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Genética del
desarrollo
Genética I
2015
Flávio Silva Junqueira de Souza
Regulación de la expresión génica
¿ tienen las distintas células de un organismo
el mismo genoma ? sí
¿cómo se genera la diversidad de células que componen un
organismo complejo?
Biología del desarrollo
- la genética del desarrollo estudia la función de los genes involucrados en
la embriogénesis y crecimiento de los organismos (especialmente los
multicelulares)
gametas
fertilización
cigota
desarrollo embrionario
crecimiento
adulto
Biología del desarrollo
cigotas
adultos
C. elegans
(nemátodo)
Pisaster sp.
(equinodermo)
zebrafish
(pez teleosteo)
ratón
(mamífero)
Biología del desarrollo:
- organismos-modelo
pollo
(ave)
ratón
(mamífero)
D. melanogaster
(mosca)
Xenopus
(rana)
C. elegans
(nemátodo)
Arabidopsis
(angiosperma)
S. purpuratus
(erizo-de-mar)
zebrafish
(pez teleosteo)
Biología del desarrollo: principios básicos
- la construcción del embrión depende de 4 procesos celulares básicos. En general estos
procesos ocurren de manera simultanea durante la embriogénesis
- proliferación: producción de muchas células a partir de la cigota
- especialización: producción de una variedad de tipos celulares en diferentes regiones
del embrión
- interacciones entre células: coordinación de comportamiento de una célula en relación a
las células vecinas
- movimiento celular: rearreglo de células para formar tejidos y órganos
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: principios básicos
cigota
clivaje
blástula
gástrula
gastrulación (formación
de las capas germinales)
gástrula avanzada
organogénesis
embrión avanzado feto
crecimiento
eclosión nacimiento
desarrollo de Xenopus laevis (rana)
Biología del desarrollo: principios básicos
- el cuerpo de la mayoría de los animales está formado por tejidos derivados de las tres
capas germinales (ectodermo, mesodermo y endodermo). Esa división en tres capas
ocurre durante la gastrulación
gastrulación en el erizo-de-mar
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: principios básicos
- el cuerpo de la mayoría de los animales está formado por tejidos derivados de las tres
capas germinales (ectodermo, mesodermo y endodermo). Esa división en tres capas
ocurre durante la gastrulación
gastrulación en el erizo-de-mar
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: principios básicos
- el cuerpo de la mayoría de los animales está formado por tejidos derivados de las tres
capas germinales (ectodermo, mesodermo y endodermo). Esa división en tres capas
ocurre durante la gastrulación
- durante la gastrulación se organizan los ejes antero-posterior, dorso-ventral y
derecho-izquierdo del embrión
capas germinativas y ejes corporales
antes y después de la gastrulación de Xenopus
Biología del desarrollo: principios básicos
- cada grupo (filo) de animales tiene un plan corporal particular (simetría, segmentación,
disposición de órganos, apéndices etc)
- algunos aspectos del plan son comunes a grupos lejanos de animales, otros son muy
divergentes
planes corporales genéricos de un insecto y un vertebrado
(los ejes dorsoventrales son invertidos)
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: principios básicos
- adentro de un mismo filo, los planes corporales son parecidos
estadio
filotípico
establecimiento del plan corporal en vertebrados
Biología del desarrollo: control génico
- el parecido de los planes corporales en los animales refleja, en parte, genes comunes o
parecidos. ~ 50% de los genes de C. elegans, Drosophila y humanos tienen homólogos
reconocibles en las otras especies
- a partir de un ancestral comun, los organismos cambiaron de forma y función cambiando
el repertorio de genes y la regulación génica
- los genes controladores del desarrollo son, en general, los que codifican factores de
transcripción, proteinas señalizadoras y de cascadas de señalización y proteinas de
adhesión celular, además de microRNAs
levadura
número de
factores transcripción
basic helix-loop-helix
7
C. elegans
41
Drosophila
84
humano
131
Biología del desarrollo: control génico
- el parecido de los planes corporales en los animales refleja, en parte, genes comunes o
parecidos. ~ 50% de los genes de C. elegans, Drosophila y humanos tienen homólogos
reconocibles en las otras especies
- a partir de un ancestral comun, los organismos cambiaron de forma y función cambiando
el repertorio de genes y la regulación génica
- los genes controladores del desarrollo son, en general, los que codifican factores de
transcripción, proteinas señalizadoras y de cascadas de señalización y proteinas de
adhesión celular, además de microRNAs
evolución por cambio en
la regulación génica
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: control génico
- a pesar de las diferencias anatómicas, los reguladores génicos del desarrollo muchas
veces funcionan de manera semejante en especies lejanas
equivalencia funcional (rescate) entre Engrailed de Drosophila y
Engrailed-1 de ratón durante el desarrollo del cerebelo
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: control génico
- a pesar de las diferencias anatómicas, los reguladores génicos del desarrollo muchas
veces funcionan de manera semejante en especies lejanas
ojo ectópico inducido por
Pax6 de Drosophila
en la pierna de Drosophila
ojo ectópico inducido por
Pax6 de calamar
en la pierna de Drosophila
ojo compuesto
de Drosophila
sobrexpresión de Pax6 de un molusco induce ojos en Drosophila
como el Pax6 endógeno de la mosca
Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- destino celular: el destino diferenciado final de una célula y sus descendientes de
acuerdo a su posición en el embrión
somitas
análisis de destino celular de regiones
del embrión de gallina con fluoróforos.
Las células terminan siendo parte de los
somitas (estructuras segmentadas que
dan origen a los músculos)
tiempo
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Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- determinación: el proceso por el cual una célula se "decide" por un destino celular. Una
célula determinada no cambia de destino celular aun cuando es transplantada a outro
lugar del embrión
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Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- determinación: el proceso por el cual una célula se "decide" por un destino celular. Una
célula determinada no cambia de destino celular aun cuando es transplantada a outro
lugar del embrión
transplantación de tejido entre brotes de los miembros en el embrión de gallina. Al momento de la
transplantación, el tejido de la futura pierna ya está parcialmente determinado (comprometido) a
formar las patas y da origen a dedos con garras en las alas
Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- determinación: el proceso por el cual una célula se "decide" por un destino celular. Una
célula determinada no cambia de destino celular aun cuando es transplantada a outro
lugar del embrión
factores de transcripción (Tbx5, Tbx4, Pitx1) se expresan de manera diferencial en los brotes de alas
y piernas y participan en la determinación del destino celular
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Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- inducción: el proceso por el cual un grupo de células envia una señal que produce un
cambio o especificación de destino celular en un campo de células competentes. En
general las señales inductoras son proteinas o otras moléculas extracelulares que son
detectadas por proteinas receptoras específicas
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Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- 1924: Hilde Mangold & Hans Spemann descubren que el tejido alrededor del punto de
invaginación de la gástrula de anfibios (blastopore lip) puede inducir un embrión
duplicado en la parte ventral del embrión
- el tejido endomesodérmico de la zona de invaginación de la gástrula es conocido como
organizador de Spemann (Nobel 1935)
Prentice-Hall, 2003
Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- 1924: Hilde Mangold & Hans Spemann descubren que el tejido alrededor del punto de
invaginación de la gástrula de anfibios (blastopore lip) puede inducir un embrión
duplicado en la parte ventral del embrión
- el tejido endomesodérmico de la zona de invaginación de la gástrula es conocido como
organizador de Spemann (Nobel 1935)
De Robertis & Kuroda (2004) Annu Rev Cell Dev Biol
Biología del desarrollo: conceptos y mecanismos
- morfógenos: son moléculas inductoras que inducen varios destinos celulares de
acuerdo a un gradiente de concentración
expresión de Sonic hedgehog
en la zona de polarización
de las alas
acción de Sonic hedgehog como
morfógeno en la inducción de
dedos en los miembros anteriores
en gallina
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Biología del desarrollo: Drosophila
- Drosophila melanogaster: primer modelo de genética
del desarrollo
- desarrollo rápido (1 día de cigota a larva, 9 días hasta adultez),
facil de mutagenizar
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Biología del desarrollo: Drosophila
- Drosophila melanogaster: primer
modelo de genética del desarrollo
- Edward Lewis, Christiane NüssleinVolhard y Eric Wieschaus ganaron
el Nobel de 1995 por su trabajo con
mutantes de desarrollo de Drosophila
(décadas de 1970 y 1980)
Biología del desarrollo: Drosophila
- Drosophila melanogaster: al principio, los nucleos del embrión se dividen formando un
sincício
- los nucleos migran a la periferia y se celularizan formando el blastodermo (6000 células)
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Biología del desarrollo: Drosophila
- Drosophila melanogaster: destino celular del blastodermo en el embrión avanzado
segmentos
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Biología del desarrollo: Drosophila
- Drosophila melanogaster: destino celular del blastodermo en la larva
segmentos
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Biología del desarrollo: Drosophila
- análisis de mutantes de
genes del sistema de
polarización de huevo
- mutantes afectan grandes
porciones del cuerpo
(abdomen, torax y cabeza,
partes terminales)
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Biología del desarrollo: Drosophila
- durante la formación del oocito, las células del folículo (maternas) son las fuentes de
señales de polarización del huevo
- las células nodrizas (nurse cells) nutren al oocito
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: Drosophila
- durante la formación del oocito, las células del folículo (maternas) son las fuentes de
señales de polarización del huevo
- las células foliculares transfieren al oocito los mRNAs de Nanos y Bicoid y activan los
receptores Torso y Toll de una manera localizada
- los receptores Torso y Toll se localizan en toda la membrana del oocito; la activación es
que es localizada
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Biología del desarrollo: Drosophila
- establecimiento del eje antero-posterior depende del mRNA de bicoid y nanos
mRNA bicoid
mRNA nanos
proteina Bicoid
proteina Nanos
- proteinas Bicoid y Nanos son traducidas de sus mRNAs localizados y forman un
gradiente de concentración antero-posterior en el embrión sincicial
Biología del desarrollo: Drosophila
- Bicoid activa la transcripción de hunchback; también se une al mRNA de caudal y
reprime su traducción
- Nanos se une al mRNA de hunchback y reprime su traducción
Biología del desarrollo: Drosophila
- los genes de efecto materno (proteinas o mRNAs provistos por células foliculares)
exhiben fenotipo cuando la madre es mutante
madre wt
madre bicoid -/-
- p. ej. si la madre es mutante nula de bicoid, el embrión no forma los segmentos de la
cabeza y el torax
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Biología del desarrollo: Drosophila
- establecimiento del eje dorso-ventral: mesodermo, sistema nervioso, epidermis...
mapa del destino celular a lo largo del eje dorso-ventral
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Biología del desarrollo: Drosophila
- señalización Spätzle-Toll-Dorsal
Spätzle (ligando)
Toll (receptor)
reclutamiento de Pelle
Pelle (receptor)
fosforilación de Cactus
Cactus
degradación de Cactus
Dorsal
disociación de Pelle
entrada al nucleo
activación transcripcional
Biología del desarrollo: Drosophila
- establecimiento del eje dorso-ventral: entrada de Dorsal al nucleo
gradiente dorso-ventral de proteina Dorsal nuclear
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: Drosophila
- establecimiento del eje dorso-ventral: Dorsal es un morfógeno
- Dorsal actua como morfógeno
dorsoventral, se activan twist, sog
y dpp de acuerdo a la concentración
- las proteinas Dpp y Sog terminan
de determinar los tejidos del eje
dorsoventral
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Biología del desarrollo: Drosophila
- establecimiento del eje dorso-ventral: Twist marca el mesodermo
proteina
Twist
durante la gastrulación, las células
que expresan Twist se mueven al
interior del embrión
- internalización de las células que expresan Twist (factor de transcripción bHLH), que
dan origen al mesodermo de Drosophila
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Biología del desarrollo: Drosophila
- jerarquía de genes durante el desarrollo del eje del cuerpo de Drosophila
- los genes de efecto materno (bicoid,
nanos etc) llevan a la activación de
genes gap, pair-rule (regla de los
pares), de polaridad segmental y
genes homeoticos
hunchback, krüppel, knirps
fushi tarazu, even skipped
engrailed, wingless, hedgehog
Biología del desarrollo: Drosophila
- genes gap, pair-rule y segment polarity fueron descubiertos con mutantes
- en cada mutante las partes verdes no se forman
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
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Biología del desarrollo: Drosophila
- los productos de los genes de polaridad
del huevo son maternos y establecen
los ejes anteroposterior y dorsoventral
- genes gap se expresan en amplias
bandas del embrión. Controlan genes
pair-rule
- genes pair-rule se expresan en 14
parasegmentos. Cada gen pair-rule se
expresa en parasegmentos alternados
- cada gen de polaridad segmental se
expresa o en la mitad anterior o
posterior de los 14 segmentos.
Biología del desarrollo: Drosophila
- genes pair-rule se expresan en parasegmentos alternados
- cada parasegmento corresponde a una mitad posterior de un segmento junto con la mitad anterior
del segmento siguiente
Biología del desarrollo: Drosophila
expresión de reportero (lacZ) controlado
por el stripe 2 enhancer de eve
gen y enhancers de even-skipped (eve)
expresión de eve endógeno
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: Drosophila
- al enhancer del stripe 2 de
eve se unen cuatro factores
de transcripción en una
combinación específica
- Bicoid y Hunchback son activadores
transcripcionales
- Giant y Krüppel son represores
transcriptionales
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Biología del desarrollo
- Bicoid y Hunchback son activadores
transcripcionales
- Giant y Krüppel son represores
transcriptionales
- la combinación de los cuatro factores
(activadores y represores) en el enhancer
determinan la precisa expresión de eve
en el stripe 2 del embrión
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: Drosophila
- dominios de genes de polaridad segmental son el resultado de señalización entre
células de dominio diferentes
- en la parte anterior del parasegmento, células
que expresan Engrailed también expresan
el factor secretado Hedgehog
- Hedgehog activa las células en la parte
anterior del segmento, que expresan el
receptor Patched
- señalización de Patched activa la expresión
de Wingless, un factor secretado
- Wingless activa el receptor Frizzled en células
vecinas y refuerza la expresión de Engrailed
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- mutaciones homeoticas transforman una parte del cuerpo en otra (cambia la identidad
de segmentos)
- en la mutación Antennapedia se forman patas en lugar de antenas en la cabeza.
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- mutaciones homeoticas transforman una parte del cuerpo en otra (cambia la identidad
de segmentos)
- en la mutación Bithorax se forman alas en lugar de halterios en un segmento torácico
(en tercer segmento se transforma en el segundo segmento torácico)
Copyright © 2006 Pearson Prentice Hall, Inc.
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- las mutaciones son causadas por alteraciones en la expresión de genes homeoticos
(genes Hox)
- genes Hox están organizados en dos clusters de genes y codifican factores de transcripción
con homeodominio (dominio de unión al DNA)
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- los genes Hox se expresan a lo largo del cuerpo del embrión en el mismo orden en
que están alineados en el cromosoma (colinearidad)
Copyright © 2006 Pearson Prentice Hall, Inc.
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- los genes Hox se expresan a lo largo del cuerpo del embrión en el mismo orden en
que están alineados en el cromosoma (colinearidad)
hibridación in situ con sondas fluorescentes
- los genes Hox determinan la identidad de los segmentos especificados antes por los
genes de pair-rule y polaridad segmental
- cuando más de un gen se expresa en un segmento, en gen más "posterior" en el locus
en general domina y determina la identidad del segmento
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- mutación Bithorax inactiva el gen Ultrabithorax
- cuando Ubx no está activo, Antennapedia determina el cambio homeotico del segmento
torácico 3 al 2
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- clusters de genes Hox existen en todos los animales
Swalla et al (2006) Heredity
- el mecanismo de determinación de segmentos es muy primitivo (existe desde antes de la
divergencia entre protostomados y deuterostomados)
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- en vertebrados, los clusters de genes
Hox están cuadruplicados (reflejo de
la primitiva tetraploidización del
ancestro de los vertebrados)
- la expresión de los Hox en vertebrados
va del cerebro posterior hasta la cola y
determina la identidad de parte del tubo
neural y del mesodermo
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- colinearidad de expresión de genes Hox también existe en vertebrados
- HoxB2 está más "anterior" que HoxB4 y su patrón de expresión llega a un nivel más anterior en el
embrión
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo: genes homeoticos
- transformaciones homeoticas en el ratón
wild-type
wild-type
HoxA10
ectópico
eliminación
de HoxA10
HoxC10 y
HoxD10
expresión ectópica de HoxA10 en
niveles más anteriores. Las vértebras
cervicales y torácicas se convierten en
lumbares (sin costillas)
eliminación de HoxA10, HoxC10 y
HoxD10 causa la formación de
vértebras torácicas en lugar de
lumbares (con costillas)
Biología del desarrollo: plantas
- Arabidopsis thaliana
Arabidopsis posee muchos genes para factores de transcripción
en relación a ciertos animales
Biología del desarrollo: plantas
- embrión y germinación
Biología del desarrollo: plantas
crecimiento a partir de meristemas
(apical, radicular)
- embrión y germinación
Biología del desarrollo
- Arabidopsis thaliana:
mutantes de anatomia floral
Apetala2: sépalos se convierten
en carpelos y pétalos
en estambres
Apetala3: pétalos se convierten
en sépalos y estambres
en carpelos
Biología del desarrollo
- Arabidopsis thaliana:
mutantes de anatomia floral
Agamous: estambres se
convierten en pétalos y carpelos
en meristema floral
Apetala2/Apetala3/Agamous
(triple mutante): todos se
convierten a hojas
Molecular Biology of the Cell 5/e - Garland Science 2008
Biología del desarrollo
- Arabidopsis thaliana: transformaciones homeóticas de la anatomia floral
- la combinación de genes (Apetala2, Apetala3, Agamous) expresado en cada región (whorl) del
meristema determina la identidad del compartimiento
Biología del desarrollo
- Arabidopsis thaliana: transformaciones homeóticas de la anatomia floral
- el modelo de determinación de compartimentos florales es denominado ABC
- los genes involucrados son factores de transcripción MADS-box (100 miembros en
Arabidopsis)
Biología del desarrollo: evo-devo
- diferencias en el desarrollo determinan las diferencias anatómicas y fisiológicas de
las especies
pinzones de
Darwin Galápagos
- evo-devo (evolution & development) es la rama de la biología que intenta
descubrir los cambios en el desarrollo que contribuyen a la evolución de las especies
expresión de Bmp4
Biología del desarrollo
Science (2004) Sept 3
- correlación del ancho del pico con la
expresión de Bmp4 (proteina
secretada señalizadora) en el
mesénquima (mesodermo) del pico
durante el desarrollo
Biología del desarrollo: evo-devo
Science (2004) Sept 3
control
exceso
de Bmp4
- sobreexpresión de Bmp4 con un virus
en el mesodermo del futuro pico causa
un ensanchamiento del pico
- expresión de noggin, un inhibidor de
Bmp4, causa un subdesarrollo del pico
inhibición
de Bmp4