de los genes herramienta Hemos visto que las proteínas herramienta y los RNA reguladores desempeñan múltiples papeles en el desarrollo. Por ejemplo, la proteína Ultrabithorax reprime la formación de las extremidades en el abdomen de la mosca e induce el desarrollo de las alas posteriores en el tórax. Estos papeles son sólo algunos de los muchos que llevan a cabo estos genes herramienta en el curso del desarrollo completo de la mosca. Muchos genes herramienta funcionan en más de un momento y lugar, y la mayoría podrían influir en la formación o en los patrones de las diversas estructuras que se forman en diferentes partes del cuerpo de la larva o del adulto. La función de una proteína herramienta concreta (o de un RNA) casi siempre depende de su contexto, que es la razón por la que la analogía del juego de herramientas es quizás tan adecuada. Como con el juego de herramientas de un carpintero, un conjunto de herramientas común puede utilizarse para crear muchas estructuras. Para ilustrar este principio más gráficamente, observaremos la función de una proteína herramienta en el desarrollo de muchas características de los vertebrados, incluyendo características presentes en los seres humanos. Esta proteína herramienta es el homólogo en los vertebrados del gen hedgehog de Drosophila. El gen hedgehog fue identificado por primera vez por Nússlein-Volhard y Wieschaus como un gen de polaridad de segmento y ha sido caracterizado como un gen codificador de una proteína señalizadora secretada por las células de Drosophila. 26

27 De las moscas a los dedos, las plumas y las placas del suelo A la vez que crecían las evidencias a favor de unos genes herramienta comunes en diferentes filos animales, el descubrimiento y caracterización de los genes herramienta de la mosca, como es el caso de hedgehog, se convirtió en un trampolín para la caracterización de genes en otros taxones, particularmente en los vertebrados. La clonación de genes homólogos basada en la similitud de secuencias fue una vía rápida para la identificación de genes herramienta en vertebrados. Con esta técnica se aislaron varios homólogos distintos de hedgehog en pez cebra, ratones, pollos y humanos. Siguiendo el espíritu jocoso de la nomenclatura génica en Drosophila, los tres homólogos en los vertebrados fueron denominados Sonic hedgehog (por el personaje de un videojuego), Indian hedgehog y Desert hedgehog. Una de las primeras aproximaciones para caracterizar los posibles papeles de estos genes en el desarrollo era examinar dónde se expresaban. Se encontró que Sonic hedgehog (Shh) se expresaba en varias partes de los embriones en desarrollo del pollo y de otros vertebrados. Lo más intrigante era su expresión en la parte posterior de los rudimentos de las extremidades en desarrollo (Figura 12-26a). Esta parte del rudimento de la extremidad se conocía desde hacía décadas como la zona de actividad polarizadora (ZPA; del inglés, zone of polarizing activity), porque es un organizador responsable de establecer la polaridad anteroposterior de la extremidad y sus dedos (véase la Figura 12-26b). 27

28 De las moscas a los dedos, las plumas y las placas del suelo Para comprobar si Shh podría desempeñar un papel en la función de la ZPA, Cliff Tabin et al hicieron que la proteína Shh se expresara en la región anterior de los rudimentos de las extremidades en desarrollo del pollo. Observaron el mismo efecto que en el transplante de la ZPA: la inducción de dedos adicionales con polaridad inversa. Sus resultados constituyeron una evidencia contundente de que Shh era el tan buscado morfógeno producido por la ZPA. Shh también se expresa en otros patrones intrigantes en el pollo y otros vertebrados. Por ejemplo, Shh se expresa en los rudimentos de las plumas en desarrollo, donde realiza su función en el establecimiento del patrón y la polaridad de la formación de las plumas (Figura 12-26b). Shh también se expresa en el tubo neural en desarrollo de los embriones de vertebrados, en una región denominada placa del suelo (Figura 12-26a). Experimentos subsiguientes han demostrado que la señalización Shh desde estas células de la placa del suelo es crítica para la subdivisión de los hemisferios del cerebro y del ojo en desarrollo en los lados izquierdo y derecho. Cuando se elimina por mutación la función del gen Shh en el ratón, estos hemisferios y regiones del ojo no se separan, y el embrión resultante es ciclópeo, con un ojo central y un único cerebro frontal (también carece de las extremidades). “ Muchos genes herramienta tienen múltiples funciones en diferentes tejidos y tipos celulares. Su especificidad de acción viene determinada por el contexto proporcionado por los otros genes herramienta que actúan en combinación con ellos” 28

29 Desarrollo y enfermedades El descubrimiento de juegos de herramientas genéticas para el desarrollo en la mosca, en vertebrados y en humanos ha tenido también un profundo efecto en el estudio de las bases genéticas de enfermedades humanas, particularmente de los defectos de nacimiento y el cáncer. El descubrimiento de juegos de herramientas genéticas para el desarrollo en la mosca, en vertebrados y en humanos ha tenido también un profundo efecto en el estudio de las bases genéticas de enfermedades humanas, particularmente de los defectos de nacimiento y el cáncer. Se han identificado un gran número de mutaciones en genes herramienta que afectan el desarrollo y la salud humanos. Se han identificado un gran número de mutaciones en genes herramienta que afectan el desarrollo y la salud humanos. Veremos ejemplos que ilustran cómo la comprensión de la función y la regulación génicas en animales modelo se ha traducido en un mejor conocimiento de la biología humana. Veremos ejemplos que ilustran cómo la comprensión de la función y la regulación génicas en animales modelo se ha traducido en un mejor conocimiento de la biología humana. 29

30 Polidactilia Un síndrome bastante común en humanos es el desarrollo parcial o completo de dedos adicionales en las manos y los pies. Esta condición, denominada polidactilia, surge en aproximadamente de 5 a 17 de cada 10 000 nacidos vivos. En los casos más espectaculares, esta condición se presenta en ambas manos y pies (Figura 12- 27). La polidactilia ocurre en una gran variedad de vertebrados (gatos, pollos, ratones y otras especies). El descubrimiento de la función de Shh en la formación del patrón en los dedos llevó a los genetistas a investigar si el gen Shh estaba alterado en individuos humanos y de otras especies con polidactilia. Es importante notar que las mutaciones encontradas no están en la región codificadora del gen Shh, sino que se encuentran en un elemento regulador en cis, situado lejos de la región codificadora, que controla la expresión de Shh en el rudimento de las extremidades en desarrollo. Los dedos adicionales son inducidos por la expresión de Shh en una parte de la extremidad en la cual normalmente no se expresa el gen. Las mutaciones en elementos reguladores en cis tienen dos propiedades importantes : 1. como afectan a la regulación en cis, los fenotipos son normalmente dominantes. 2. como sólo uno de los varios elementos reguladores en cis estaría afectado, las otras funciones génicas podrían ser completamente normales. La polidactilia puede ocurrir sin ningún otro problema colateral en el desarrollo. No obstante, como veremos en la siguiente sección, las mutaciones en la región codificadora de Shh son otra historia. 30

31 También se han identificado mutaciones en la región codificadora de Shh en humanos. Las consiguientes alteraciones en la proteína Shh están asociadas con un síndrome llamado holoprosencefalia, en el que ocurren anormalidades en el tamaño del cerebro y en la formación de la nariz y otras estructuras de la línea media. Estas anormalidades parecen ser los equivalentes menos severos de los defectos en el desarrollo observados en ratones homocigotos mutantes en Shh. De hecho, los niños afectados que se pueden encontrar en los hospitales son heterocigóticos. Una copia de un gen Shh normal parece ser insuficiente para el desarrollo correcto de la línea media (el gen es haploinsuficiente). Los fetos humanos homocigóticos para mutaciones de pérdida de función de Shh probablemente mueren durante la gestación debido a defectos más graves. La holoprosencefalia no es causada exclusivamente por mutaciones en Shh. Shh es un ligando de una ruta de transducción de señales. Como se podría esperar, las mutaciones en genes codificadores de otros componentes de la vía afectan la eficiencia de la señalización Shh y también están asociados con la holoprosencefalia. 31

32 En animales con un tiempo de vida largo, como nosotros mismos y otros mamíferos, el desarrollo no cesa con el nacimiento o el final de la adolescencia. Los tejidos y varios tipos celulares están renovándose constantemente. El mantenimiento de las funciones de muchos órganos depende del crecimiento controlado y la diferenciación de las células que sustituyen a aquellas que son eliminadas o mueren por algún motivo. Este mantenimiento de los tejidos y órganos generalmente está controlado por rutas de señalización. Las mutaciones heredadas o espontáneas en genes que codifican componentes de estas rutas pueden alterar la organización de los tejidos y contribuir a la pérdida del control de la proliferación celular. Como la proliferación celular descontrolada es una de las características del cáncer, la formación de cánceres puede ser una consecuencia de este tipo de mutaciones. El cáncer, por tanto, es una enfermedad del desarrollo, un producto de los procesos normales del desarrollo cuando éstos se tuercen. 32

33 Algunos de los genes asociados con tipos de cánceres humanos son miembros del juego de herramientas genéticas compartidas por los animales. Por ejemplo, el gen patched codifica un receptor para las proteínas de señalización Hedgehog. Además de causar desórdenes del desarrollo heredados como la polidactilia y la holoprosencefalia, las mutaciones en el gen patched humano se han asociado con la formación de un cierto número de cánceres. Alrededor de un 30 a un 40% de pacientes con un desorden genético dominante denominado síndrome del nevo de células basales (BCNS, por sus siglas en inglés) son portadores de mutaciones en el gen patched. Estas personas están muy predispuestas a desarrollar un tipo de cáncer de piel llamado carcinoma de células basales. También presentan una incidencia muy incrementada de meduloblastoma, una forma de tumor cerebral que suele causar la muerte. Una lista creciente de cánceres está actualmente asociada con alteraciones en las rutas de transducción de señales, rutas que fueron dilucidadas inicialmente en estos rastreos genéticos sistemáticos en busca de genes que controlan los patrones en la mosca de la fruta (Tabla a continuación). 33

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35 El descubrimiento de vínculos entre las mutaciones en genes de las rutas de transducción de señales y los cánceres humanos ha facilitado enormemente el estudio de la biología del cáncer y el desarrollo de nuevas terapias. Por ejemplo, alrededor del 30% de ratones heterocigóticos para una mutación dirigida en el gen patched desarrollan meduloblastoma, por lo que estos ratones son un modelo excelente para la biología de la enfermedad humana y se pueden utilizar como plataforma de pruebas para tratamientos. De hecho, muchos de los agentes anticancerígenos más recientes utilizados hoy en día están dirigidos a componentes de rutas de transducción de señales que están alteradas en ciertos tipos de tumores. 35

36 Es justo decir que ni los investigadores más optimistas y con más visión de futuro esperaban que el descubrimiento de los juegos de herramientas genéticas para construir una mosca tuviera efectos de tanto alcance en la comprensión del desarrollo y las enfermedades de los humanos. Pero estos grandes e inesperados beneficios son habituales en la historia reciente de la investigación genética básica. El advenimiento de las medicinas diseñadas genéticamente, los anticuerpos monoclonales para el diagnóstico y la terapia, y las pruebas del DNA forense tuvieron un origen similar en investigaciones aparentemente no relacionadas. 36

37 FIN AULA 9 37