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Liceo Nº 1 Javiera Carrerra
Dpto. de Biología
4º Diferenciado
C.G.B.T. / M.R. C.
Diferenciación celular
La diferenciación celular comienza en el estado de gástrula; células situadas en el ecuador del
embrión forman una capa llamada mesoblasto, la cual, junto con el endoblasto - que se forma en el
hemisferio vegetativo - y el ectoblasto - que proviene del hemisferio animal - constituyen las tres
capas embrionarias; de ellas derivarán los más de doscientos diferentes tejidos del individuo
adulto.
Una cuestión fundamental de la embriogénesis es por qué y cómo un conjunto de células, que
inicialmente parecían iguales, a medida que el embrión se desarrolla generan otras no sólo nuevas
sino distintas entre sí. Se conocen dos mecanismos generales para explicarlo: la acción de los
determinantes citoplasmáticos y las interacciones inductivas.
Los determinantes citoplasmáticos son proteínas y ácidos ribonucleicos que, luego de la
fecundación, quedan sólo en determinados lugares del óvulo fecundado y, por ello, sedistribuyen
de manera desigual entre las células hijas que resultan de las sucesivas divisiones de este. Tal
distribución desigual afecta el destino de cada célula o grupo de células.
En el caso de las interacciones inductivas, un grupo de células inductoras emite una señal
química, captada por las células receptoras, que por ello generan otras cuyas formas y funciones
se diferencian de las de las células originales. Durante los estadios de gástrula inicial, las
interacciones inductivas provocan la aparición de mesoblasto; durante los estadios de gástrula
media y final, el mesoblasto emite señales químicas que inducen a las células ectoblásticas que
forman el techo del blastocele a diferenciarse en tejido nervioso. Acontecidas esas diferenciaciones
básicas, ocurre una secuencia de inducciones relacionadas con el movimiento coordinado de los
distintos grupos celulares.
Aparte de las diferenciaciones, durante el desarrollo embrionario se produce también el traslado
de células o de grupos de ellas, para que puedan ocupar sus lugares en los distintos tejidos y
órganos. La mayoría de las células de organismos multicelulares están en contacto entre sí
mediante una compleja red de macromoléculas que esas mismas células secretan al espacio
extracelular. Tal trama es conocida por matriz extracelular y, durante el crecimiento embrionario,
condiciona el desplazamiento ordenado (o migración) de los distintos grupos celulares. Cuando
esas células diferenciadas cambian de sitio, promueven a su vez diferenciaciones en sus nuevas
vecinas. Los movimientos de las células dependen de las propiedades de sus superficies y de la
composición de la matriz extracelular o, más precisamente, de las proteínas de la membrana
plasmática y de sus interacciones con los componentes de dicha matriz.
Las migraciones de células que ocurren durante la gastrulación (o invaginación del mesoblasto)
se manifiestan externamente por la aparición de una hendidura, ubicada entre los hemisferios
animal y vegetativo, llamada labio dorsal del blastóporo. A principios de este siglo, Hans Spemann
y su colaboradora Hilde Mangold descubrieron que poseía propiedades inductoras; transplantaron
el labio dorsal de un embrión a otro y el resultado fue un embrión doble ("El experimento de
Spemann"), indicación de que la zona transplantada era capaz de influir a las células del huésped
para que cooperasen en la construcción de un segundo embrión completo, unido al primero. Por tal
motivo se llamó a la zona transplantada organizador primario o de Spemann . Hoy se sabe que el
organizador de Spemann, la pieza fundamental de la construcción del eje céfalo-caudal del
embrión, es el mesodermo dorsal, previamente inducido por células dorsales del hemisferio
vegetativo.
Estos trabajos conmocionaron el mundo científico y, en 1935, le valieron a Spemann el premio
Nobel. Estimulados por el descubrimiento, se realizaron numerosos estudios orientados a
encontrar las moléculas responsables de organizar un ser vivo a partir de una masa de células no
diferenciadas. Es un problema cuya importancia excede en mucho lo académico, ya que abre la
posibilidad de controlar la proliferación celular caótica en los proceso s cancerosos y sujeta a una
estricta regulación temporal y espacial en el crecimiento embrionario, si bien, en ambos, es muy
veloz.
A pesar del tiempo transcurrido y de los innumerables esfuerzos realizados, la pregunta
continúa sin respuesta: no ha sido aún posible identificar la (o las) moléculas responsables de la
inducción primaria. Sin embargo, se ha avanzado significativamente en el conocimiento de algunos
aspectos del proceso. Se sabe, por ejemplo, que la inducción no requiere del contacto directo entre
la célula inductora y la receptora: se sabe, también, que depende de la capacidad de respuesta (o
competencia) de la célula receptora, la cual no se mantiene indefinidamente en el tiempo y es
independiente de la duración de la señal inductora.
Si bien la diferenciación celular depende de factores citoplasmáticos y de las interacciones
inductivas, en última instancia, las características de cada tipo celular resultan de la activación
y expresión de ciertos genes, que lo hacen de una manera específica para el tipo celular. De allí la
importancia de conocer los procesos que regulan la expresión de los genes durante el desarrollo
embrionario, y la secuencia de pasos que tienen lugar entre la recepción de una señal inductora y
la consiguiente diferenciación celular
Genes Homéoticos
Dentro de cada especie, las etapas de la construcción del embrión se suceden siguiendo un escenario
constante. El programa genético dirige las etapas del desarrollo, la estructuración del embrión y la
diferenciación de los distintos órganos, cuyas células (musculares, células nerviosas) expresan sólo una parte
del programa genético completo.
Dos tipos de genes definen la localización y el tipo de órgano en cada especie. Ciertos genes definen la
naturaleza del órgano (pata, oído, ojo, etc.) mientras que otro tipo de genes determinan la localización. Antes
que la mayoría de las células comience a especializarse, se establece un plan corporal que define la ubicación
de las principales regiones del cuerpo: cabeza, tronco, cola, etc.
Las anomalías que se muestras en las drosófilas mutantes afectan sólo a los genes que determinan la
localización de las alas (mutante bitorax) y las patas (mutantes Antennapedia). Estos genes se llaman genes
homeóticos y sus mutaciones son mutaciones homeóticas.
Un gen homeótico es un gen que interviene en el programa de desarrollo que determina la localización de
órganos a lo largo del eje antero-posterior. La determinación del eje anterio-posterior (cabeza-cola) del
embrión constituye la piedra angular del desarrollo porque proporciona una línea central a lo largo de la cual
se desarrollará el resto de las estructuras. Los genes homeóticos constituyen una familia de genes que
determina la forma del cuerpo. Son genes de posición o selectores de posición de las estructuras que se
desarrollan. Expresan su actividad en regiones diferentes del embrión, subdividiendo al embrión a lo largo del
eje cabeza-cola en campos celulares con diferentes potenciales de desarrollo, que se transformarán en
miembros y otras estructuras. Esta subdivisión del cuerpo embrionario precede a la formación de órganos o
estructuras específicos.
Una mutación homeótica provoca la sustitución de una parte del cuerpo por una estructura cuya ubicación
normal correspondería a otro sitio. En la figura, las moscas mutantes bitorax tienen un par de alas adicionales
en el sitio donde normalmente debería estar unos pequeños apéndices llamados estabilizadores; las mutantes
Antennapedia tienen patas adicionales en el lugar donde deberían tener antenas.
¿Cómo es posible que la mutación de uno o dos genes produzca una transformación fenotípica tan notable
como la aparición de un órgano completo en un sitio que no corresponde? Se necesitan cientos de genes
activos para crear las alas y patas con ubicación normal. Los genes homeóticos actúan como genes “rectores”
o “maestros”, ya que dirigen la actividad de varios genes subordinados. Por ejemplo, en la drosófila existe un
gen homeótico que dirige la formación del ojo, para lo cual debe regular la expresión de alrededor de los 2500
genes que codifican a las proteínas que dan estructura y función al ojo. De esta manera un solo gen
homeótico funciona como un gen maestro capaz de controlar toda la cascada de eventos necesarios para el
desarrollo de una estructura tan compleja como el ojo. Otro ejemplo es el gen myoD que tiene las
instrucciones para fabricar la proteína MyoD. Esta proteína permite la transcripción de secuencias de ADN
que codifican para proteínas musculares (actina, miosina, tropomiosina y troponina), es decir, activa a cada
unos de dichos genes. Si la proteína MyoD no está presente en la célula, estos genes permanecen
“apagados” y no se desarrollarán las características de las células musculares.
De la misma manera, existen otros genes homeóticos que determinan la diferenciación hacia otros tipos
celulares.
Los genes homeóticos controlan la actividad de otros genes
Dentro del genoma de la célula, existen ciertos genes llamados homeóticos, que codifican para proteínas
que tienen la capacidad de controlar la actividad de otros genes y son denominadas proteínas homéoticas.
Los genes homeóticos, a través de sus proteínas homeóticas, son los encargados de prender o apagar a otros
genes
¿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.
De tal manera, el ADN contiene la codificación de los genes homeóticos, estos codifican proteínas
homeóticas las cuales contienen los códigos del gen homeótico (HOMEODOMINIO), y controlan a los genes
subordinados, los cuales ubican a los órganos según pautas de los 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 anteroposterior, 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.
Los genes homeóticos se agrupan en complejos o grupos dentro de un cromosoma. La ubicación de uno de
estos genes en un cromosoma tiene una correspondencia con el lugar donde se expresa en el cuerpo. En el
diagrama se han marcado los genes con caja homeótica de drosófila y ratón y las regiones del plano corporal
que estos genes controlan. En la molécula lineal del DNA,
estos genes con cajas homeóticas están dispuestos en un orden preciso de izquierda a derecha. Los genes
con cajas homeóticas situados a la izquierda de un complejo de estos genes se expresan en las regiones
posteriores del cuerpo mientras que los genes situados más hacia la derecha se expresan más cerca de la
cabeza. Este es un principio general. Se observa en vertebrados y en la mosca de la fruta. Es decir, en el
DNA cromosómico, los genes con cajas homeóticas se disponen en el mismo orden en el que se expresan a
lo largo del eje antero-posterior del cuerpo.
.
Etapas en el desarrollo de la mosca y efecto de mutaciones en genes que controlan la localización de
estructuras a lo largo del eje cabeza-cola (genes homeóticos).
Los genes homéoticos definen el plan corporal en el eje anteroposterior (cabeza-cola)
Resumiendo los Biólogos del Desarrollo intentan comprender como surge el plan corporal a partir de la
expresión génica diferencial.
• Existen genes reguladores o selectores (caja de herramientas) que asignan
identidad específica a las regiones/segmentos del cuerpo.
• Estos genes estan conservados estructural y funcionalmente en el reino animal.
• Los genes reguladores o selectores, surgieron en un antecesor común a todos
los animales.
• La diversidad morfológica que se encuentra entre las especies animales se
puede explicar por cambios de expresión de los genes de la caja de herramientas.