Download Tema 9. Bases genéticas del desarrollo embrionario. Temas

CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
Tema 9. Bases genéticas del desarrollo embrionario.
Temas centrales de la Genética del desarrollo. Genética del
desarrollo embrionario en modelos animales (invertebrados,
vertebrados y mamíferos). Mutaciones que afectan a la
morfogénesis en humanos.
Temas centrales de la Genética del desarrollo
La vida de un ser multicelular comienza en una sola célula (un huevo fecundado por un
espermatozoide), a partir de la cual se construye el organismo completo. Este proceso se denomina
desarrollo, y lleva consigo el aumento del número de células, el aumento de complejidad
(distintas células adquieren características y funciones diferentes) y la auto-organización como un ser
vivo que se desarrolla de modo unitario. Tradicionalmente, el desarrollo animal se divide en una etapa
embrionaria (en la que se forman las estructuras de ese ser vivo) y una etapa post-embrionaria o fetal
(en la que sólo hay crecimiento y refinamiento de esas estructuras), y se considera completo cuando el
organismo alcanza la madurez sexual. De todas formas, desde una perspectiva más amplia podría
considerarse el desarrollo como un proceso continuo que va desde la fertilización hasta la muerte de ese
ser vivo, incluyendo el envejecimiento como parte del mismo.
El hecho de que una sola célula (el cigoto) contenga toda la capacidad (potencialidad) de construir un
ser vivo completo con trillones de células especializadas y organizadas en tejidos, órganos y aparatos
que funcionan como un todo unitario, significa que esa célula inicial lleva en su genoma todas las
instrucciones necesarias. Una consecuencia lógica de esto es que cada una de las células del organismo
adulto, con un genoma idéntico al del cigoto, debería poseer también esta capacidad (es decir, debería
ser totipotente). Experimentos realizados en 1950 demostraron que en algunas plantas se retiene esta
característica, de modo que es posible clonar una planta entera a partir de una sola célula del floema de
la raíz. Experimentos similares en anfibios confirmaron que algunas células adultas retienen la
totipotencialidad, y la clonación de la oveja Dolly en 1996 demostró que las células adultas de
mamíferos también pueden recuperar la totipotencialidad cuando son sometidas a maniobras especiales.
La conclusión de estos trabajos es que todas las células del organismo adulto tienen un mismo genoma,
por lo que las diferencias estructurales y funcionales que muestran los distintos tipos de células deben
ser resultado de la diferente expresión génica. Es decir, durante el proceso de desarrollo tiene lugar
el apagado y encendido selectivo de ciertos genes en los grupos de células que darán lugar a linajes
celulares distintos. Estas diferencias de expresión génica, a su vez, son provocadas por distintos
factores de transcripción en respuesta a la activación de vías de señalización que tiene lugar durante
la comunicación entre células.
Teniendo presente esta visión general del desarrollo embrionario, podemos esquematizar los
principales procesos implicados en el mismo, distinguiendo tres niveles:
1.
A nivel celular, los procesos que gobiernan el desarrollo son la proliferación y la diferenciación.
Como hemos dicho, el paso de una célula a un organismo adulto requiere la división continua de la
célula original y de sus células hijas. Este aumento del número de células es muy rápido al principio
y después se frena, en algunos órganos más que en otros, llegando a un equilibrio con los procesos
de muerte celular. La diferenciación celular consiste en la especialización estructural y funcional que
1
CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
2
van adquiriendo diferentes grupos celulares durante el desarrollo, para cumplir funciones muy
distintas que permiten el funcionamiento unitario del organismo. Esto lleva consigo una serie de
“toma de decisiones” por las que una célula se va comprometiendo hacia un linaje concreto.
Dicho compromiso va asociado, lógicamente, a una pérdida de potencialidad: así, si el cigoto es
totipotente, las células de la mórula o del blastocisto son pluripotentes (no pueden generar un
organismo completo, pero sí cualquier linaje celular del embrión), las células de cada una de las tres
capas germinales del embrión son multipotentes (sólo pueden dar lugar a células de uno de esos
tres linajes), y las células progenitoras de cada tejido con unipotentes. Sin embargo, experimentos
realizados en los últimos años han demostrado que las células diferenciadas pueden ser
reprogramadas a un estado pluripotencial (células iPS) o incluso pueden ser trans-diferenciadas
a tipos celulares distintos.
Figura 9.1 El video resume las primeras etapas del desarrollo
humano, mostrando la importancia de la proliferación y la
diferenciación celular.
2.
A nivel del organismo (cómo se va construyendo), se pueden considerar también dos procesos
fundamentales: la formación de patrones corporales y la morfogénesis. La formación de patrones
corporales comienza a organizar las células del embrión inicial según un plan corporal concreto,
comenzando
por
la
especificación
de los tres
ejes
corporales
fundamentales:
el
eje
anteroposterior (cráneo-caudal, cabeza-cola), el eje izquierda-derecha y el eje dorso-ventral. En
vertebrados, las células van disponiéndose a lo largo de estos tres ejes de modo asimétrico (aunque
el eje izquierda-derecha tiene simetría superficial), dando lugar a segmentos que van adquiriendo
una identidad concreta. La morfogénesis es el proceso dinámico por el cual el embrión se va
reorganizando para dar lugar a estructuras y formas concretas. Esta reorganización implica a
menudo movimientos de grupos de células, con cambios en la forma y en el tamaño celulares,
cambios en la afinidad de ciertas células por moléculas de adhesión, destrucción de grupos celulares
por apoptosis, etc.
3.
A nivel molecular, todos los fenómenos descritos hasta el momento requieren básicamente tres
tipos
de
procesos:
expresión
génica
diferencial,
formación
de
gradientes
de
moléculas
señalizadoras, y la división celular asimétrica. Ya hemos comentado que el principal mecanismo
molecular que dirige el desarrollo embrionario es la expresión de determinados genes en unas
regiones y en unos momentos concretos, mientras que otros genes deben permanecer apagados. A
menudo, esta fina regulación se logra por la acción de factores de transcripción específicos, que a su
vez se activan en respuesta al contacto célula-célula, célula-matriz, etc. En otras ocasiones, el linaje
celular se establece por la posición que ocupa una célula a lo largo de los tres ejes del embrión. Esto
implica un mecanismo para establecer las “coordenadas” en esos ejes, y este mecanismo suele ser
la presencia de un gradiente de concentración de moléculas llamadas morfógenos, que se
establece por la secreción del morfógeno en un punto y su difusión a lo largo del embrión. Estas
moléculas inducen la diferenciación de las células vecinas de modo diferente según la concentración
local del morfógeno. Aunque menos frecuente, la identidad celular no se especifica por la posición
que ocupa en el embrión, sino que es propia de cada linaje celular. Un ejemplo es la división
celular asimétrica de células madre: cuando las células están polarizadas porque los receptores de
membrana o moléculas intracelulares se concentran en uno de los polos, una división celular puede
dar lugar a dos células hijas que se desarrollen según linajes diferentes.
CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
Modelos animales del desarrollo embrionario
Por motivos históricos, el desarrollo embrionario se ha estudiado con bastante detalle en plantas e
invertebrados, en algunos vertebrados y en pocos mamíferos. La conservación evolutiva de los procesos
celulares y moleculares hace que algunos modelos, especialmente los de vertebrados y de mamíferos,
sean de gran utilidad para conocer el desarrollo humano, aunque cada uno de estos modelos tiene sus
ventajas e inconvenientes. El desarrollo del pollo (Gallus gallus), por ejemplo, puede estudiarse con
facilidad (a través del huevo) y ha sido útil para esclarecer aspectos del desarrollo de las extremidades
de vertebrados. Otro vertebrado, el pez cebra (Danio rerio) es muy utilizado por la facilidad de
manipulación y observación, y por el buen conocimiento que tenemos de su genoma. Aunque el plan
corporal es distinto al de vertebrados, la mosca Drosophila melanogaster es el organismo cuyo desarrollo
embrionario ha sido estudiado con mayor detalle, además de que su genoma es también perfectamente
conocido y de la disponibilidad de gran cantidad de mutantes. A continuación se resumen algunos
aspectos del desarrollo embrionario de Drosophila, para luego exponer lo que se conoce de ellos en
el desarrollo de vertebrados y mamíferos.
1. LAS FASES INICIALES DEL DESARROLLO EMBRIONARIO DE DROSOPHILA son muy diferentes
a las de mamíferos, ya que el huevo fecundado sufre diez divisiones nucleares pero no del citoplasma,
dando lugar a un sincitio. Después, los núcleos se sitúan en la periferia y siguen dividiéndose, dando
lugar a una estructura alargada y hueca llamada blastodermo. El siguiente paso es el establecimiento
de los ejes corporales, fundamentalmente el eje antero-posterior y el eje dorso-ventral, en el que
interviene los genes de polaridad. Las diferencias de distribución de los mRNA y las proteínas codificadas
por estos genes, diferencias que ya existen en el huevo antes de la fecundación, dan lugar a gradientes
de morfógenos que ponen en marcha diferencias de expresión génica a lo largo de estos ejes. En el caso
del eje dorso-ventral, los genes implicados son dorsal, cactus y toll. Por la acción de cactus y toll,
dorsal entra en los núcleos de un polo del embrión y activa la expresión de twist: esa será la región
ventral del embrión. En el polo opuesto, la baja concentración de dorsal en los núcleos hace que en vez
de twist se exprese otro gen llamado decapentaplegic, y esa será la parte dorsal. Algo similar sucede en
el caso del eje antero-posterior, sólo que aquí los genes implicados son otros: bicoid y nanos. Los
mRNA de ambos genes se localizan en polos opuestos del huevo, antes de la fecundación. A las pocas
horas de la fecundación, comienza la síntesis de ambas proteínas, dando lugar a gradientes opuestos: en
un polo del embrión hay alta concentración de bicoid y baja concentración de nanos, y ese será el polo
anterior; en el polo posterior, sucede lo contrario. Como bicoid y nanos son morfógenos que actúan
como factores de transcripción, hay genes que se activan selectivamente en la parte anterior del
embrión. El principal es hunchback (activado por bicoid y reprimido por nanos), que a su vez es un
factor de transcripción responsable de la formación de las estructuras anteriores (cabeza y tórax).
Una vez establecidos los principales ejes corporales, otros genes se encargan de segmentar el embrión.
Estos genes son activados por bicoid y nanos, y son de tres tipos. Los genes gap (hiato) definen
regiones más o menos grandes del embrión, que incluyen varios segmentos. Los mutantes de estos
genes (como krüppel) dan lugar a la ausencia de varios segmentos adyacentes. Los genes de la regla
del par (pair-rule) se encargan de definir cuáles segmentos van en grupos (por ejemplo, segmentos
pares e impares). Por ejemplo, mutaciones en even-skipped causan la ausencia de los segmentos pares.
Finalmente, los genes de polaridad de los segmentos definen cuál es la parte anterior y posterior de
cada segmento, y son genes muy importantes (engrailed, hedgehog, gooseberry, disheveled, etc). Por
ejemplo, mutaciones en goosberry hacen que se pierda la parte posterior de cada segmento y sea
reemplazada por una imagen especular de la parte anterior del segmento siguiente.
3
CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
Tras la formación del número adecuado de segmentos, el siguiente paso del desarrollo embrionario es
establecer la identidad de cada segmento, es decir, definir si se trata de un segmento que dará lugar
a estructuras de la cabeza, del tórax o del abdomen. Esta función la llevan a cabo los genes
homeóticos, que en Drosophila son ocho: labial (lab), proboscidea (pb), deformed (Dfd), sex-combsreduced (Scr), Antennapedia (Antp), Ultrabithorax (Ubx), abdominalA (abdA) y AbdominalB (AbdB). Los
cinco primeros forman un complejo llamado Antennapedia y los tres últimos el complejo bithorax, y
en conjunto forman el complejo homeótico (HOM-C), que se dispone linealmente a lo largo del
mismo cromosoma. Estos genes se expresan en el embrión de modo diferencial en sentido anteroposterior, es decir, los primeros genes se expresan solo en los segmentos anteriores (y dan lugar a
estructuras de la cabeza y el tórax anterior) y los últimos genes se expresan en los segmentos
posteriores (dando lugar a estructuras abdominales). Por tanto, mutaciones en estos genes (mutaciones
homeóticas), dan lugar a cambios homeóticos, como por ejemplo la aparición de una estructura
abdominal (como la pata) en un segmento correspondiente a la cabeza. La activación de los genes
homeóticos depende de la función de los genes de segmentación, y son muy sensibles a la concentración
de los morfógenos codificados por éstos. Las proteínas codificadas por los genes homeóticos comparten
una caja de 60 aminoácidos (caja homeótica, homeobox) que actúa como dominio de unión al ADN,
ya que estas proteínas son factores de transcripción.
Figura 9.2 El video resume el desarrollo embrionario de
Drosophila.
2. LAS FASES INICIALES DEL DESARROLLO EMBRIONARIO DE MAMÍFEROS se caracterizan por la
división celular simétrica (pero asíncrona) del cigoto para dar un embrión de 2, 4 y 8 células, que se
denomina mórula (y cada célula de la mórula se denomina blastómero). En el estadio de 2 células se
activa el genoma del cigoto, y la segunda división es asimétrica: una célula se divide según un plano
horizontal y las otras según un plano vertical. En la mórula de 8 células, los blastómeros se unen con
uniones estrechas por la expresión de cadherina E, en un proceso que se denomina compactación. En
la mórula de 16 células ya es posible distinguir los blastómeros externos, polarizados, y los blastómeros
internos no-polarizados. Los primeros van a originar el trofoblasto, que dará lugar a los tejidos
extraembrionarios de apoyo para la nutrición del embrión y del feto. Las células internas darán lugar al
embrioblasto, que continuará con el desarrollo del embrión propiamente dicho. En la fase de 32 células
se forma el blastocisto: una esfera formada por el trofoblasto en el exterior, una cavidad interna
(blastocele) y las células del embrioblasto concentradas en uno de los polos, en lo que se denomina la
masa celular interna. En torno al día 5º del desarrollo embrionario humano, el blastocisto sale de la
envoltura que lo recubría (llamada zona pellucida) y se implanta en la pared del útero, para continuar
con el desarrollo del embrión y la formación de varias capas celulares que se reorganizan en un proceso
morfogenético llamado gastrulación.
Figura 9.3 El video muestra los cinco primeros días del
desarrollo embrionario humano.
El establecimiento de los principales ejes corporales en el desarrollo embrionario de vertebrados es
diferente al de invertebrados, y mucho menos conocido. Aunque tradicionalmente se pensaba que estos
ejes no se establecían hasta el momento de la gastrulación, estudios realizados en los últimos años han
demostrado que ya se pueden reconocer en el embrión inicial. Sorprendentemente, el punto de
entrada del espermatozoide se asocia con el surco de la primera división celular y con la frontera
entre el polo embrionario y el polo abembrionario del blastocisto, que definen el futuro eje dorsoventral
4
CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
del embrión. Los primeros indicios del eje anteroposterior aparecen más tarde, al inicio de la
gastrulación, por la acción de una estructura llamada endodermo visceral anterior y otra formación
llamada nodo. El eje izquierda-derecha es el último en aparecer, ya durante la gastrulación, y se debe al
movimiento rotatorio de los cilios de las células del nodo, que crean un flujo de líquido unidireccional que
activa los genes NODAL y LEFTY2 en la parte izquierda del embrión. Esto activa la expresión del factor
de transcripción PITX2, responsable de especificar las estructuras del lado izquierdo. Mutaciones en
estos genes en humanos dan lugar a situs inversus, malformación en la que los órganos internos están
en posición invertida según el eje izquierda-derecha.
Como se ha comentado, los genes homeobox se encuentran también en mamíferos, pero con la
peculiaridad de que se han duplicado dos veces. Esto significa que hay cuatro grupos de paralogía,
cada uno de ellos formado por entre 9 y 12 genes (de un total de 13 posibles genes) que se disponen
longitudinalmente en un mismo cromosoma. Cada grupo se denomina por una letra de la A a la D, y
dentro de un grupo cada gen se designa con un número del 1 al 13 en dirección 3’ a 5’. Al igual que en
Drosophila, los genes 3’ se expresan únicamente en las regiones anteriores del embrión, y los genes 5’
en los segmentos posteriores. Así, los parálogos 1 a 4 determinan regiones craneales y cervicales, los
parálogos 5 a 8 regiones torácicas y los parálogos 9 a 13 las regiones abdominales.
La Figura 9.4 muestra un esquema de los genes homeobox
humanos.
Mutaciones que afectan a la morfogénesis en humanos
El estudio comparativo del desarrollo embrionario en humanos, ratón y Drosophila ha permitido
identificar los mecanismos genéticos por los que se generan varias alteraciones congénitas de la
morfogénesis. Muchas de estas mutaciones afectan a genes que codifican factores de transcripción.
Entre los síndromes malformativos debidos a alteraciones en factores de transcripción encontramos
varios tipos:
5
CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
6
Malformaciones de las extremidades. Las extremidades se organizan en torno a 3 ejes (AnteroPosterior, Dorso-Ventral y Proximal-Distal), y se desarrollan a partir de un brote en el que hay una
intensa actividad mitótica en la llamada zona de progresión, actividad que es inducida por un grupo de
células que forman el repliegue apical ectodérmico. Esta actividad mitótica está en equilibrio con los
procesos de apoptosis de células del mesénquima, que da lugar a los espacios interdigitales e interóseos.
El desarrollo de las extremidades tiene una fase inicial en la que es importante la expresión de genes
homeobox. Por ejemplo, se ha descrito un tipo de sin-polidactilia en pacientes que tienen una
expansión de 7-14 alaninas en el gen HOXD13, que provoca una ganancia de función de dicho gen.
También se han encontrado mutaciones en HOXA13 en pacientes con Síndrome mano-pie-genital,
caracterizado por hipoplasia del quinto dedo de manos y pies y malformaciones genitourinarias
(hipospadias o útero bicorne). En una segunda fase de formación del eje antero-posterior de los
miembros interviene la vía de señalización intracelular de las proteínas Hedgehog, integrada por Sonic
Hedgehog (SHH), los factores de transcripción GLI1, GLI2 y GLI3, y los receptores Patched (PTCH) y
Smoothened (SMO). El gen SHH se expresa en la Zona de Actividad Polarizante (ZPA), que es la
región que determina la “posterioridad” de un miembro, y de hecho se ha visto en embriones de pollo
que si se transplanta la ZPA (o bolas empapadas en la proteína SHH) a la parte anterior del esbozo, se
desarrolla una mano “en espejo”.
La
Figura 9.5 muestra la organización axial de los esbozos de los
miembros superiores y los genes implicados en su desarrollo.
La disregulación de la vía Sonic Hedgehog en humanos provoca sindactilia (fusión de dos ó más dedos)
y/o polidactilia, (aparición de uno ó más dedos “extra”) que tienden afectar a los dedos cercanos al
pulgar (preaxiales) en casos de sobre-expresión de SHH, o bien afectan a los dedos cercanos al meñique
(centrales/postaxiales) en casos de represión de este gen. Sin embargo, no se han encontrado
mutaciones de SHH en malformaciones de miembros, pero sí en pacientes con holoprosencefalia
CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
7
autosómica dominante. Esta enfermedad se origina por el desarrollo defectuoso del cerebro anterior y
de la cara, con unas manifestaciones muy variables que van desde un incisivo único hasta individuos con
un solo ojo (cíclopes), pero es genéticamente heterogénea ya que mutaciones en otros genes como
ZIC2, SIX3, TGIF y PATCHED también la causan. Por otro lado, las mutaciones del gen PTCH causan el
Síndrome de Gorlin autosómico dominante (carcinoma nevoide de células basales), que además
presenta frecuentemente polidactilia pre- o postaxial, o bien sindactilia del 3º y 4º dedos del pie.
Finalmente, los factores de transcripción GLI comparten el dedo de zinc de la proteína codificada por el
gen cubitus interruptus de Drosophila, y actúan como activadores o represores de la vía de transducción
de señales de SHH. Por ejemplo, el Síndrome de cefalopolisindactilia de Greig (polidactilia postaxial
de manos, preaxial de pies, macrocefalia, frente prominente con hipertelorismo leve), de herencia
autosómica dominante, se debe a haploinsuficiencia de GLI3 por mutaciones que destruyen el dedo de
zinc de este gen, de manera que se produce expresión ectópica preaxial de genes activados por SHH
(GLI3 es un represor de la vía Hedgehog). En cambio, GLI3 también parece implicado en el Síndrome
de Pallister-Hall (hamartomas hipotalámicos con malformaciones de extremidades), por mutaciones
que respetan el dedo de zinc y por tanto mantienen constitutivamente la actividad represora de la vía.
Un mecanismo similar parece implicado en la Polidactilia postaxial tipo A (en la que se ha identificado
una mutación de GLI3 que respeta el dedo de zinc). Por su parte, el Síndrome de Rubinstein-Taybi
(retraso psicomotor y del crecimiento, dismorfismo facial, anomalías de los pulgares y, raramente,
polidactilia preaxial de los pies) se debe a mutaciones en CBP: como GLI se transactiva a través de un
dominio de unión a CBP, la ausencia de éste factor provoca una expresión baja de GLI, que lleva a una
activación anómala de la vía Hedgehog.
La Figura 9.6 ilustra la diferencia entre polidactilia post-axial
(b) y pre-axial (c).
Malformaciones del ojo. Los genes de la familia Pax codifican factores de transcripción que
contienen un dominio de unión al ADN de 128 aa con dos regiones de hélice-vuelta-hélice, llamado
"paired domain" porque originalmente se encontró en el gen "paired" de Drosophila. Además, los
factores Pax3, Pax4, Pax6 y Pax7 también contienen un homeodominio. Las mutaciones en el dominio
paired de PAX6 causan anomalías oculares (aniridia, anomalía de Peters, distrofia corneal, catarata
congénita e hipoplasia de la fovea). En estos casos, la aniridia (o, a veces, anoftalmia) parece depender
de la dosis del gen PAX6, ya que los heterocigotos para la mutación sólo tienen aniridia pero en cambio
los homocigotos padecen anoftalmia. Las mutaciones en PAX6 también son responsables de la aniridia
del Síndrome WAGR, causado por una por una microdeleción en 11p13 que deleciona todo el gen PAX6
junto con WT1. Por lo que respecta al gen PAX3, algunas mutaciones en el mismo producen el
Síndrome
de
Waardenburg
tipo
1
(distopia
cantorum,
pigmentación
anormal
y
sordera
sensorioneural), mientras que otras mutaciones en este mismo gen dan lugar al Síndrome de KleinWaardenburg (lo anterior más camptodactilia y malformaciones de las extremidades). Otro miembro
CAPÍTULO 9: BASES GENÉTICAS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO
de esta familia, el gen PAX8, está mutado en casos familiares de disgenesia tiroidea. Por su parte, las
mutaciones que afectan al gen PAX2 causan una condición autosómica dominante que incluye
colobomas del nervio óptico, anomalías renales y reflujo vesico-ureteral.
Inversión del sexo. El gen SRY controla el desarrollo de la gónada masculina y, lógicamente, se
localiza en el cromosoma Y. La proteína codificada por SRY contiene una caja HMG (High Mobility
Group), que es un motivo de 79 aas por el que la proteína se une al ADN y lo dobla hasta 130 grados,
con lo que favorece la activación de genes cercanos. Las mutaciones en SRY son causa de la aparición de
individuos con cariotipo XY que fenotípicamente se desarrollan como mujeres. Otros genes
relacionados con SRY son los genes de la familia SOX; por ejemplo, SOX9 está mutado en una
enfermedad autosómica dominante llamada Displasia campomélica (inversión de sexo en varones,
arqueamiento congénito de huesos largos, paladar hendido, ausencia costillas y tórax pequeño). Se
piensa que las malformaciones esqueléticas de la displasia campomélica se deben a que SOX9 es un
factor de transcripción que transactiva secuencias reguladoras localizadas en el primer intrón del gen
COL2A1, que da lugar al colágeno tipo II. Por tanto, la falta de SOX9 lleva consigo una producción
insuficiente de cadenas alfa-1 del colágeno tipo 2, con las consiguientes malformaciones en huesos y
cartílagos.
8