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Control genético del desarrollo
TEXTO
Preguntas clave
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¿Qué genes controlan el desarrollo y cómo se pueden identificar?
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¿Dónde y cuándo son activos estos genes en el curso del desarrollo?
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¿Cómo se controlan los genes que regulan los patrones de desarrollo?
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¿Cómo afectan a la forma de los animales los genes reguladores de patrones?
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¿Tienen diferentes grupos taxonómicos procesos y genes reguladores de patrones
comunes?
Esquema
12.1 La aproximación genética al desarrollo
12.2 Las herramientas genéticas del desarrollo de Drosophila
12.3 Definición del conjunto completo de herramientas genéticas
12.4 Regulación espacial de la expresión génica en el desarrollo
12.5 Regulación postranscripcional de la expresión génica en el desarrollo
12.6 Los múltiples papeles de los genes herramienta
12.7 Desarrollo y enfermedad
De todos los fenómenos biológicos, hay muy pocos, si es que existe algún otro, que
despierten tanta admiración como la formación de un animal complejo a partir de una
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única célula. En esta espectacular transformación, fuerzas nunca vistas organizan la
masa de células en división para formar una cabeza y una cola, varios apéndices y
muchos órganos inconfundibles. El gran genetista Thomas Hunt Morgan no fue inmune
a su atractivo estético:
Un huevo transparente en desarrollo es uno de los objetos más fascinantes en el
mundo de los seres vivos. El cambio continuo de forma que tiene lugar de hora en hora
nos deja perplejos por su misma simplicidad. Los patrones geométricos que se presentan
a cada instante invitan al análisis matemático… Este espectáculo apela irresistiblemente
a las vertientes más emocionales y artísticas de nuestra naturaleza. [T. H. Morgan,
Experimental Embriology. Columbia University Press, 1927.]
Pero, a pesar de su belleza y fascinación, durante muchas décadas los biólogos
no tenían respuestas respecto a cómo se genera la forma biológica durante el desarrollo.
Morgan también dijo que “…para que el misterio que rodea a la embriología se llegue a
comprender alguna vez, debemos… recurrir a otros medios aparte de la descripción de
este efímero espectáculo”.
La larga sequía en embriología duraría bastante más allá del auge de Morgan en
las décadas de 1910 y 1920, pero finalmente terminó gracias a genetistas que trabajaban
siguiendo la tradición de la genética al estilo de Morgan y con su modelo genético
favorito y más productivo, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster.
(pág. 415)
(pág. 416)
Los principales catalizadores en la comprensión de la creación de las formas
animales fueron los descubrimientos de monstruos genéticos, moscas de la fruta
mutantes con drásticas alteraciones en las estructuras corporales (Figura 12-1). En los
primeros tiempos de la genética de Drosophila, los mutantes raros surgían
espontáneamente o como subproductos de otros experimentos con transformaciones
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espectaculares de partes del cuerpo. En 1915, Calvin Bridges, entonces estudiante de
Morgan, aisló una mosca con una mutación que causaba que las pequeñas alas
posteriores (halterios) de la mosca de la fruta se parecieran a las grandes alas anteriores.
Llamó a este mutante bithorax. La transformación en mutantes bithorax se denomina
homeótica (del griego homeos, que significa lo mismo o similar) porque una parte del
cuerpo (el ala posterior) se transforma para parecerse a otra (el ala anterior), como se
muestra en la Figura 12-1b. Más tarde se identificaron más mutantes homeóticos en
Drosophila, como el impresionante mutante Antennapedia en el cual se desarrollan
patas en el lugar de las antenas (Figura 12-1c).
Los espectaculares efectos de los mutantes homeóticos inspiraron lo que se
convertiría en una revolución en embriología, una vez se dispuso de las técnicas de la
biología molecular para comprender qué codificaban los genes homeóticos y cómo
ejercían esa enorme influencia en el desarrollo de partes del cuerpo completas. Es
sorprendente que estos extraños genes de la mosca de la fruta resultaran ser el pasaporte
para el estudio del reino animal completo, ya que se descubrieron genes equivalentes
que realizaban funciones similares en casi todos los animales.
El estudio del desarrollo es una disciplina extensa y aún en crecimiento. En este
capítulo, nos centraremos en unos cuantos conceptos que ilustran la lógica del control
genético del desarrollo y cómo se codifica en el genoma la información necesaria para
construir organismos complejos. El control genético del desarrollo es fundamentalmente
una cuestión de regulación génica en un espacio tridimensional y a lo largo del tiempo.
Veremos que los principios que rigen el control genético del desarrollo están conectados
con los presentados en los Capítulos 10 y 11 que dirigen el control fisiológico de la
expresión génica en bacterias y eucariotas unicelulares.
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12.1 La aproximación genética al desarrollo
Durante muchas décadas, el estudio del desarrollo embrionario implicaba en su mayor
parte la manipulación física de embriones, células y tejidos. A través de experimentos
en que una parte de un embrión era transplantada a otra parte del embrión, se
establecieron varios conceptos clave sobre las propiedades de los embriones en
desarrollo. Por ejemplo, el transplante de una parte de un embrión de anfibio en
desarrollo a un sitio diferente de un embrión receptor inducía al tejido circundante a
formar un segundo eje corporal completo (Figura 12-2a). De modo similar, el
transplante de la parte posterior de un rudimento de extremidad en desarrollo del pollo a
la parte anterior podía inducir dedos adicionales, pero con una polaridad invertida con
respecto a los dedos normales (Figura 12-2b). Estas regiones transplantadas del embrión
de los anfibios y de los rudimentos de las extremidades del pollo fueron llamadas
organizadores por su notable capacidad de organizar el desarrollo de los tejidos
circundantes. Se postuló que las células de los organizadores producían morfógenos,
unas moléculas que inducían diversas respuestas en el tejido circundante en función de
su concentración.
Aunque estos resultados experimentales eran espectaculares y fascinantes, el
progreso en la comprensión de la naturaleza de los organizadores y los morfógenos se
detuvo después de su descubrimiento en la primera mitad de la primera década del siglo
veinte. Era prácticamente imposible aislar las moléculas responsables de estas
actividades mediante técnicas bioquímicas de separación. Las células embrionarias
fabrican miles de substancias: proteínas, glicoconjugados, hormonas y muchas otras. Un
morfógeno podría ser cualquiera de estas moléculas, pero estaría presente en cantidades
minúsculas: una aguja en un pajar de productos celulares.
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El punto muerto al que se había llegado tratando de definir la embriología en
términos moleculares cambió al aplicar aproximaciones genéticas, principalmente el
aislamiento sistemático de mutantes con defectos discretos en
(pág. 416)
(pág. 417)
el desarrollo y la consiguiente caracterización y estudio de los productos génicos
correspondientes. El enfoque genético en el estudio del desarrollo presentaba muchas
ventajas frente a las estrategias bioquímicas alternativas. Primero, el genetista no
necesitaba hacer ninguna suposición sobre el número o la naturaleza de las moléculas
requeridas para un proceso. Segundo, la cantidad (limitada) de un producto génico no es
un impedimento: todos los genes pueden ser mutados independientemente de la
cantidad de producto fabricado por un gen. Y tercero, las aproximaciones genéticas
pueden descubrir fenómenos para los cuales no existe ninguna prueba bioquímica o de
cualquier otro tipo.
Desde el punto de vista genético, hay cuatro cuestiones clave respecto al
número, identidad y función de los genes que intervienen en el desarrollo:
1. ¿Qué genes son importantes en el desarrollo?
2. ¿Dónde y en qué 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 al desarrollo los productos
génicos?
Para responder estas preguntas, se tuvieron que diseñar estrategias para
identificar, catalogar y analizar los genes que controlan el desarrollo. Una de las
primeras consideraciones a tener en cuenta en el análisis genético del desarrollo animal
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era qué animal estudiar. De los millones de especies vivientes, ¿cuál era la más
prometedora? La mosca de la fruta Drosophila melanogaster surgió como el modelo
genético para el desarrollo animal más destacado porque su facilidad de cría, su ciclo de
vida rápido, su citogenética y las décadas de análisis genético clásico (incluyendo el
aislamiento
de
muchas
mutaciones
interesantes)
proporcionaban
ventajas
experimentales importantes (véase el recuadro de Organismos modelo sobre Drosophila
en las páginas 418-419). El gusano nematodo Caenorhabditis elegans también
presentaba muchas características atractivas, en particular su construcción simple y sus
linajes celulares bien estudiados. Entre los vertebrados, el desarrollo de las técnicas de
interrupción dirigida de genes abrió la puerta al ratón de laboratorio a estudios genéticos
más sistemáticos, y el pez cebra Danio rerio se ha convertido recientemente en un
modelo preferido debido a la transparencia del embrión y a los avances en su estudio
genético.
A través del análisis genético sistemático y dirigido, así como de los estudios
genómicos comparativos, se ha definido gran parte del las herramientas genéticas del
desarrollo en varias especies diferentes. Nos centraremos primero en las herramientas
genéticas de Drosophila melanogaster porque su identificación fue una fuente de
información muy valiosa para la comprensión del control genético del desarrollo, ya que
su descubrimiento catalizó la identificación de las herramientas genéticas de otros
animales, incluyendo los humanos.
(pág. 417)
(pág. 418)
Organismo modelo: Drosophila
Análisis mutacional del desarrollo temprano en Drosophila
Los inicios en la comprensión del control genético de la formación de patrones
surgieron de estudios de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. El desarrollo de
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Drosophila ha resultado ser una mina de oro para los investigadores porque los
problemas del desarrollo se pueden abordar mediante el uso de técnicas genéticas y
moleculares simultáneamente.
El embrión de Drosophila ha sido especialmente importante para entender la
formación del plan básico del cuerpo animal. Una razón fundamental es que una
anormalidad en el plano corporal de un mutante se puede identificar fácilmente en el
exoesqueleto larvario del embrión de Drosophila. El exoesqueleto larvario es una
estructura acelular, hecha de un polímero polisacárido llamado quitina que se produce
como secreción de las células epidérmicas del embrión. Cada estructura del
exoesqueleto está formada a partir de las células epidérmicas o de las células situadas
justo debajo de esa estructura. Con su intrincado patrón de pelos, hendiduras y otras
estructuras, el exoesqueleto proporciona numerosos puntos de referencia que pueden
servir como indicadores de los destinos asignados al gran número de células
epidérmicas. En particular, hay muchas estructuras anatómicas distintas a lo largo de los
ejes anteroposterior (A-P) y dorsoventral (D-V). Además, debido a que todos los
nutrientes necesarios para el desarrollo hasta el estadio larvario están empaquetados
dentro del huevo, los embriones mutantes en los que los destinos de las células de los
ejes A-P y D-V están alterados drásticamente, pueden sin embargo desarrollarse hasta el
final de la embriogénesis y producir una larva mutante en aproximadamente 1 día
(véase el diagrama). El exoesqueleto de estas larvas mutantes refleja los destinos
mutantes asignados a los diferentes subconjuntos de las células epidérmicas, y por tanto
se pueden identificar los genes que valga la pena analizar en detalle.
El desarrollo del patrón del cuerpo adulto de Drosophila tarda poco más de una
semana (véase la ilustración). Pequeñas poblaciones de células apartadas durante la
embriogénesis proliferan durante tres fases larvarias (estadios) y se diferencian en la
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fase de pupa para producir las estructuras adultas. Estas células reservadas incluyen los
discos imaginales, que son regiones en forma de disco que originan apéndices y tejidos
específicos de cada segmento como los discos de la pata, del ala, del ojo y de la antena.
Los discos imaginales son fáciles de extraer para analizar su expresión génica (véase la
Figura 12-7).
Los genes que contribuyen al plan corporal de Drosophila pueden ser clonados y
caracterizados a nivel molecular con facilidad. El análisis de los genes clonados a
menudo proporciona una información valiosa sobre la función del producto proteico,
normalmente mediante la identificación de proteínas relacionadas con secuencias
similares a la secuencia aminoacídica del péptido codificado por el gen cuando se
realizan comparaciones con todas las secuencias proteicas almacenadas en las bases de
datos públicas. Además, se pueden investigar los patrones espaciales y temporales de
expresión de (1) un mRNA, utilizando secuencias de DNA de cadena única marcadas
histoquímicamente que sean complementarias al mRNA con las que se realiza
hibridación
in
situ,
o
(2)
una
proteína,
utilizando
anticuerpos
marcados
histoquímicamente que se unen específicamente a esa proteína.
Uso del conocimiento de un organismo modelo para detectar rápidamente genes
del desarrollo en otras especies
El descubrimiento de numerosos genes con cajas homeóticas en el genoma de
Drosophila, permite explotar las similitudes entre las secuencias de DNA de estos genes
para cazar a otros miembros de la familia de los genes
(pág. 418)
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homeóticos. Estas cazas dependen de la complementariedad de bases del DNA. Con
este propósito, se llevaron a cabo hibridaciones de DNA bajo condiciones de moderada
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astringencia, en las que podría haber algunos apareamientos de bases incorrectos entre
las cadenas que hibridan sin romper los enlaces de hidrógeno correctos de los pares de
bases cercanos. Algunas de estas cazas se realizaron en el propio genoma de
Drosophila, para buscar más miembros de la familia. Otros investigadores buscaron
genes que tuvieran la caja homeótica en otros animales, aplicando la técnica de
Southern al DNA de diferentes animales digerido con enzimas de restricción
(denominada zoo blot) y utilizando como sonda DNA radioactivo de la caja homeótica
de Drosophila. Este método llevó al descubrimiento de secuencias homeóticas
homólogas en muchos animales diferentes, incluyendo ratones y humanos. (De hecho,
éste es un método muy potente para “pescar” secuencias relacionadas de casi cualquier
gen en su organismo preferido.)
(pág. 419)
(pág. 418)
12.2 Las herramientas genéticas del desarrollo de Drosophila
Los genomas animales normalmente contienen entre 12 000 y 25 000 genes. Muchos de
estos genes codifican proteínas que funcionan en procesos esenciales en todas las
células del cuerpo (por ejemplo, en el metabolismo celular o la biosíntesis de
macromoléculas). Estos genes son denominados genes de mantenimiento. Otros genes
codifican proteínas que realizan las labores especializadas de varios sistemas de
órganos, tejidos y células del cuerpo, como las globinas en el transporte de oxígeno o
los anticuerpos que median la inmunidad. Aquí, estamos interesados en un conjunto
diferente de genes, aquellos implicados en la construcción de órganos y tejidos y la
especificación de tipos celulares, es decir, las herramientas genéticas que determinan el
plan corporal general y el número, la identidad y el patrón de todas las partes del
cuerpo.
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Los genes herramienta de la mosca de la fruta se han identificado generalmente a
través de las monstruosidades o catástrofes que se originan cuando son mutados. Las
mutaciones en los genes herramienta procedentes de dos fuentes diferentes han
producido la mayor parte de nuestros conocimientos. La primera fuente consiste en las
mutaciones espontáneas que surgen en las poblaciones de laboratorio. La segunda
fuente
(pág. 418)
(pág. 419)
comprende las mutaciones inducidas al azar por el tratamiento con mutágenos (como
productos químicos o radiación) que aumentan mucho la frecuencia de genes dañados a
lo largo del genoma. Refinamientos elegantes de esta última aproximación han
permitido realizar búsquedas sistemáticas de mutantes que han identificado a muchos
miembros del juego de herramientas genéticas de la mosca. Los genes que forman parte
de estas herramientas constituyen sólo una pequeña fracción, quizás varios cientos de
genes, de los aproximadamente 14 000 genes del genoma de la mosca.
Mensaje. 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 al desarrollo de maneras discretas.
Clasificación de genes según su función en el desarrollo
Una de las primeras tareas después de la ejecución de un rastreo genético para buscar
mutaciones es escoger aquellas que tienen interés. Muchas mutaciones son letales
cuando se encuentran en hemicigosis u homocigosis porque las células no pueden
sobrevivir sin los productos afectados por estas mutaciones. Las mutaciones más
interesantes son aquellas que causan un efecto discreto en el
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(pág. 419)
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plan corporal del embrión o del adulto, o en ambos. Se ha demostrado que es útil
agrupar los genes afectados por las mutaciones en varias categorías basadas en la
naturaleza de sus fenotipos mutantes. Muchos genes herramienta se pueden identificar
según su función en el control de la identidad de las partes del cuerpo (por ejemplo, de
diferentes segmentos o apéndices), la formación de partes del cuerpo (por ejemplo, de
órganos o apéndices), el número de partes del cuerpo, la formación de tipos celulares y
la organización de los ejes corporales primarios (los ejes anteroposterior, o A-P, y
dorsoventral, o D-V).
Empezaremos nuestro inventario de las herramientas genéticas de Drosophila
examinando los genes que controlan la identidad de segmentos y apéndices. Lo
hacemos así por razones históricas y conceptuales. Los genes que controlan la identidad
de segmentos y apéndices fueron de los primeros genes herramienta en ser
identificados. Los descubrimientos posteriores sobre su naturaleza proporcionaron
información muy importante no sólo sobre como funcionan sus productos, sino también
sobre el contenido y funcionamiento de las herramientas genéticas en muchos animales.
Además, sus espectaculares fenotipos mutantes indican que son los genes que actúan
más globalmente de entre los que afectan a la forma. Aprender sobre estos genes
debería abrir nuestro apetito por aprender aún más sobre el conjunto completo de
herramientas que controla el desarrollo de las formas animales.
Genes homeóticos e identidad de los segmentos
Entre las anormalidades más fascinantes descritas en animales están aquellas en las que
una parte del cuerpo normal es sustituida por otra. Estas transformaciones homeóticas se
han observado en la naturaleza en muchas especies, incluyendo moscas de sierra en las
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que se forma una pierna en el lugar de una antena y ranas en las cuales se forma una
vértebra torácica en lugar de una vértebra cervical (Figura 12-3). Mientras que
normalmente en muchas variantes naturales sólo está alterado un miembro de un par
bilateral de estructuras, en los mutantes homeóticos de la mosca de la fruta ambos
miembros del par bilateral están alterados. Estos mutantes homeóticos sólo producen
descendencia idéntica a los progenitores en las generaciones siguientes.
La fascinación científica por los mutantes homeóticos deriva de tres de sus
propiedades. Primero, es sorprendente que una única mutación en un gen pueda alterar
el desarrollo de manera tan radical. Segundo, es muy llamativo que la estructura
formada en el mutante tenga un parecido tan notable a otra parte del cuerpo. Y tercero,
es importante notar que las mutaciones homeóticas transforman la identidad de
estructuras repetidas en serie.
(pág. 420)
(pág. 421)
Los cuerpos de los insectos y de muchos animales están hechos a partir de la repetición
de partes con una estructura similar a modo de bloques de construcción, colocados a
continuación unos de otros. Las alas anteriores y posteriores, los segmentos y las
antenas, patas y partes de la boca de los insectos son conjuntos de partes del cuerpo
repetidas en serie. Las mutaciones homeóticas transforman las identidades dentro de
estos conjuntos.
Una mutación podría causar la pérdida de función de un gen homeótico en un
lugar donde el gen actúa normalmente o podría causar la ganancia de la función
homeótica allí donde el gen no actúa en situación normal. Por ejemplo, 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 de pérdida de
función en Ubx transforman el ala posterior en un ala anterior, mientras que las
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mutaciones dominantes de ganancia de función transforman el ala anterior en un ala
posterior. De un modo similar, las transformaciones de una antena en una pierna de los
mutantes Antennapedia (Antp) están causadas por la ganancia dominante de la función
Antp en la antena. Además de estas transformaciones en la identidad de los apéndices,
las mutaciones homeóticas pueden transformar la identidad de los segmentos, causando
que un segmento del cuerpo del adulto o de la larva se parezca a otro.
Aunque los genes homeóticos se identificaron por primera vez a través de
mutaciones espontáneas que afectaban a moscas adultas, estos genes son necesarios a lo
largo de la mayor parte del desarrollo de una mosca. La búsqueda sistemática de genes
homeóticos ha conducido a la identificación de ocho loci, a los cuales nos referimos
como genes Hox, que afectan la identidad de los segmentos y de sus apéndices
asociados en Drosophila. Generalmente, la pérdida completa de cualquier función de
los genes Hox resulta letal al principio del desarrollo. Las mutaciones dominantes que
transforman a los adultos son viables en heterocigotos porque el alelo salvaje
proporciona la función normal del gen en el animal en desarrollo.
Organización y expresión de los genes Hox
Una característica muy intrigante de los genes Hox es que se encuentran agrupados en
dos complejos génicos situados en el tercer cromosoma de Drosophila. El complejo
Bithorax contiene tres genes Hox, y el complejo Antennapedia contiene cinco genes
Hox. Además, el orden de los genes dentro de los complejos y en el cromosoma se
corresponde con el orden de las regiones corporales, de la cabeza a la cola, bajo la
influencia de cada gen Hox (Figura 12-4).
La relación entre la estructura de los complejos de genes Hox y los fenotipos de
los mutantes en los genes Hox se empezó a aclarar con la caracterización molecular de
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(pág. 421)
(pág. 422)
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. Estos aspectos espaciales de la expresión y regulación génicas son de gran
importancia para comprender la lógica del control genético del desarrollo. En lo que
respecta a los genes Hox y otros genes herramienta, el desarrollo de la tecnología que
permitió visualizar la expresión de proteínas fue decisivo para entender la relación entre
la organización y función de los genes y sus fenotipos mutantes.
Las dos principales técnicas para visualizar la expresión génica en embriones u
otros tejidos son (1) la hibridación in situ para visualizar la expresión de transcritos de
RNA y (2) los métodos inmunológicos para visualizar la expresión de las proteínas
Hox. Cada técnica depende del aislamiento de clones de cDNA que representen el
transcrito de mRNA maduro y la proteína (Figura 12-5).
En el embrión en desarrollo, los genes Hox se expresan en dominios restringidos
espacialmente que en ocasiones se solapan dentro del embrión (Figura 12-6). Los genes
se
(pág. 422)
(pág. 423)
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 correlacionados con las regiones del animal afectadas por las
mutaciones en estos genes. Por ejemplo, el color azul en la Figura 12-6 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
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está alterado en los mutantes Ubx. Ubx también se expresa en el ala posterior pero no en
el ala anterior en desarrollo (Figura 12-7), tal y como se esperaría sabiendo que Ubx
induce el desarrollo del ala posterior y reprime el desarrollo del ala anterior.
Mensaje. La expresión espacial de los genes herramienta está normalmente muy
correlacionada con las regiones del animal afectadas por las mutaciones en esos genes.
Es de gran importancia distinguir entre el papel de los genes Hox en la
determinación de la identidad de una estructura y el control de su formación. En
ausencia de las funciones de todos los genes Hox, los segmentos se forman pero todos
tienen la misma identidad; las extremidades también se pueden formar, pero todas son
antenas; y del mismo modo, se pueden formar las alas, pero son alas anteriores. Otros
genes que se describirán más tarde son los que dirigen la formación de segmentos,
extremidades y alas. Pero primero, debemos comprender como ejercen los genes Hox
sus drásticos efectos en el desarrollo de las moscas.
La caja homeótica
Dado que los genes Hox tienen grandes efectos en la identidad de segmentos completos
y otras estructuras corporales, la naturaleza y función de las proteínas que codifican son
de especial interés. Edward Lewis, un pionero en el estudio de los genes homeóticos,
notó rápidamente que el agrupamiento de los genes del complejo Bithorax sugería que
(pág. 423)
(pág. 424)
los múltiples loci habían surgido mediante duplicación en tándem de un gen ancestral.
Esta idea llevó a los investigadores a buscar similitudes en las secuencias de DNA de
los diferentes genes Hox. Encontraron que los ocho genes Hox de los dos complejos
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eran lo suficientemente similares como para hibridar los unos con los otros. Esta
hibridación resultó ser debida a una corta región de secuencia de 180 pb de longitud.
Este tramo con similitud en la secuencia de DNA fue denominado, por su presencia en
los genes homeóticos, caja homeótica. La caja homeótica codifica un dominio proteico,
el homeodominio, que contiene 60 aminoácidos. Esta secuencia aminoacídica del
homeodominio es muy parecida entre las proteínas Hox (Figura 12-8).
Aunque el descubrimiento de un motivo proteico común en cada una de las
proteínas Hox era apasionante, análisis posteriores de la estructura del homeodominio
revelaron que forma un motivo hélice-giro-hélice (la estructura común del represor Lac,
el represor λ, Cro y las proteínas α2 y a1 de los loci del tipo de apareamiento de
levaduras). Esta similitud inmediatamente sugirió lo que fue posteriormente
confirmado: que las proteínas Hox son secuencias de unión a una secuencia específica
del DNA y que ejercen sus efectos mediante el control de la expresión génica en los
segmentos y apéndices en desarrollo. Así pues, los productos de estos extraordinarios
genes funcionan a través de los principios que ya nos son familiares de los Capítulos 10
y 11, es decir, mediante la unión a elementos reguladores de otros genes para activar o
reprimir su expresión. Veremos que esto es también cierto para muchos otros genes
herramienta: una fracción significativa de estos genes codifica factores de transcripción
que controlan la expresión de otros genes.
Mensaje. Muchos genes herramienta codifican factores de transcripción que regulan la
expresión de otros genes.
Examinaremos un poco más tarde cómo las proteínas Hox y otras proteínas
herramienta organizan la expresión génica en el desarrollo. Pero primero, debemos
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describir aún otro descubrimiento de gran importancia que reveló que lo aprendido a
partir de los genes Hox de mosca tiene implicaciones generales para todo el reino
animal.
Grupos de genes Hox controlan el desarrollo en la mayor parte de los animales
Cuando se descubrió la caja homeótica en los genes Hox de mosca, se planteó la
cuestión de si esta característica era una particularidad de estos extraños genes de las
moscas o si era una característica más ampliamente distribuida en otros insectos o
animales segmentados, por ejemplo. Para abordar esta posibilidad, los investigadores
buscaron cajas homeóticas en los genomas de otros insectos, así como de lombrices de
tierra, ranas, vacas e incluso humanos, y encontraron muchas cajas homeóticas en todos
estos genomas animales.
Las similitudes entre las secuencias de la caja homeótica de diferentes especies
eran asombrosas. En los 60 aminoácidos del homeodominio, algunas proteínas Hox
(pág. 424)
(pág. 425)
de ratón y de rana eran idénticas a las secuencias de mosca en 59 de las 60 posiciones
(Figura 12-9). A la luz de las grandes distancias evolutivas entre estos animales, más de
500 millones de años desde que tuvieron un ancestro común, el grado de similitud de
secuencia indica una presión muy fuerte para mantener la secuencia del homeodominio.
La existencia de genes Hox con cajas homeóticas a lo largo de todo el reino
animal fue totalmente inesperada. Por qué diferentes tipos de animales poseían los
mismos genes reguladores no era algo obvio, y por eso los biólogos se quedaron
sorprendidos de los resultados obtenidos al examinar la organización y expresión de los
genes Hox en otros animales. En los vertebrados, como el ratón de laboratorio, los genes
Hox también están agrupados en cuatro grandes complejos génicos situados en cuatro
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cromosomas distintos. Cada grupo contiene de 9 a 11 genes Hox, un total de 39 genes.
Además, el orden de los genes en los complejos Hox del ratón es paralelo al orden de
sus equivalentes más relacionados en los complejos Hox de la mosca, así como en cada
uno de los otros grupos Hox del ratón (Figura 12-10). Esta correspondencia indica que
(pág. 425)
(pág. 426)
los complejos Hox de insectos y vertebrados están relacionados y que ya existía algún
tipo de complejo Hox en el distante ancestro común. Los cuatro complejos Hox del
ratón surgieron por duplicación de complejos Hox completos (quizás de cromosomas
enteros) en los ancestros vertebrados.
¿Por qué tienen animales tan diferentes conjuntos de genes en común? Su origen
tan antiguo indica que los genes Hox tienen un papel fundamental en el desarrollo de
muchos animales. Ese papel resulta evidente en el análisis de cómo se expresan los
genes Hox en los diferentes animales. En los embriones de vertebrados, los genes Hox
adyacentes se expresan también en dominios adyacentes o que solapan parcialmente a lo
largo del eje anteroposterior. Además, el orden de los genes Hox en los complejos
corresponde al orden que va de la cabeza a la cola de las regiones del cuerpo en las
cuales se expresan dichos genes (Figura 12-10b).
Los patrones de expresión de los genes Hox en los vertebrados sugerían que
estos genes también especificaban la identidad de las distintas partes del cuerpo, y los
análisis posteriores de mutantes en los genes Hox han confirmado esta idea. Por
ejemplo, las mutaciones en los genes Hoxa11 y Hoxd11 causan la transformación
homeótica de las vértebras sacras en vértebras lumbares. Así, al igual que en la mosca,
la pérdida o ganancia de función de los genes Hox en vertebrados causa la
transformación de la identidad de estructuras repetidas en serie. Estos resultados se han
obtenido en varias clases, incluyendo mamíferos, pájaros, anfibios y peces. Además, se
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ha demostrado que las agrupaciones de genes Hox dirigen la formación del patrón de
otros insectos y que su expresión se extiende por diversas regiones a lo largo del eje
anteroposterior en anélidos, moluscos, nematodos, varios artrópodos, cordados
primitivos, gusanos planos y otros animales. Por lo tanto, a pesar de las enormes
diferencias anatómicas, la posesión de una o más agrupaciones de genes Hox que se
expresan en diferentes regiones a lo largo del principal eje corporal es una característica
común y fundamental de al menos todos los animales bilaterales. Es más, las
sorprendentes enseñanzas de los genes Hox presagiaron lo que resultó ser una tendencia
general entre los genes herramienta: el hecho de que muchos genes herramienta son
comunes a diferentes animales.
Mensaje. A pesar de las grandes diferencias anatómicas, muchos genes herramienta son
comunes en una gran variedad de filos animales.
A continuación se realizará un inventario del resto de las herramientas genéticas
para tratar de deducir otros principios generales.
(pág. 426)
(pág. 427)
12.3 Definición del conjunto completo de herramientas genéticas
Los genes Hox son quizás los miembros más conocidos del juego de herramientas
genéticas, pero son sólo una pequeña familia dentro de un grupo mucho mayor de genes
que son necesarios para el desarrollo del número, forma, tamaño y tipo correctos de las
distintas partes del cuerpo. Se conocía muy poco sobre el resto de las herramientas
genéticas hasta finales de los años setenta y principios de los 80, cuando Christine
Nüsslein-Volhard y Eric Wieschaus, trabajando en el Instituto Max Planck en Tübingen,
19
Alemania, se propusieron encontrar los genes necesarios para la formación de la
organización segmental del embrión y la larva de Drosophila.
Hasta sus resultados, la mayor parte del trabajo en el desarrollo de las moscas se
centraba en fenotipos viables del adulto y no en el embrión. Nüsslein-Volhard y
Wieschaus se dieron cuenta de que las clases de genes que estaban buscando eran
probablemente letales para los embriones y larvas en mutantes homocigóticos. Así se
les ocurrió la idea de buscar genes que fueran necesarios en el cigoto (el producto de la
fecundación; Figura 12-12, abajo). También desarrollaron rastreos para identificar
aquellos genes con productos que funcionan en el óvulo, antes de que el genoma del
cigoto sea activo, y que son requeridos para la formación del patrón correcto en el
embrión. 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 dependen sólo del genotipo de la hembra (Figura 12-12, arriba).
En estos rastreos, se identificaron genes que eran necesarios para crear el
número y patrón adecuado de segmentos larvarios, para crear sus tres capas de tejido y
para modelar los detalles finos de la anatomía de un animal. El poder de los rastreos
genéticos radicaba en su naturaleza sistemática. Mediante la saturación de cada uno de
los cromosomas de una mosca (excepto el pequeño cromosoma cuatro) con mutaciones
inducidas químicamente, los investigadores fueron capaces de identificar muchos de los
genes requeridos para construir una mosca. Por sus resultados pioneros, NüssleinVolhard; Wieschaus y Lewis compartieron el Premio Nobel de medicina y fisiología de
1995.
Las características más destacadas y reveladoras de los nuevos mutantes eran
que mostraban defectos importantes pero discretos en la organización o la formación de
patrones del embrión. Es decir, la larva muerta no era una carcasa amorfa sino que
20
exhibía defectos específicos, y a menudo sorprendentes, en la formación de patrones. El
cuerpo de la larva de Drosophila tiene diversas características cuyo número, posición o
patrón pueden servir como marcadores para diagnosticar o clasificar las anormalidades
en animales mutantes. Cada locus podía ser entonces clasificado según el eje corporal
que afectaba y el patrón de defectos causados por las mutaciones.
(pág. 427)
(pág. 428)
Los cruces revelaban si el locus era activo en el óvulo materno o en el cigoto. Cada
clase de genes parecía representar diferentes pasos en el refinamiento progresivo del
plan corporal embrionario, de los genes que afectan grandes regiones del embrión a
aquellos con zonas de influencia más limitadas.
Para cualquier gen herramienta, hay tres datos clave para comprender su
función: (1) el fenotipo mutante, (2) el patrón de expresión génica y (3) la naturaleza del
producto génico. El estudio extensivo de una pocas docenas de genes ha llevado a una
imagen bastante detallada de cómo se establece cada eje corporal y como se subdivide
en segmentos o capas germinales.
Los ejes anteroposterior y dorsoventral
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.

La primera clase 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 12-13), lo que
nos dice que el gen es necesario para el desarrollo de esta región.
21
Las siguientes tres clases son genes activos en el cigoto que son requeridos para
el desarrollo de los segmentos del embrión.

La segunda clase contiene los genes gap. Cada uno de estos genes afecta la
formación de un bloque contiguo de segmentos; las mutaciones en los genes gap dan
lugar a grandes huecos en la segmentación (Figura 12-14).

La tercera clase 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 diferentes partes de cada
doble segmento. Por ejemplo, el gen even-skipped afecta a una serie de límites
segmentales y el gen odd-skipped afecta la serie complementaria de límites (Figura
12-14).

La cuarta clase 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 12-14).
La quinta clase de genes determina el destino de cada segmento.

La quinta clase incluye los genes Hox ya tratados anteriormente; los mutantes Hox
no afectan al número de segmentos, sino que alteran la apariencia de uno o más
segmentos.
El eje dorsoventral también está subdividido en regiones. Varios genes de efecto
materno, como dorsal, son necesarios para iniciar el establecimiento de la polaridad
22
dorsoventral normal del embrión. Los mutantes dorsal carecen de estructuras ventrales
(como el mesodermo y el sistema nervioso). Un puñado de genes activos en el cigoto
también es necesario para la subdivisión del eje dorsoventral.
Expresión de los genes herramienta
Para entender la relación entre genes y fenotipos mutantes, es importante conocer el
momento y el lugar de sus patrones de expresión y la naturaleza molecular de sus
productos génicos. Los patrones de expresión de los genes herramienta presentan una
correspondencia exacta con sus fenotipos, ya que con frecuencia están correlacionados
de una forma muy precisa con las partes del cuerpo en desarrollo que están alteradas en
los mutantes. Cada gen se
(pág. 428)
(pág. 429)
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
del embrión que falta en los mutantes (Figura 12-15). Las proteínas de regla par se
expresan en llamativos patrones de bandas: se puede ver una banda transversal de
expresión cada 2 segmentos, con un total de 7 bandas que cubren los 14 segmentos del
futuro cuerpo (la posición y periodicidad de las bandas corresponde a la periodicidad de
los defectos en larvas mutantes), tal como se muestra en la Figura 12-15c. Muchos
genes de polaridad de segmento se expresan en bandas dentro de cada segmento, 14
bandas en total (Figura 12-15d). Nótese que los dominios de expresión génica se
vuelven progresivamente más refinados a medida que avanza el desarrollo: los genes se
expresan primero en grandes regiones (proteínas gap), después en bandas de tres o
23
cuatro células de ancho (proteínas de regla par) y más tarde en bandas de una a dos
células de ancho (proteínas de polaridad de segmento).
Entre los genes que determinan el patrón del eje dorsoventral, la proteína Dorsal
se expresa en un gradiente a lo largo del eje dorsoventral, con su nivel de acumulación
más alto en
(pág. 429)
(pág. 430)
las células ventrales (Figura 12-16a). Varios genes cigóticos que intervienen en la
formación del patrón dorsoventral se expresan en diferentes subregiones a lo largo del
eje dorsoventral, que se corresponden con las regiones que originan las diferentes capas
de tejido como el mesodermo y el neuroectodermo (la parte del ectodermo que origina
el sistema nervioso ventral), como se muestra en la Figura 12-16b.
Aparte de lo que hemos aprendido de los patrones espaciales de expresión de los
genes herramienta, su orden de expresión a lo largo del tiempo sigue una lógica. La
proteína de efecto materno Bicoid aparece antes que las proteínas gap cigóticas, las
cuales se expresan antes de la aparición de los patrones de 7 bandas de las proteínas de
regla par, que a su vez preceden a los patrones de 14 bandas de las proteínas de
polaridad de segmentos. Del mismo modo, el gradiente de la proteína Dorsal se forma
antes de las bandas longitudinales de los genes cigóticos que intervienen en la
formación del patrón del eje dorsoventral. El orden de la expresión génica y el
progresivo refinamiento de dominios dentro del embrión revelan que la construcción del
plan corporal es un proceso que se realiza paso a paso, en que las subdivisiones
principales del cuerpo se esbozan primero para luego pulirse hasta establecer un patrón
muy detallado. El orden de acción de los genes sugiere además que la expresión de un
conjunto de genes podría dirigir la expresión del conjunto sucesivo de genes.
24
Un indicio de que esta progresión es efectivamente lo que ocurre proviene de
analizar los efectos de mutaciones en ciertos genes herramienta sobre la expresión de
otros genes herramienta. Por ejemplo, en embriones de madres mutantes para bicoid,
está alterada la expresión de diversos genes gap, así como la de genes de regla par y de
polaridad de segmento. Este descubrimiento sugiere que la proteína Bicoid de alguna
manera (directa o indirectamente) influye en la regulación de los genes gap.
Otra pista sobre el hecho de que la expresión de un conjunto de genes podría
dirigir la expresión del siguiente conjunto de genes se puede obtener examinando los
productos proteicos. La inspección de la secuencia de la proteína Bicoid revela que
contiene un homeodominio relacionado con los de las proteínas Hox pero distinto. Así
pues, Bicoid tiene las propiedades de un factor de transcripción que se une al DNA.
Cada uno de los genes gap también codifica un factor de transcripción, al igual que cada
gen de regla par, varios genes de polaridad de segmento, el gen dorsal y varios genes de
la formación del patrón del eje dorsoventral. Estos factores de transcripción incluyen
representantes de muchas familias conocidas de proteínas de unión a secuencias
específicas del DNA; por tanto, aunque no hay ninguna restricción en lo que concierne a
qué familia podrían pertenecer, muchas proteínas herramienta que actúan al inicio del
desarrollo son factores de transcripción. Aquellas proteínas que no son factores de
transcripción tienden a ser componentes de las rutas de señalización (Tabla 12-1). Estas
rutas, mostradas de forma genérica en la Figura 12-17, median los procesos de
señalización inducida por un ligando, y su resultado generalmente lleva a la activación o
represión
(pág. 430)
(pág. 431)
Figura y tabla
(pág. 431)
25
(pág. 432)
génica. Por tanto, la mayor parte de proteínas herramienta afectan la regulación génica
de forma directa (como factores de transcripción) o indirecta (como componentes de
rutas de señalización).
Mensaje. La mayor parte de proteínas herramienta son factores de transcripción o
componentes de rutas de transducción de señales mediadas por un ligando.
El control genético del desarrollo es fundamentalmente una cuestión de
regulación génica en el tiempo y el espacio. ¿Cómo se construye una forma animal
activando y desactivando los genes herramienta? ¿Y cómo se coreografía todo esto
durante el desarrollo? Para contestar a estas preguntas, examinaremos en mayor detalle
las interacciones entre los genes y proteínas herramienta de la mosca. Los mecanismos
que veremos para controlar la expresión de los genes herramienta en el embrión de
Drosophila han servido como modelo para la regulación espacial de la expresión génica
en el desarrollo animal en general.
12.4 Regulación espacial de la expresión génica en el desarrollo
Hemos visto que los genes herramienta se expresan respecto a unas coordenadas en el
embrión. Pero ¿cómo se convierten estas coordenadas espaciales del embrión en
desarrollo en instrucciones para los genes, para activarlos o desactivarlos siguiendo
patrones precisos? Como se describe en los Capítulos 10 y 11, el control fisiológico de
la expresión génica en bacterias y eucariotas simples está fundamentalmente dirigido
por proteínas de unión a una secuencia específica del DNA que actúan en elementos
reguladores en cis (por ejemplo, operadores y secuencias de activación aguas arriba o
26
elementos UAS). De un modo similar, 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. Sin embargo, el control espacial y temporal de
la regulación génica en el desarrollo de un embrión pluricelular tridimensional requiere
la acción de muchos más factores de transcripción actuando en un mayor número de
elementos reguladores en cis más complejos.
Para definir una posición dentro de un embrión, debe existir información
reguladora que permita distinguir esa posición de las regiones adyacentes. Si nos
imaginamos un embrión tridimensional como una esfera, se debe especificar
información posicional que indique la longitud (localización a lo largo del eje
anteroposterior), latitud (localización a lo largo del eje dorsoventral) y altitud o
profundidad (posición en las capas germinales). Explicaremos los principios generales
sobre cómo se especifican las posiciones de expresión génica con tres ejemplos. Estos
ejemplos deberían considerarse sólo como unas pocas instantáneas del enorme número
de interacciones reguladoras que dirigen el desarrollo animal y de la mosca. El
desarrollo es un proceso continuo en el cual cada patrón de actividad génica tiene una
base causal precedente. El proceso completo incluye decenas de miles de interacciones
reguladoras y sus correspondientes resultados.
Nos centraremos en algunas conexiones entre genes en diferentes niveles de las
jerarquías que trazan el plan segmental básico del cuerpo, y en puntos nodales donde
genes clave integran múltiples aportaciones reguladoras y responden mediante la
producción de señales reguladoras más simples.
Gradientes maternales y activación génica
27
La proteína Bicoid es un factor de transcripción que contiene un homeodominio y que
se traduce 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. Esta difusión establece un gradiente en la concentración de
proteína (Figura 12-18a): la proteína Bicoid está a concentración muy elevada en el
extremo anterior y esta concentración disminuye gradualmente al aumentar la distancia
desde ese extremo, hasta que hay muy
(pág. 432)
(pág. 433)
poca proteína Bicoid más allá de la mitad del embrión. Este gradiente de concentración
proporciona información posicional acerca de la localización a lo largo del eje
anteroposterior. Una alta concentración significa extremo anterior, una concentración
baja es el medio y así sucesivamente. Así pues, una manera de asegurar que un gen es
activado sólo en una posición determinada a lo largo del eje es ligar la expresión génica
al nivel de concentración. Un buen ejemplo son los genes gap, los cuales deben ser
activados en regiones específicas a lo largo del eje.
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 tres sitios situados aguas arriba del promotor del
gen hunchback. Bicoid se une a estos sitios cooperativamente; es decir, la unión de una
molécula de proteína Bicoid a un sitio facilita la unión de otras moléculas de Bicoid a
sitios cercanos.
Realizando algunas pruebas in vivo se puede ver como la activación de
hunchback depende del gradiente de concentración. Estas pruebas requieren unir las
28
secuencias reguladoras del gen estudiado a un gen informador (un gen codificador de
una enzima como el gen lacZ o la proteína fluorescente verde 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 12-19). 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.
(pág. 433)
(pág. 434)
Cada gen gap contiene elementos reguladores que actúan en cis con diferentes
combinaciones de sitios de unión, y estos 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 diferentes niveles de Bicoid y de
otros gradientes de factores de transcripción. Una situación parecida se puede encontrar
en la formación del patrón del eje dorsoventral: elementos reguladores que actúan en cis
contienen diferentes números y combinaciones de sitios de unión para Dorsal y otros
factores de transcripción dorsoventrales. De esta manera, los genes son activados en
dominios discretos a lo largo del eje dorsoventral.
29
Mensaje. La respuesta de los genes en función de las diferencias 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 distintas respuestas contienen diferentes números y combinaciones
de sitios de unión para factores de transcripción.
Dibujando bandas: integración de las aportaciones de las proteínas gap
La expresión de cada gen de regla par en siete bandas es el primer signo de la
organización periódica del embrión y futuro animal. ¿Cómo se generan estos patrones
periódicos a partir de una información previa aperiódica? Antes del análisis molecular
de la regulación de los genes de regla par, se propusieron varios modelos para explicar
la formación de las bandas. Cada
(pág. 434)
(pág. 435)
una de estas ideas veía las siete bandas como resultados idénticos en respuesta a
aportaciones idénticas. Sin embargo, la verdadera manera en que se codifican y generan
los patrones de unos pocos genes de regla par claves es cada banda por separado. La
solución al misterio de la generación de las bandas subraya uno de los conceptos más
importantes en lo que se refiere al control espacial de la regulación génica en animales
en desarrollo; a saber, que distintos elementos reguladores en cis de determinados genes
están controlados de modo independiente.
El descubrimiento clave fue que cada una de las siete bandas que forman los
patrones de expresión de los genes de regla par even-skipped y hairy está controlada
independientemente. Considere la segunda banda expresada por el gen even-skipped
(Figura 12-20a). Esta banda se encuentra dentro de la extensa región de expresión de
hunchback y a los bordes de las regiones de expresión de otras dos proteínas gap
30
(Figura 12-20b). Así pues, dentro del área de la futura banda, habrá grandes cantidades
de proteína Hunchback y pequeñas cantidades de las proteínas Giant y Krüppel.
También habrá una cierta concentración de la proteína de efecto materno Bicoid.
Ninguna otra banda del embrión contendrá estas proteínas en estas proporciones. La
formación
(pág. 435)
(pág. 436)
de la banda 2 es controlada por un elemento regulador en cis específico, un
intensificador, que contiene un cierto número de sitios de unión para estas cuatro
proteínas (Figura 12-20c). El intensificador para la banda 3 contendrá una combinación
diferente de sitios de unión, y así sucesivamente. Por tanto, el patrón periódico
completo es la suma de diferentes conjuntos de aportaciones en elementos reguladores
en cis separados. Un análisis detallado del elemento regulador en cis de la banda 2 de
eve reveló que la posición de esta “simple” banda está controlada por no menos de
cuatro factores de transcripción distribuidos de forma no periódica, incluyendo una
proteína materna y tres proteínas gap.
En concreto, el elemento de la banda 2 de eve contiene múltiples sitios para la
proteína materna Bicoid y las proteínas gap Hunchback, Giant y Krüppel (Figura 1220d). Análisis mutacionales de diferentes combinaciones de sitios de unión revelaron
que Bicoid y Hunchback activan la expresión de eve en una amplia región. Las
proteínas Giant y Krüppel son represoras que delimitan los límites de la banda a una
amplitud de tan sólo unas pocas células. El elemento de la banda 2 de eve actúa
entonces como un interruptor genético integrando la actividad de múltiples proteínas
reguladoras para producir una banda de expresión de tres o cuatro células de ancho en el
embrión.
31
Mensaje. La regulación de elementos reguladores en cis mediante combinaciones de
activadores y represores es una característica común en la regulación espacial de la
expresión génica. Con frecuencia, patrones complejos de aportaciones reguladoras son
integrados para producir como resultado patrones más simples.
Diferenciación de los segmentos: la integración de las aportaciones de los genes
Hox
La actividad combinada y secuencial de las proteínas de efecto materno, gap, regla par y
polaridad de segmento establece el plano corporal segmentado básico del embrión y la
larva. Pero, ¿cómo se establecen las diferentes identidades de cada segmento mediante
las proteínas Hox? Este proceso tiene dos aspectos. Primero, los genes Hox se expresan
en diferentes dominios a lo largo del eje anteroposterior. La expresión de los genes Hox
está controlada principalmente por proteínas de segmentación, especialmente proteínas
gap, a través de mecanismos similares a los ya descritos aquí (así como cierta
regulación cruzada por parte de proteínas de otros genes Hox). La regulación de los
genes Hox no se tratará aquí en profundidad. El segundo aspecto del control de la
identidad de los segmentos por parte de los genes Hox es la regulación de los genes
diana mediante proteínas Hox. Examinaremos un ejemplo que ilustra muy bien como
una característica principal del plano corporal de la mosca de la fruta es controlada a
través de la integración de muchas aportaciones reguladoras diferentes mediante un
único elemento regulador en cis.
Los pares de extremidades, las partes de la boca y las antenas de Drosophila se
desarrollan cada uno de ellos a partir de pequeñas poblaciones iniciales de unas 20
células. A partir de diferentes segmentos de la cabeza y el tórax se desarrollan diversas
estructuras, mientras que el abdomen no tiene apéndices. El primer signo del desarrollo
32
de estas estructuras es la activación de genes reguladores dentro de pequeños grupos de
células, que son los denominados primordios de los apéndices. La expresión del gen
Distal-less (Dll) marca el inicio del desarrollo de los apéndices. Este gen es una de las
dianas clave de los genes Hox y su función es requerida para el subsiguiente desarrollo
de las partes distales de cada uno de estos apéndices. Las pequeñas agrupaciones de
células que expresan Distal-less surgen en varios segmentos de la cabeza y en cada uno
de los tres segmentos torácicos, pero no en el abdomen (Figura 12-21a).
¿Cómo se restringe la expresión de Distal-less a los segmentos más anteriores?
Mediante la represión de su expresión en el abdomen. Existen evidencias que revelan
que el gen Distal-less es reprimido por dos proteínas Hox (Ultrabithorax y AbdominalA) trabajando en colaboración con dos proteínas de segmentación. Fíjese en la Figura
12-6 que Ultrabithorax se expresa en los segmentos abdominales del uno al siete, y
Abdominal-A se expresa en los segmentos abdominales del dos al siete, de manera que
solapa todos excepto el primer segmento cubierto por Ultrabithorax. En embriones
mutantes Ultrabithorax, la expresión de Distal-less se extiende al primer segmento
(pág. 436)
(pág. 437)
abdominal (Figura 12-21b) y en embriones mutantes dobles Ultrabithorax/abdominalA, la expresión de Distal-less se extiende a lo largo de los primeros siete segmentos
abdominales (Figura 12-21c), lo que indica que ambas proteínas son necesarias para
reprimir la expresión de Distal-less en el abdomen.
El elemento regulador en cis responsable de la expresión de Distal-less en el
embrión ha sido identificado y caracterizado en detalle (Figura 12-22a) y contiene dos
sitios de unión para las proteínas Hox. Si estos dos sitios de unión están mutados de
manera que las proteínas no se pueden unir, la expresión de Distal-less deja de estar
reprimida en el abdomen (Figura 12-22b). Varias proteínas adicionales colaboran con
33
las proteínas Hox en la represión de Distal-less. Dos de ellas son proteínas codificadas
por genes de polaridad de segmento, sloppy-paired (slp) y engrailed (en). Las proteínas
Sloppy-paired y Engrailed se expresan en bandas que marcan los compartimentos
anterior y posterior de cada segmento respectivamente. Cada proteína también se une al
elemento regulador en cis de Distal-less. Cuando el sitio de unión de Sloppy-paired está
mutado en el elemento regulador en cis, la expresión de un gen informador deja de estar
reprimida en los compartimentos anteriores de los segmentos abdominales (Figura 1222c). Cuando es el sitio de unión de Engrailed el que está mutado, la expresión de un
gen informador deja de ser reprimida en los compartimentos posteriores de cada
segmento abdominal (Figura 12-22d). Y cuando los sitios de unión de ambas proteínas
están mutados, la expresión de un gen informador deja de reprimirse en los dos
compartimentos de cada segmento abdominal, justo como cuando están mutados los
sitios de unión de las proteínas Hox
(pág. 437)
(pág. 438)
Figura
(pág. 438)
(pág. 439)
(Figura 12-22e). Otras dos proteínas, llamadas Extradenticle y Homothorax, que son
ampliamente expresadas en cada segmento, también se unen al elemento regulador en
cis de Distal-less y son necesarias para la represión transcripcional en el abdomen
(Figura 12-22f).
Así pues, en conjunto, dos proteínas Hox y otros cuatro factores de transcripción
se unen en un espacio de 57 pares de bases y actúan conjuntamente para reprimir la
expresión de Distal-less y, por tanto, la formación de apéndices en el abdomen. La
represión de la expresión de Distal-less es una clara demostración de cómo las proteínas
34
Hox regulan la identidad de los segmentos y el número de estructuras corporales
repetidas. Es también un buen ejemplo de cómo diversas aportaciones reguladoras
convergen y actúan combinatoriamente en elementos reguladores en cis. En este caso, la
presencia de sitios de unión de proteínas Hox no es suficiente para la represión
transcripcional: son necesarias interacciones combinatorias y cooperativas entre varias
proteínas para reprimir completamente la expresión génica en el abdomen.
Mensaje. La regulación combinatoria y cooperativa de la transcripción génica impone
una especificidad mayor en los patrones espaciales de expresión génica y permite una
mayor diversidad.
Aunque la diversidad evolutiva no se ha tratado explícitamente en este capítulo,
la presencia de múltiples elementos reguladores en cis independientes para cada gen
herramienta tiene profundas implicaciones para la evolución de la forma.
Específicamente, la modularidad de estos elementos permite cambios en un aspecto de
la expresión génica independientemente de otras funciones génicas. La evolución de la
regulación génica desempeña un papel fundamental en la evolución de la morfología.
Retornaremos a este tema en el Capítulo 19.
12.5 Regulación postranscripcional de la expresión génica en el desarrollo
Aunque la regulación transcripcional es la vía principal para restringir la expresión de
los productos génicos a unas áreas definidas durante el desarrollo, no es en absoluto la
única manera de lograrlo. El corte y empalme alternativo del mRNA también contribuye
a la regulación génica, al igual que la regulación de la traducción del mRNA mediante
proteínas y microRNAs (miRNAs). En cada caso, factores de empalme, proteínas de
35
unión al mRNA o miRNAs reconocen las secuencias reguladoras del mRNA, que de
este modo pueden controlar la estructura del producto proteico, su cantidad o el lugar
donde se fabrica la proteína. Veremos un ejemplo de cada tipo de interacción reguladora
al nivel del RNA.
El corte y empalme del RNA y la determinación del sexo en Drosophila
Una decisión fundamental en el desarrollo de organismos con reproducción sexual es la
especificación del sexo. En los animales, el desarrollo de muchos tejidos sigue
diferentes vías en función del sexo del individuo. En Drosophila, se han identificado
muchos genes que dirigen la determinación del sexo a través del análisis de fenotipos
mutantes con una identidad sexual alterada o ambigua.
(pág. 439)
(pág. 440)
El gen doublesex (dsx) desempeña un papel central en el control de la identidad
sexual de tejidos somáticos (no pertenecientes a la línea germinal). Las mutaciones que
inactivan dsx causan que tanto hembras como machos se desarrollen como intersexos
intermedios, que han perdido las diferencias distintivas entre tejidos femeninos y
masculinos. Aunque la función de dsx es requerida en ambos sexos, en los dos sexos se
producen diferentes productos génicos a partir de este mismo locus. En machos, el
producto es una isoforma específica y más larga, DsxM, que contiene una región Cterminal exclusiva de 150 aminoácidos que no se encuentra en la isoforma específica de
hembras DsxF, que en su lugar tiene una secuencia de 30 aminoácidos en su extremo
carboxi-terminal. Cada una de las formas de la proteína Dsx es un factor de
transcripción que aparentemente se une al DNA en las mismas secuencias. Sin embargo,
las actividades de las dos isoformas difieren: DsxF activa ciertos genes diana en
hembras que DsxM reprime en machos.
36
Las formas alternativas de la proteína Dsx se generan mediante corte y empalme
alternativo del transcrito primario de dsx. Por tanto, en este caso, la elección de los
sitios de corte y empalme debe estar regulada para producir mRNAs maduros que
codifiquen diferentes proteínas. Los
(pág. 440)
(pág. 441)
diversos factores genéticos que influyen en la expresión de Dsx y la determinación del
sexo se han identificado mediante mutaciones que afectan el fenotipo sexual.
Un regulador clave es el producto del gen transformer (tra). Mientras que las
mutaciones que inactivan tra no tienen ningún efecto en los machos, las hembras XX de
mosca que son portadoras de mutaciones en tra se transforman fenotípicamente en
machos. La proteína Tra es un factor de corte y empalme alternativo que afecta la
elección de los sitios de corte y empalme en el transcrito de dsx. En presencia de Tra (y
de una proteína relacionada llamada Tra2), tiene lugar un corte y empalme que
incorpora el exón 4 del gen dsx al transcrito maduro dsxF (Figura 12-23), pero no los
exones 5 y 6. Los machos carecen de Tra, por tanto este corte y empalme no ocurre y
los exones 5 y 6 se incorporan al transcrito dsxM, pero no el exón 4 (Figura 12-23).
La proteína Tra explica como se expresan formas alternativas de Dsx, pero,
¿cómo se regula la expresión de la propia Tra para que sea diferente en hembras y
machos? El propio RNA de tra experimenta un corte y empalme alternativo. En
hembras, está presente un factor de corte y empalme codificado por el gen Sex-lethal
(Sxl). Este factor se une al RNA de tra y evita un corte y empalme que de otro modo
incorporaría un exón que contiene un codón stop. En machos, no se produce la proteína
Tra porque este codón stop está presente.
La producción de la proteína Sex-lethal es, a su vez, regulada por corte y
empalme de RNA y por factores que alteran el nivel de transcripción. El nivel de
37
transcripción de Sxl está controlado por activadores en el cromosoma X y por represores
en los autosomas. En hembras, prevalece la activación de Sxl y se produce la proteína
Sxl, la cual regula el corte y empalme del RNA de tra y se retroalimenta para regular el
corte y empalme del propio RNA de Sxl. En hembras, un codón stop es eliminado por
corte y empalme para que la producción de la proteína Sxl pueda continuar. Sin
embargo, en machos, donde no hay proteína Sxl, el codón stop está aún presente en el
transcrito de RNA sin cortar ni empalmar de Sxl y no se pude producir la proteína Sxl.
Esta cascada de corte y empalme específico de sexo en D. melanogaster ilustra
una manera en que el genotipo de los cromosomas sexuales conduce a la expresión de
diferentes formas de proteínas reguladoras en un sexo pero no en el otro. Es muy
interesante el hecho de que la regulación genética de la determinación del sexo difiera
mucho entre especies animales, de manera que el genotipo sexual puede conducir a la
expresión diferencial de genes reguladores a través de rutas claramente distintas. Sin
embargo, las proteínas relacionadas con Dsx desempeñan un papel en la diferenciación
sexual en una amplia variedad de animales, incluyendo los humanos. Así pues, aunque
hay muchas maneras de generar la expresión diferencial de factores de transcripción,
una familia de proteínas similares parece intervenir en la diferenciación sexual en
muchos casos.
Regulación de la traducción del mRNA y los linajes celulares en C. elegans
En muchas especies animales, el desarrollo temprano del embrión conlleva la división
de células o grupos de células en linajes discretos que originarán los distintos tejidos en
el adulto. Este proceso se conoce mejor en el gusano nematodo C. elegans, en el que el
animal adulto se compone de tan sólo unas 1000 células somáticas (una tercera parte de
las cuales son células nerviosas) y de un número similar de células germinales en la
38
gónada. Su construcción simple, su ciclo de vida rápido y su transparencia han hecho de
C. elegans un potente modelo para el análisis del desarrollo (véase el recuadro
Organismo modelo sobre Caenorhabditis elegans en la página 442). Todos los linajes
celulares de este animal fueron cartografiados en una serie de elegantes estudios
dirigidos por John Sulston en el laboratorio del Medical Research Council (MRC) en
Cambridge, Inglaterra. El rastreo genético sistemático en busca de mutaciones que
interrumpan o extiendan linajes celulares ha proporcionado una gran riqueza de
información sobre el control genético de las decisiones que determinan cada linaje. La
genética de C. elegans ha sido especialmente importante en la comprensión del papel de
la regulación postranscripcional a nivel del RNA. En este capítulo se examinarán dos
mecanismos: (1) el control de la traducción mediante proteínas de unión al mRNA y (2)
el control de la expresión génica mediante miRNA.
Control de la traducción en el embrión temprano
Primero observaremos cómo empieza un linaje celular. Después de dos divisiones
celulares, el embrión de C. elegans contiene cuatro células, llamadas blastómeros. Cada
célula iniciará un linaje distinto,
(pág. 441)
(pág. 442)
Organismo modelo: Caenorhabditis elegans
El nematodo Caenorhabditis elegans como modelo para las decisiones sobre el
destino de los linajes celulares
En los últimos 20 años, los estudios del gusano nematodo Caenorhabditis elegans
(véase el Diagrama 1) han avanzado mucho nuestra comprensión del control genético de
las decisiones que determinan los linajes celulares. La transparencia y construcción
simple de este animal llevó a Sydney Brenner a proponer su uso como organismo
39
modelo. El gusano adulto contiene unas 1000 células somáticas e investigadores,
dirigidos por John Sulston, han cartografiado cuidadosamente la totalidad de las
decisiones tomadas en las células somáticas para producir el animal adulto.
Algunas de las decisiones para especificar un linaje, como la formación de la
vulva, han sido modelos clave de las llamadas interacciones inductivas en el desarrollo,
donde la señalización entre células induce cambios en el destino celular y la formación
de órganos (véase el Diagrama 2). Mediante rastreos genéticos exhaustivos se han
identificado muchos de los componentes que participan en la señalización y la
transducción de señales que intervienen en la formación de la vulva.
En algunas de las divisiones celulares del embrión y la larva, en particular en
aquellas células que formarán parte del sistema nervioso del gusano, una célula
progenitora origina dos células hijas, una de las cuales entonces experimenta muerte
celular programada. El análisis de mutantes en los que la muerte celular programada no
funciona correctamente, dirigido por Robert Horvitz, ha revelado muchos componentes
de las rutas de muerte celular programada comunes en la mayoría de los animales.
Sydney Brenner, John Sulston y Robert Horvitz compartieron el Premio Nobel de 2002
en fisiología y medicina por su trabajo pionero basado en C. elegans.
(pág. 442)
(pág. 443)
y los descendientes de estos linajes separados tendrán diferentes destinos. Ya en esta
fase, se observan diferencias en las proteínas presentes en los cuatro blastómeros. Como
era de esperar después de todo lo aprendido hasta ahora, muchas de estas proteínas son
proteínas herramienta que determinan qué genes se expresarán en las células
descendientes. Lo que sí resulta sorprendente es que los mRNAs que codifican algunas
proteínas herramienta del gusano están presentes en todas las células del embrión
temprano. Sin embargo, en una célula específica, sólo algunos de estos mRNAs serán
40
traducidos a proteínas. En el embrión de C. elegans, la regulación postranscripcional es
crítica para la correcta especificación de los destinos celulares tempranos. Durante la
primera división celular, la polaridad dentro del cigoto conduce a la división de las
moléculas reguladoras en células embrionarias específicas. Por ejemplo, el gen glp-1
codifica una proteína transmembrana receptora (relacionada con el receptor Notch de
moscas y otros animales). Aunque el mRNA de glp-1 está presente en todas las células
en el estadio de cuatro células, la proteína GLP-1 se traduce sólo en las dos células
anteriores ABa y ABp (Figura 12-24a). Esta expresión localizada de GLP-1 es crítica
para establecer distintos destinos. Las mutaciones que eliminan la función de glp-1 en la
fase de cuatro células alteran los destinos de las células descendientes de ABp y ABa.
(pág. 443)
(pág. 444)
GLP-1 está restringida a las células anteriores debido a la represión de su
traducción en las células posteriores. La represión de la traducción de GLP-1 requiere la
presencia de ciertas secuencias en el 3’ UTR del mRNA de glp-1, más específicamente,
una región de 61 nucleótidos denominada región de control espacial (SCR; del inglés,
spatial control region). La importancia de la SCR se ha demostrado ligando un mRNA
transcrito a partir de un gen informador a diferentes variantes de la SCR. La deleción de
esta región o la mutación de posiciones clave dentro de ella hacen que el gen
informador se exprese en los cuatro blastómeros del embrión temprano (Figura 12-24b).
Basándonos en lo que conocemos sobre el control de la transcripción, podríamos
pronosticar que una proteína se une a la SCR para reprimir la traducción del mRNA de
glp-1. Para identificar estas proteínas represoras, los investigadores aislaron proteínas
que se unen a la SCR. Una proteína, GLD-1, se une específicamente a una región de la
SCR. Además, la proteína GLD-1 está enriquecida en los blastómeros posteriores
41
(Figura 12-24c). Esta evidencia sugiere que GLD-1 es una proteína represora de la
traducción que controla la expresión de glp-1.
La regulación espacial de la traducción de GLP-1 es sólo un ejemplo de control
de la traducción en el desarrollo o mediante GLD-1. Muchos otros mRNAs están
regulados de este modo, y GLD-1 se une a otros mRNAs diana en células embrionarias
y de la línea germinal.
Mensaje. Las proteínas de unión al RNA en secuencias específicas actúan a través de
secuencias del RNA que actúan en cis para regular el patrón espacial de traducción de
proteínas.
El control mediante miRNAs del patrón temporal del desarrollo en C. elegans y
otras especies
El desarrollo es un proceso ordenado espacial y temporalmente. El momento en que
ocurre cada acontecimiento es tan importante como el lugar. Las mutaciones en los
genes heterocrónicos de C. elegans han proporcionado información sobre el control del
patrón temporal del desarrollo. Las mutaciones en estos genes alteran la coordinación
temporal de los acontecimientos en la especificación del destino celular, causando que
éstos ocurran repetidamente o se omitan. Una investigación detallada de los productos
de los genes heterocrónicos llevó al descubrimiento de un mecanismo completamente
inesperado de regulación de la expresión génica: a través de microRNAs.
Los primeros miembros de esta clase de moléculas reguladoras descubiertas en
C. elegans son los RNAs producidos por los genes lin-4 y let-7. El gen lin-4 dirige la
transición de la primera a la segunda fase larvaria, mientras que let-7 regula la
transición de los destinos celulares larvarios a los adultos. En los mutantes let-7, por
42
ejemplo, los destinos celulares larvarios se repiten en la fase adulta (Figura 12-25a). En
cambio, un aumento de la dosis del gen let-7 causa la especificación precoz de los
destinos adultos en las fases larvarias.
Ni let-7 ni lin-4 codifican proteínas. let-7 codifica un RNA de 22 nucleótidos
regulado temporalmente que es procesado a partir de un precursor de aproximadamente
70 nucleótidos. El RNA maduro es complementario a secuencias de las regiones 3’ no
traducidas de una variedad de genes regulados a lo largo del desarrollo, y la unión del
miRNA a estas secuencias impide la traducción de estos transcritos. Uno de estos genes
diana, lin-41, también afecta la transición de larva a adulto. Los mutantes lin-41
presentan una especificación precoz de los destinos celulares adultos, lo que sugiere que
el efecto de la sobreexpresión de let-7 es debido al menos en parte a un efecto en la
expresión de lin-41. El RNA let-7 se une al mRNA lin-41 in vitro en varias posiciones
complementarias imperfectas (Figura 12-25b).
El papel de los miRNAs en el desarrollo de C. elegans se extiende mucho más
allá de estos dos genes. Se han identificado varios cientos de miRNAs, y se ha
demostrado que muchos
(pág. 444)
(pág. 445)
genes diana son regulados a través de miRNAs. Además, el descubrimiento de esta
clase de RNAs reguladores impulsó la búsqueda de estos genes en otros genomas y, por
lo general, se han detectado cientos de genes miRNA candidatos en los genomas
animales, incluyendo el humano.
Resulta bastante sorprendente que el gen miRNA let-7 está ampliamente
conservado y se encuentra en los genomas de Drosophila, ascidias, moluscos, anélidos
y vertebrados (incluyendo los humanos). El gen lin-41 también está conservado y
existen evidencias que sugieren que la interacción reguladora entre let-7 y lin-41
43
también controla el patrón temporal de los acontecimientos en el desarrollo de otras
especies.
Los descubrimientos de la regulación por miRNAs de los genes del desarrollo y
del alcance del repertorio de miRNAs son muy recientes. Los genetistas y otros
biólogos están entusiasmados con el papel de esta clase de moléculas reguladoras en el
desarrollo y la fisiología, lo que está originando una nueva área de investigación muy
vigorosa y dinámica.
12.6 Los múltiples papeles de los genes herramienta
Hemos visto que las proteínas herramienta y los RNAs reguladores realizan múltiples
papeles en el desarrollo. Por ejemplo, recuerde que 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. De un modo parecido, Sloppy-paired y Engrailed participan
en la generación de la organización segmental básica del embrión y colaboran con las
proteínas Hox para suprimir la formación de extremidades. 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) es casi siempre
dependiente 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.
44
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 humanos. Esta proteína herramienta es el
homólogo en vertebrados del gen hedgehog de Drosophila. El gen hedgehog fue
identificado por primera vez por Nüsslein-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.
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 (véase el Capítulo
13) fue una vía rápida para la identificación de genes herramienta en vertebrados. La
aplicación de esta estrategia al gen hedgehog ilustra la potencia y los beneficios de usar
la homología para descubrir genes importantes. 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
45
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 12-2b). Para
(pág. 445)
(pág. 446)
comprobar si Shh podría desempeñar un papel en la función de la ZPA, Cliff Tabin y
sus colegas de la Harvard Medical School 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 1226a). 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).
Los papeles tan espectaculares y diversos de Shh son un claro ejemplo de las
diferentes funciones realizadas por los genes herramienta en diferentes lugares y
46
momentos a lo largo del desarrollo. Los resultados de la señalización Shh son diferentes
en cada caso: la ruta de señalización Shh inducirá la expresión de un conjunto de genes
en la extremidad en desarrollo, un conjunto distinto en el rudimento de las plumas y aún
otro conjunto diferente en la placa del suelo. ¿Cómo son capaces los diferentes tejidos y
tipos celulares de responder de modo diferente a la misma molécula señalizadora? El
resultado de la señalización Shh depende del contexto proporcionado por otros genes
herramienta que actúan en el mismo momento.
Mensaje. 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.
12.7 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. Se han identificado un gran número de mutaciones en genes
herramienta que afectan el desarrollo y la salud humanos. Este apartado se centrará en
unos cuantos 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.
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
47
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 que las distinguen de mutaciones en las regiones codificadoras.
Primero, como afectan a la regulación en cis, los fenotipos son normalmente
dominantes. Segundo, como sólo uno de los varios elementos
(pág. 446)
(pág. 447)
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.
Holoprosencefalia
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
48
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. Varios
componentes de la ruta Shh en humanos se identificaron por primera vez como
homólogos de miembros de esta ruta en moscas, demostrando una vez más tanto la
conservación de juegos de herramientas genéticas como la potencia de los sistemas
modelo en los descubrimientos biomédicos.
El cáncer como una enfermedad del desarrollo
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
49
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.
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
(pág. 447)
(pág. 448)
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 12-2).
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%
50
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.
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.
Resumen
En el Capítulo 10, se mencionó la ocurrencia de Jacques Monod cuando afirmó que “lo
que es cierto para E. coli es también cierto para el elefante”. Ahora que se han visto los
procesos reguladores que permiten construir gusanos, moscas, ratones y elefantes,
¿diríamos que Monod tenía razón? Si Monod se refería al principio de que la
transcripción génica está controlada por proteínas reguladoras específicas de secuencia,
hemos visto que el represor Lac bacteriano y las proteínas Hox de la mosca actúan
efectivamente de un modo similar. Además, sus dominios de unión al DNA tienen el
mismo tipo de motivo. Las ideas fundamentales de François Jacob y Jacques Monod
respecto al papel central del control de la transcripción génica en la fisiología bacteriana
51
y que ellos esperaban que se aplicarían a la diferenciación celular y el desarrollo en
organismos pluricelulares complejos han sido confirmadas en muchos aspectos en lo
que se refiere al control genético del desarrollo animal.
Sin embargo, muchas características de los eucariotas unicelulares y
pluricelulares no se encuentran en las bacterias y virus bacterianos. Los genetistas y
biólogos moleculares han descubierto las funciones
(pág. 448)
(pág. 449)
de los intrones, el corte y empalme de RNA, los múltiples y distantes elementos
reguladores que actúan en cis, la cromatina, el corte y empalme alternativo y, más
recientemente, los miRNAs. Pero es cierto que el control de la expresión génica
diferencial es fundamental en el control genético del desarrollo.
Este capítulo ha presentado una visión general de la lógica y los mecanismos de
control de la expresión génica en el desarrollo en unas cuantas especies modelo. Nos
hemos concentrado en el juego de herramientas genéticas utilizadas por los animales en
los procesos de desarrollo y los mecanismos que controlan la organización de las
principales características del plan corporal: el establecimiento de los ejes corporales, la
segmentación y la identidad de los segmentos. Aunque se han explorado solamente un
número modesto de mecanismos reguladores en profundidad, y sólo en unas pocas
especies, las similitudes en la lógica y los mecanismos reguladores nos permiten
identificar algunas ideas generales respecto al control genético del desarrollo.
1. A pesar de las enormes diferencias en apariencia y anatomía, los animales disponen
de un juego común de herramientas genéticas que dirige el desarrollo. Estas
herramientas genéticas constituyen una pequeña proporción de todos los genes del
genoma, y muchos de estos genes herramienta son factores de transcripción y
52
componentes de rutas de transducción de señales. Cada uno de los genes
herramienta suele tener múltiples funciones y puede afectar el desarrollo de
diferentes estructuras en diferentes fases.
2. El desarrollo del embrión en crecimiento y de sus partes del cuerpo tiene lugar en
una progresión ordenada espacial y temporalmente. Dentro del embrión se
establecen dominios mediante la expresión de genes herramienta que marcan
subdivisiones progresivamente más finas a lo largo de ambos ejes del embrión.
3. Los patrones de expresión restringidos espacialmente son el resultado de una
regulación combinatoria. Cada patrón de expresión génica tiene una base causal
previa. Los nuevos patrones se generan mediante los aportes combinatorios de los
patrones precedentes. En los ejemplos presentados en este capítulo, la posición de
las bandas de regla par y la restricción de la expresión génica reguladora de los
apéndices a segmentos individuales requiere la integración de numerosos aportes de
información reguladora positiva y negativa mediante elementos reguladores que
actúan en cis.
La regulación postrancripcional a nivel del RNA añade otra capa de
especificidad al control de la expresión génica. El corte y empalme alternativo del
RNA y el control de la traducción mediante proteínas y miRNAs también
contribuyen al control espacial y temporal de los genes herramienta.
El control combinatorio es clave tanto para la especificidad como para la
diversidad de la expresión génica y de las funciones de los genes herramienta.
Respecto a la especificidad, los mecanismos combinatorios proporcionan los medios
para restringir la expresión génica a poblaciones discretas de células mediante el uso
de aportaciones reguladoras que no son específicas de un tipo celular o tejido. De
este modo, la acción de las proteínas herramienta puede ser bastante específica en
53
diferentes contextos. Respecto a la diversidad, los mecanismos combinatorios
proporcionan una forma de generar una variedad virtualmente ilimitada de patrones
de expresión génica.
4. La modularidad de los elementos reguladores que actúan en cis permite que la
expresión y función de los genes herramienta posea un control espacial y temporal
independiente. Al igual que los operadores y elementos UAS de procariotas actúan
como interruptores en el control fisiológico de la expresión génica, los elementos
reguladores en cis de los genes herramienta actúan como interruptores en el control
de la expresión génica en el desarrollo. La característica que distingue a los genes
herramienta es la presencia habitual de numerosos elementos reguladores en cis
independientes que dirigen la expresión génica en diferentes dominios espaciales y
en diferentes fases del desarrollo. La regulación espacial y temporal independiente
de la expresión génica permite que genes herramienta individuales tengan funciones
diferentes pero específicas en diferentes contextos. Bajo esta luz, no es adecuado o
acertado describir la función de un gen herramienta determinado únicamente en
relación a la proteína (o miRNA) que codifica, porque la función del producto
génico casi siempre depende del contexto en el que se expresa.
Términos clave
caja homeótica (pág. 424)
cigoto (pág. 427)
complejo génico (pág. 421)
estructura repetida en serie (pág. 420)
gen de efecto materno (pág. 427)
gen de mantenimiento (pág. 418)
54
gen de polaridad de segmento (pág. 428)
gen de regla par (pág. 428)
gen gap (pág. 428)
gen Hox (pág. 421)
homeodominio (pág. 424)
información posicional (pág. 432)
Problemas resueltos
Problema resuelto 1. El gen bicoid (bcd) es un gen de efecto materno necesario para el
desarrollo de la región anterior de Drosophila. Una madre heterocigótica para una
deleción de bcd tiene una única copia de este gen. Utilizando elementos P para insertar
copias del gen clonado bcd+ en el genoma mediante transformación, es posible producir
madres con copias adicionales del gen. El embrión temprano de Drosophila desarrolla
una hendidura denominada el pliegue cefálico que es más o menos perpendicular al eje
longitudinal anteroposterior (A-P) del cuerpo. En la descendencia de madres con una
única copia de bcd+, este pliegue está muy cerca del extremo anterior, situándose en una
posición a un sexto de la distancia entre los extremos anterior y posterior. En la
descendencia de diploides salvajes estándar (con dos copias de bcd+), el pliegue cefálico
se forma más hacia atrás, en una posición situada a un quinto de la distancia entre los
extremos anterior y
(pág. 449)
(pág. 450)
posterior del embrión. En la descendencia de madres con tres copias de bcd+, el pliegue
está situado en una posición aún más posterior. Al añadir dosis adicionales del gen, el
pliegue cefálico se mueve más y más hacia atrás, hasta que, en la descendencia de
madres con seis copias de bcd+, se encuentra a la mitad del eje A-P del embrión.
55
Explique el efecto de la dosis génica de bcd+ en la formación del pliegue cefálico a la
luz de la contribución que hace bcd a la formación del patrón A-P.
SOLUCIÓN
La determinación de las partes anteroposteriores del embrión está dirigida por un
gradiente de concentración de la proteína Bicoid. El pliegue se desarrolla en una
concentración crítica de bcd. A medida que disminuye la dosis génica de bcd+ (y, por
tanto, la concentración de la proteína Bicoid), el pliegue se desplaza hacia adelante,
mientras que si aumenta la dosis, el pliegue se desplaza hacia atrás.
Problemas
PROBLEMAS BÁSICOS
1. gooseberry, runt, knirps y Antennapedia. ¿Qué son para un genetista que trabaja con
Drosophila? ¿En qué difieren?
2. Describa el patrón de expresión del gen eve de Drosophila en el embrión temprano.
3. Contraste la función de los genes homeóticos con la de los genes de regla par.
4. Cuando un embrión es un mutante homocigótico para el gen gap Kr, la cuarta y
quinta bandas del gen de regla par ftz (contando a partir del extremo anterior) no se
forman correctamente. Cuando se trata de un mutante en el gen gap kni, las bandas
quinta y sexta de ftz tampoco se forman correctamente. Explique estos resultados
teniendo en cuenta cómo se establece el número de segmentos en el embrión.
56
5. Algunos de los genes Hox de mamíferos se ha demostrado que son más similares a
uno de los genes Hox de insectos que a los otros. Describa una aproximación
experimental que le permita demostrar este hallazgo en un contexto funcional.
6. Las tres proteínas con homeodominio ABD-B, ABD-A y UBX son codificadas por
genes del complejo Bithorax de Drosophila. En embriones salvajes, el gen Abd-B se
expresa en los segmentos abdominales posteriores, abd-A en los segmentos
abdominales medios y Ubx en los segmentos abdominales anteriores y torácicos
posteriores. Cuando se deleciona el gen Abd-B, abd-A se expresa en los segmentos
abdominales medios y posteriores. Cuando se deleciona abd-A, Ubx se expresa en el
tórax posterior y en los segmentos abdominales anteriores y medios. Cuando se
deleciona Ubx, los patrones de abd-A y Abd-B permanecen inalterados como en el
tipo salvaje. Cuando se delecionan abd-A y Abd-B, Ubx se expresa en todos los
segmentos desde el tórax posterior al extremo posterior del embrión. Explique estas
observaciones, teniendo en consideración que los genes gap controlan los patrones
de expresión iniciales de los genes homeóticos.
7. ¿Cómo se puede averiguar si un gen es necesario en el cigoto y si tiene un efecto
materno?
8. Al considerar la formación de los ejes A-P y D-V en Drosophila, se notó que, para
mutaciones como las de bcd, las madres mutantes homocigóticas producen
uniformemente descendencia mutante con defectos de segmentación. Este resultado
es cierto siempre, sin importar si los propios descendientes son bcd+/bcd o bcd/bcd.
Algunas otras mutaciones de efecto materno letales son diferentes en el sentido de
57
que el fenotipo mutante puede ser “rescatado” mediante la introducción de un alelo
salvaje del gen del padre. En otras palabras, para estos letales de efecto materno
rescatables, los animales mut+/mut son normales, mientras que los animales mut/mut
tienen el defecto mutante. Explique la diferencia entre las mutaciones letales de
efecto materno rescatables y las que no lo son.
9. Suponga que un investigador aísla una mutación que afecta el patrón A-P del
embrión de Drosophila que hace que falte un segmento de cada dos en la larva
mutante en desarrollo.
a. ¿Consideraría que esta mutación es una mutación en un gen gap, un gen
de regla par, un gen de polaridad de segmento o un gen de identidad de
segmento?
b. El investigador ha clonado un fragmento de DNA que contiene cuatro
genes. ¿Cómo podría utilizar el patrón espacial de expresión de los
mRNAs de estos genes en un embrión salvaje para identificar cuál podría
ser un gen candidato para la mutación descrita?
c. Suponga que el investigador ha identificado el gen candidato. Si ahora
examina el patrón espacial de expresión de su mRNA en un embrión que
es homocigótico para una mutación en el gen gap Krüppel, ¿esperaría ver
un patrón normal de expresión? Explíquelo.
10. ¿Cómo se forma el gradiente de la proteína Bicoid?
11. En un embrión de una hembra homocigótica mutante bicoid, ¿qué clase o clases de
patrones de expresión génica serán anormales?
58
a. Genes gap
b. Genes de regla par
c. Genes de polaridad de segmento
d. Genes Hox
(pág. 450)
(pág. 451)
PROBLEMAS PARA PENSAR
12. El gen eyeless es necesario para la formación del ojo en Drosophila. Este gen
codifica un homeodominio.
a. ¿Qué se podría predecir sobre la función bioquímica de la proteína
Eyeless?
b. ¿Dónde predeciría que se expresará el gen eyeless durante el desarrollo?
¿Cómo pondría a prueba esta predicción?
c. Los genes Small eye (ojo pequeño) y Aniridia (sin iris) de ratones y
humanos, respectivamente, codifican proteínas con una gran similitud de
secuencia a la proteína de mosca Eyeless (sin ojo), y reciben sus nombres
por sus efectos en el desarrollo del ojo. Diseñe una prueba para examinar
si los genes de ratón y humano son funcionalmente equivalentes al gen
eyeless de mosca.
13. El gen X se expresa en el cerebro, el corazón y los pulmones en desarrollo de
ratones. Las mutaciones que afectan selectivamente a la función del gen X en estos
tres tejidos se sitúan en tres regiones diferentes (A, B y C, respectivamente) situadas
a 5’ de la región codificadora de X.
a. Explique la naturaleza de estas mutaciones.
59
b. Dibuje un mapa del locus X que concuerde con la información
precedente.
c. ¿Cómo determinaría la función de las regiones A, B y C?
14. ¿Por qué las mutaciones en el gen Sonic hedgehog son dominantes y viables? ¿Por
qué las mutaciones codificadoras causan defectos más extensos?
15. Ocurre una mutación en el gen doublesex de Drosophila que evita que Tra se una al
transcrito de RNA de dsx. ¿Cuáles serían las consecuencias de esta mutación en la
expresión de la proteína Dsx en machos? ¿Y en hembras?
16. Un investigador aísla una mutación glp-1 en C. elegans y descubre que la región de
DNA que codifica la región de control espacial (SCR) ha sido delecionada. ¿Cuál
será el patrón de expresión de la proteína GLP-1 en un embrión de cuatro células en
los heterocigotos mutantes? ¿Y en los homocigotos mutantes?
(pág. 451)
60
PIES DE FIGURAS
Imagen inicial
Expresión génica en un embrión en desarrollo de mosca de la fruta. Las siete bandas
magenta marcan las células que expresan el mRNA de un gen que codifica una proteína
reguladora que controla el número de segmentos en el embrión de Drosophila. La
regulación espacial de la expresión génica es un punto clave en el control del desarrollo
animal. [Fotografía de Dave Kosman, Ethan Bier y Bill McGinnis.]
Figura 12-1 Mutantes homeóticos de Drosophila melanogaster
En los mutantes homeóticos la identidad de una estructura corporal se ha cambiado por
otra. (a) Mosca normal con un par de alas anteriores en el segundo segmento torácico y
un par de salterios, las pequeñas alas posteriores modificadas, en el tercer segmento
torácico. (b) Triple mutante para tres mutaciones en el gen Ultrabithorax. La función
Ubx se ha perdido en el tórax posterior, lo que causa el desarrollo de alas anteriores en
el lugar de las posteriores. (c) Mutante Antennapedia en que las antenas se han
transformado en patas. [Cortesía de Sean Carroll.]
Figura 12-2 Organizadores en embriones animales
Los experimentos de transplante tuvieron un papel central en los primeros tiempos de la
embriología y demostraron el gran espectro de actividad organizadora de los tejidos
embrionarios. (a) El organizador Spemann. El “labio” dorsal del blastoporo de un
embrión temprano de anfibio puede inducir un segundo eje embrionario y un embrión
completo cuando se transplanta a la región ventral de un embrión receptor. (b) En el
rudimento de la extremidad en desarrollo del pollo, la zona de actividad polarizadora
61
(ZPA) organiza el patrón a lo largo del eje anteroposterior. El transplante de la ZPA de
una posición posterior a una anterior induce dedos de más con una polaridad inversa.
Figura Recuadro Organismo modelo: Drosophila
Visión general del desarrollo de Drosophila. La larva se forma en 1 día y entonces
experimenta varias fases de crecimiento durante las cuales proliferan los discos
imaginales y otros precursores de las estructuras del adulto. Estas estructuras se
diferencian durante la fase de pupa y la mosca adulta sale de su envuelta (eclosiona) y
empieza nuevamente el ciclo.
Figura 12-3 En una transformación homeótica, una parte del cuerpo es sustituida
por otra
Un dibujo de finales del siglo XIX de uno de los primeros estudios de las
transformaciones homeóticas en la naturaleza. (a) Homeosis en una mosca de sierra con
la antena izquierda transformada en una pata. (b) Homeosis en una rana. El espécimen
del medio es normal. El espécimen de la izquierda tiene estructuras adicionales
sobresaliendo de la parte superior de la columna vertebral. El espécimen de la derecha
tiene un cuerpo vertebral adicional. [De W. Bateson, Material for the Study of
Variation. Macmillan, 1894.]
Figura 12-4 Los genes Hox regulan la identidad de las partes del cuerpo
Los genes Hox de Drosophila. Ocho genes Hox regulan la identidad de las distintas
regiones dentro del adulto. El código de colores identifica los segmentos y estructuras
que se ven afectadas por mutaciones en los diferentes genes Hox. [Según S. B. Carroll,
62
J. K. Grenier y S. D. Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the
Evolution of Animal Design, 2ª edición. Blackwell, 2005.]
Figura 12-5 Métodos para visualizar la expresión génica en animales en desarrollo
Las dos técnicas principales para visualizar dónde se transcribe un gen o dónde se
expresa la proteína que codifica son la hibridación in situ con una sonda de RNA
complementario al mRNA (izquierda) y la inmunolocalización de la expresión proteica
(derecha). Los procedimientos de cada método están esquematizados. Los patrones de
expresión pueden visualizarse como el producto de una reacción enzimática con un
substrato cromogénico, o con compuestos marcados con fluorescencia.
Figura 12-6 Los genes Hox se expresan en dominios restringidos espacialmente
Expresión de los genes Hox en el embrión de Drosophila. (a) Representación
esquemática del embrión de Drosophila mostrando las regiones donde se expresan cada
uno de los ocho genes Hox. (b) Imagen real de la expresión de siete genes Hox
visualizada mediante hibridación in situ. Los colores indican la expresión de labial
(turquesa), Deformed (morado), Sex combs reduced (verde), Antennapedia (naranja),
Ultrabithorax (azul), abdominal-A (rojo) y Abdominal-B (amarillo). El embrión está
plegado de manera que el extremo posterior (amarillo) aparece cerca del centro en la
parte superior. [(b) Fotomicrografía por Dave Kosman, Ethan Bier y Bill McGinnis.]
Figura 12-7 Los genes Hox se expresan en las estructuras afectadas por las
mutaciones en los genes Hox
Ejemplo de expresión de un gen Hox. (a) El ala adulta de D. melanogaster. (b) La
proteína Ubx no se expresa en las células del disco imaginal en desarrollo que formarán
63
el ala anterior. Las células enriquecidas en proteínas Hox están teñidas en verde; en esta
imagen, las células teñidas de verde son células que no forman el ala. (c) El ala posterior
del adulto (halterio). (d) La proteína Ubx se expresa a altos niveles en todas las células
del disco imaginal en desarrollo del ala posterior. [Fotografías por Scott Weatherbee.]
Figura 12-8 Las proteínas Hox tienen una secuencia en común
Secuencias de homeodominios de mosca. Los ocho genes Hox de Drosophila codifican
proteínas que contienen un dominio de 60 aminoácidos muy conservado, el
homeodominio, compuesto de tres hélices α. Las hélices 2 y 3 forman un motivo hélicegiro-hélice similar al del represor Lac, Cro y otras proteínas de unión al DNA. Los
residuos comunes en los genes Hox están sombreados en amarillo, los residuos
divergentes en rojo y los comunes en algunos subconjuntos de proteínas están
sombreados en amarillo o verde. [Según S. B. Carroll, J. K. Grenier y S. D. Weatherbee,
From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design, 2ª
edición. Blackwell, 2005.]
Figura 12-9 Las proteínas Hox de Drosophila y de los vertebrados presentan una
sorprendente similitud
Las secuencias del homeodominio de la proteína Deformed de Drosophila y de varios
miembros del grupo 4 de genes Hox de los vertebrados son asombrosamente similares.
Los residuos comunes están sombreados en amarillo, los residuos divergentes en rojo, y
los residuos comunes en algunos subconjuntos de proteínas están sombreados en azul.
Las regiones C-terminales flanqueantes situadas fuera del homeodominio son muy
similares y están sombreadas en verde. [Según S. B. Carroll, J. K. Grenier y S. D.
64
Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal
Design, 2ª edición. Blackwell, 2005.]
Figura 12-10 El orden de los genes Hox es paralelo al orden de las partes del
cuerpo en las que se expresan
Como en la mosca de la fruta, los genes Hox de vertebrados están organizados en
grupos y se expresan a lo largo del eje anteroposterior. (a) En el ratón, los cuatro
complejos de genes Hox, que comprenden un total de 39 genes, se encuentran en cuatro
cromosomas diferentes. No todos los genes están representados en todos los complejos,
sino que algunos se han perdido en el curso de la evolución. (b) Los genes Hox se
expresan en distintos dominios a lo largo del eje anteroposterior del embrión de ratón.
Los colores representan los diferentes grupos de genes mostrados en la parte a. [De S.
B. Carroll, “Homeotic Genes and the Evolution of Arthropods and Chordates”, Nature
376, 1995, 479-485.]
Figura sin numeración pág. 426
Relación entre los ejes corporales del adulto y del embrión.
Figura 12-11 Los genes Hox regulan la identidad de estructuras repetidas en serie
de los vertebrados
La morfología de las diferentes regiones de la columna vertebral está regulada por los
genes Hox. (a) En el ratón, se forman seis vértebras lumbares anteriores a las vértebras
sacras (números en rojo). (b) En ratones que carecen de la función del gen Hoxd11 que
actúa en la parte posterior y que poseen una copia funcional del gen Hoxa11, se forman
siete vértebras lumbares y se pierde una vértebra sacra. (c) En ratones que carecen de las
65
funciones de Hoxa11 y Hoxd11, se forman ocho vértebras lumbares y se pierden dos
vértebras sacras. [Fotografías cortesía de la Dra. Anne Boulet, HHMI, University of
Utah; de S. B. Carroll, J. K. Grenier y S. D. Weatherbee, From DNA to Diversity:
Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design, 2ª edición. Blackwell, 2005.]
Figura 12-12 Rastreos genéticos para encontrar genes herramienta de efecto
materno y genes necesarios en el cigoto
Los rastreos genéticos identifican si un producto génico es funcional en el óvulo o en el
cigoto. Los fenotipos de la descendencia dependen del genotipo materno en el caso de
los genes de efecto materno (arriba) o del genotipo de los descendientes (cigotos) para
los genes requeridos en el cigoto (abajo). (m, mutante; +, tipo salvaje).
Figura 12-13 Los mutantes bicoid carecen de la región anterior
El gen de efecto materno bicoid (bcd) afecta la parte anterior de la larva en desarrollo.
Estas fotomicrografías son de larvas de Drosophila que han sido preparadas para
mostrar sus duros exoesqueletos. Las estructuras densas, como las bandas segmentales
lenticulares, aparecen en blanco. (Izquierda) Una larva normal. (Derecha) Una larva de
una hembra mutante bcd homocigótica. La cabeza y las estructuras torácicas anteriores
se han perdido. [De C. H. Nüsslein-Volhard, G. Frohnhöfer y R. Lehmann,
“Determination of Anteroposterior Polarity in Drosophila”, Science 238, 1987, 1678.]
Figura 12-14 A los mutantes en genes de segmentación les faltan partes de algunos
segmentos
Clases de mutantes de Drosophila en genes de segmentación. Estos diagramas
esquematizan mutantes representativos en genes gap, de regla par y de polaridad de
66
segmento. Los trapezoides rojos son las bandas densas del exoesqueleto mostradas en la
Figura 12-13. Los límites de cada segmento están indicados con líneas de puntos.
Dentro de cada par, el diagrama de la izquierda representa una larva de tipo salvaje, y el
de la derecha representa el patrón formado en un determinado mutante. Las regiones
sombreadas en rosa del diagrama de tipo salvaje indican los dominios de la larva que se
han perdido o que se han visto afectados en el mutante.
Figura 12-15 Expresión de proteínas que determinan el patrón del eje
anteroposterior
Los patrones de expresión de los genes herramienta se corresponden con los fenotipos
mutantes. Los embriones de Drosophila han sido teñidos con anticuerpos contra (a) la
proteína Bicoid materna, (b) la proteína gap Krüppel, (c) la proteína de regla par Hairy y
(d) la proteína de polaridad de segmento Engrailed, y visualizados mediante métodos
inmunoenzimáticos (a) o inmunofluorescentes (b-d). Cada proteína se localiza en los
núcleos de las regiones del embrión que están afectadas por las mutaciones en los genes
respectivos. [Fotomicrografías cortesía de (a) Ruth Lehmann y (b-d) James Langeland.]
Figura 12-16 Expresión de genes que determinan el patrón del eje dorsoventral
La expresión de los genes que determinan el patrón del eje dorsoventral se corresponde
con capas de tejido específicas. (a) La proteína materna Dorsal se expresa en un
gradiente, con la concentración más alta de Dorsal en los núcleos de las células
ventrales (parte inferior de la fotografía). (b) Expresión de cuatro genes cigóticos que
intervienen en la formación del patrón del eje dorsoventral revelada por hibridación in
situ con sus RNAs. En esta vista lateral, se pueden observar los dominios de los genes
decapentaplegic (amarillo), muscle segment homeobox (rojo), intermediate neuroblasts
67
defective (verde) y ventral neuroblasts defective (azul). [Fotografías cortesía de (a)
Michael Levine y (b) David Kosman, Bill McGinnis y Ethan Bier.]
Figura 12-17 Una ruta de transducción de señales típica
Muchas rutas de señalización funcionan con una lógica similar pero tienen diferentes
componentes proteicos y mecanismos de transducción de señales. La señalización
empieza cuando un ligando se une a un receptor de membrana, lo que conduce a la
liberación o activación de proteínas intracelulares. Con frecuencia, la activación de los
receptores lleva a la modificación de factores de transcripción (FT) inactivos. Los
factores de transcripción modificados son transportados al núcleo celular donde se unen
a secuencias de DNA reguladoras en cis o a proteínas de unión al DNA y regulan el
nivel de transcripción del gen diana. [De S. B. Carroll, J. K. Grenier y S. D.
Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal
Design, 2ª edición. Blackwell, 2005.]
Figura 12-18 Los genes gap son activados por proteínas específicas de origen
materno
La proteína Bicoid activa la expresión cigótica del gen hunchback. (a) La expresión de
la proteína Bicoid forma un gradiente a lo largo del eje anteroposterior. El gen gap
hunchback se expresa en la mitad anterior del cigoto. (b) La proteína Bicoid (azul) se
une a tres sitios a 5’ del gen hunckback. Cuando este DNA 5’ se sitúa aguas arriba de un
gen informador, la expresión del gen informador replica el patrón de expresión de
hunckback (arriba a la derecha). Sin embargo, la deleción progresiva de uno, dos o tres
sitios de unión de Bicoid provoca una expresión más restringida del gen informador o la
suprime totalmente. Estas observaciones muestran que el nivel y el patrón de expresión
68
de hunckback están controlados por Bicoid a través de su unión a las secuencias
reguladoras del DNA de hunchback.
Figura 12-19 Análisis de elementos reguladores que actúan en cis utilizando genes
informadores
Los loci herramienta con frecuencia contienen múltiples elementos reguladores en cis
independientes que controlan la expresión génica en diferentes lugares o en diferentes
momentos (o ambos) durante el desarrollo (por ejemplo, A, B y C aquí). Estos
elementos son identificados por su capacidad, cuando se colocan en cis respecto a un
gen informador y se insertan de nuevo en el genoma de un hospedador, de controlar el
patrón, la coordinación temporal o el nivel (o los tres) de la expresión del gen
informador. Muchos genes informadores codifican enzimas o proteínas fluorescentes
que pueden visualizarse fácilmente.
Figura 12-20 Combinaciones de proteínas de efecto materno y proteínas gap
controlan la formación de cada banda de regla par
Regulación de una banda de regla par: control combinatorio de un elemento regulador
en cis independiente. (a) La regulación del elemento regulador en cis de la banda 2 de
eve controla la formación de la segunda banda de expresión de este gen en el embrión
temprano, sólo una de las siete bandas de la expresión de eve. (b) La banda se forma
dentro de los dominios de las proteínas Bicoid y Hunchback y al borde de los de las
proteínas gap Giant y Krüppel. Bcd y Hb son activadores, mientras que Gt y Kr son
represores de la banda. (c) El elemento de la banda 2 de eve es sólo uno de los varios
elementos reguladores en cis del gen eve, cada uno de los cuales controla diferentes
partes de su expresión. El elemento de la banda 2 de eve abarca de 1 a 1.7 kb aguas
69
arriba de la unidad transcripcional del gen eve. (d) Dentro del elemento de la banda 2 de
eve, existen varios sitios de unión para cada factor de transcripción (los represores se
muestran sobre el elemento, los activadores abajo). El resultado neto de esta
combinación de activadores y represores es la expresión de eve en una estrecha banda
del embrión. [Según J. Gerhart y M. Kishner, Cells, Embryos and Evolution. Blackwell
Science, 1997.]
Figura 12-21 Las proteínas Hox reprimen la formación de apéndices en el
abdomen
La ausencia de extremidades en el abdomen es controlada por los genes Hox. (a) La
expresión del gen Distal-less (Dll) (rojo) marca la posición de futuros apéndices; la
expresión del gen Hox Ultrabithorax (morado) marca la posición de los segmentos
abdominales del A1 al A7; y la expresión del gen engrailed (azul) marca la parte
posterior de cada segmento. (b) Representación esquemática de un embrión Ubx–
mostrando que la expresión de Dll (círculos rojos) deja de estar reprimida en el
segmento A1. (c) Representación esquemática de un embrión Ubx– abd-A– mostrando
que la expresión de Dll (círculos rojos) deja de estar reprimida en los siete primeros
segmentos abdominales. [(a) Fotomicrografía por Dave Kosman, Ethan Bier y Bill
McGinnis; (b y c) basados en B. Gebelein, D. J. McKay y R. S. Mann, “Direct
Integration of Hox and Segmentation Gene Inputs During Drosophila Development”,
Nature 431, 2004, 653-659.]
Figura 12-22 Las proteínas Hox y las proteínas de polaridad de segmento
controlan la localización de los apéndices
70
Integración de las aportaciones reguladoras de las proteínas Hox y de las proteínas de
segmentación mediante un elemento regulador en cis. (a, izquierda) Un elemento
regulador en cis del gen Dll controla la represión de la expresión de Dll en el abdomen
mediante un conjunto de factores de transcripción. (a, derecha) La expresión de Dll se
extiende al tórax pero no al abdomen en un embrión salvaje. (b-f) Las mutaciones en los
respectivos sitios de unión mostrados dejan de reprimir la expresión de Dll según
distintos patrones en el abdomen. Los sitios de unión son: Slp, Sloppy-paired; Hox1 y
Hox2, Ultrabithorax y Abdominal-A; Exd, Extradenticle; En, Engrailed; Hth,
Homothorax. [Basado en datos de B. Gebelein, D. J. McKay y R. S. Mann, “Direct
Integration of Hox and Segmentation Gene Inputs During Drosophila Development”,
Nature 431, 2004, 653-659.]
Figura 12-23 Una cascada de corte y empalme alternativo del RNA regula la
determinación del sexo en Drosophila
Tres pre-mRNAs de los principales genes de determinación del sexo en Drosophila
experimentan corte y empalme alternativo. La ruta específica de hembras se muestra a
la izquierda y la ruta específica de machos a la derecha. Los pre-mRNAs son idénticos
en ambos sexos y se representan en el medio. En los mRNAs Sex-lethal y transformer
del macho hay codones de terminación que interrumpen la traducción. Estas secuencias
son eliminadas en la hembra mediante corte y empalme para producir proteínas
funcionales. Las proteínas Transformer y Tra-2 entonces cortan y empalman el premRNA doublesex de la hembra para producir la isoforma específica de hembras de la
proteína Dsx, que difiere de la isoforma del macho por el corte y empalme alternativo
de varios exones. [Según S. S. Gilbert, Developmental Biology, 7ª edición. Sinauer,
2003.]
71
Diagrama 1 Recuadro Organismo modelo: Caenorhabditis elegans
Un adulto hermafrodita de Caenorhabditis elegans mostrando varios órganos.
Diagrama 2 Recuadro Organismo modelo: Caenorhabditis elegans
Producción de los linajes celulares de la vulva. (a) Partes de la anatomía de la vulva que
son ocupadas por las llamadas células primarias (1as), secundarias (2as) y terciarias (3as).
(b) Los linajes o pedigrís de las células primarias, secundarias y terciarias se distinguen
por sus patrones de división celular.
Figura 12-24 Las proteínas de unión a mRNA reprimen la traducción del mRNA
para determinar linajes celulares
Regulación de la traducción y de las decisiones que determinan un linaje celular en el
embrión temprano de C. elegans. (a) En la fase de cuatro células del embrión de C.
elegans, la proteína GLP-1 se expresa en las dos células anteriores (verde brillante) pero
no en las otras dos células. La traducción del mRNA glp-1 está regulada por la proteína
GLD-1 en las células posteriores. (b) La fusión del 3’ UTR de glp-1 al gen informador
lacZ conduce a la expresión de éste en las células ABa y ABp en la fase de cuatro
células del embrión de C. elegans (sombreado, derecha). Las mutaciones en los sitios
de unión de GLD-1 en la región de control espacial (SCR) causan que la traducción deje
de estar reprimida en los linajes EMS y P2, al igual que ocurre en (c) por la pérdida de la
función de gld. [(a) Cortesía de Thomas Evans, University of Colorado Health Sciences
Center.]
Figura 12-25 Un microRNA controla el patrón temporal del desarrollo
72
(a) En los mutantes let-7, la transición de fase larvaria L4 al adulto se retrasa y los
linajes celulares de las células hipodérmicas laterales (V) están repetidos. (b) let-7
codifica un miRNA que es complementario a secuencias del 3’ UTR del mRNA lin-41.
Figura 12-26 El gen herramienta Sonic hedgehog tiene múltiples funciones
El gen Shh se expresa en muchas partes diferentes del embrión de pollo en desarrollo
(indicadas por la tinción morada), incluyendo (a) la zona de actividad polarizadora en
cada rudimento de extremidad y a lo largo del tubo neural y (b) los rudimentos de
plumas en desarrollo. El mRNA Shh se visualiza mediante hibridación in situ.
[Fotomicrografías cortesía de (a) Cliff Tabin y (b) Matthew Harris y John Fallon.]
Figura 12-27 Polidactilia en humanos
Esta persona tiene seis dedos en cada mano y siete dedos en cada pie debido a una
mutación reguladora en el gen Sonic hedgehog. [Fotografías cortesía del Dr. Robert
Hill, MRC Human Genetics Unit, Edinburgh, Scotland; de L. A. Lettice et al.
“Disruption of a Long-Range Cis-Acting Regulator for Shh Causes Preaxial
Polydactyly”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 2002, 7548.]
73
PARCHEADOS
Figura 12-2 Organizadores en embriones animales
1. Transplante
2. Transplante de la ZPA
3. Dedos adicionales con polaridad inversa
Figura Recuadro Organismo modelo: Drosophila
1. Huevo
2. Embriogénesis (1 día)
3. 1er estadio (1 día)
4. 2º estadio (1 día)
5. 3er estadio (2 días)
6. Discos imaginales
7. Pupación
8. 4 días
9. Eclosión
10. Adulto
Figura 12-4 Los genes Hox regulan la identidad de las partes del cuerpo
1. Complejo Antennapedia
2. Complejo Bithorax
Figura 12-5 Métodos para visualizar la expresión génica en animales en desarrollo
1. Hibridación in situ para visualizar los transcritos de mRNA
74
2. Clon del cDNA de un gen
3. Transcripción para obtener una sonda de RNA de cadena simple con nucleótidos
modificados complementaria a la secuencia del mRNA.
4. Embriones fijados o tejido diseccionado
5. Incubación de los embriones con la sonda de RNA (la sonda hibrida con el mRNA).
6. Lavado de la sonda que no se ha unido.
7. Adición de un anticuerpo conjugado con una enzima que se une específicamente al
nucleótido modificado.
8. Lavado del anticuerpo que no se ha unido.
9. Adición del substrato de la enzima.
10. Visualización de la expresión del mRNA en el microscopio de luz.
11. Inmunolocalización de la expresión de proteínas
12. Expresión de la proteína en bacterias.
13. Inyección de la proteína en un hospedador vertebrado.
14. Extracción de los anticuerpos (IgG) contra esa proteína.
15. Incubación de los embriones con el anticuerpo (el anticuerpo se une a la proteína).
16. Lavado del anticuerpo que no se ha unido.
17. Adición de un anticuerpo conjugado con un fluorocromo que se una a la IgG de la
especie hospedadora.
18. Lavado del anticuerpo que no se ha unido.
19. Visualización de la expresión proteica en el microscopio de fluorescencia.
Figura 12-6 Los genes Hox se expresan en dominios restringidos espacialmente
1. Cabeza
2. Tórax
75
3. Abdomen
Figura 12-8 Las proteínas Hox tienen una secuencia en común
1. Secuencia consenso
2. Hélice 1
3. Hélice 2
4. Hélice 3
Figura 12-10 El orden de los genes Hox es paralelo al orden de las partes del
cuerpo en las que se expresan
1. Hoxa ratón
2. Hoxb ratón
3. Hoxc ratón
4. Hoxd ratón
5. Embrión de ratón
Figura sin numeración pág. 426
1. Eje dorsoventral
2. Eje anteroposterior
3. Eje anteroposterior
4. Eje dorsoventral
Figura 12-11 Los genes Hox regulan la identidad de estructuras repetidas en serie
de los vertebrados
1. (a) Tipo salvaje
76
Figura 12-12 Rastreos genéticos para encontrar genes herramienta de efecto
materno y genes necesarios en el cigoto
1. GENES MATERNOS NECESARIOS
2. Padres
3. Descendencia
4. Todos normales
5. Todos normales
6. Todos con el fenotipo mutante
7. GENES CIGÓTICOS NECESARIOS
8. Padres
9. Descendencia
10. Normales
11. Fenotipo mutante
Figura 12-14 A los mutantes en genes de segmentación les faltan partes de algunos
segmentos
1. Regla par
2. Polaridad de segmento
Figura 12-17 Una ruta de transducción de señales típica
1. Ligando
2. Receptor
3. Espacio extracelular
4. Membrana celular
77
5. Citoplasma
6. FT inactivo
7. Activación de la cascada de fosforilación
8. Activación o traslado del factor de transcripción al núcleo
9. FT activo
10. FT activo
11. Membrana nuclear
12. Núcleo
13. Unión a secuencias reguladoras que actúan en cis
14. Intensificador
15. Promotor
16. FT
Figura 12-18 Genes Gap son activados por proteínas específicas de origen materno
1. Gradiente de Bicoid
2. Expresión de hunchback
3. Proteínas Bicoid
4. Expresión del gen informador
5. Elemento regulador en cis a 5’ de hunchback con sitios de unión para Bicoid
6. Gen informador
Figura 12-19 Análisis de elementos reguladores que actúan en cis utilizando genes
informadores
1. Gen herramienta
2. Elementos reguladores que actúan en cis
78
3. Promotor
4. Región codificadora
5. Aislamiento de los fragmentos de DNA reguladores que actúan en cis.
6. Clonación de los fragmentos en un vector de DNA con un promotor general y un
gen informador.
7. Fragmentos que contienen A, B o C
8. Promotor
9. Gen informador
10. Inyección de las construcciones recombinantes en embriones hospedadores (que se
convierten en transgénicos al hacer la inserción en la línea germinal); análisis
espacial de la expresión del gen informador mediante tinción específica de la enzima
o por fluorescencia.
11. Embrión de mosca
12. Embrión de ratón
Figura 12-20 Combinaciones de proteínas de efecto materno y proteínas gap
controlan la formación de cada banda de regla par
1. Banda 2 de eve
2. Concentración de reguladores
3. Posición a lo largo del embrión
4. Proteína Bicoid
5. Proteína Giant
6. Proteína Hunchback
7. Proteína Krüppel
8. Proteína Eve de la banda 2
79
9. (c) Gen eve
10. Intensificador bandas 3 y 7
11. Intensificador banda 2
12. Región codificadora
13. Intensificador bandas 4 y 6
14. Intensificador bandas 1 y 5
15. (d) Elemento de la banda 2 de eve
16. Represores
17. Activadores
Figura 12-21 Las proteínas Hox reprimen la formación de apéndices en el
abdomen
1. Tipo salvaje
2. Dll (rojo) reprimido en A1-A8
3. Dll deja de estar reprimido en A1
4. Dll deja de estar reprimido en A1-A7
Figura 12-22 Las proteínas Hox y las proteínas de polaridad de los segmentos
controlan la localización de los apéndices
1. ELEMENTO REGULADOR QUE ACTÚA EN CIS
2. (a) Tipo salvaje
3. (b) Mutaciones Hox
4. (c) Mutación Slp
5. (d) Mutación En
6. (e) Mutaciones Slp y En
80
7. (f) Mutaciones Exd y Hth
8. EXPRESIÓN DEL GEN INFORMADOR
9. Reprimido en A1-A7
10. No reprimido en A1-A7
11. No reprimido en aA1-aA7
12. No reprimido en pA1-pA7
13. No reprimido en A1-A7
14. No reprimido en A1-A7
Figura 12-23 Una cascada de corte y empalme alternativo del RNA regula la
determinación del sexo en Drosophila
1. Hembra
2. Pre-mRNA
3. Macho
4. Corte y empalme específico de hembras
5. Exón en los machos
6. Corte y empalme por defecto
7. Codón stop
8. Codón stop
9. Proteína Doublesex femenina
10. Reprime los genes masculinos y activa los genes femeninos.
11. Desarrollo de una hembra
12. Proteína Doublesex masculina
13. Reprime los genes femeninos.
14. Desarrollo de un macho
81
Diagrama 1 Recuadro Organismo modelo: Caenorhabditis elegans
1. Faringe
2. Ovario
3. Intestino
4. Huevos
5. Recto
6. Oviducto
7. Oocitos
8. Útero
9. Vulva
10. Ano
Diagrama 2 Recuadro Organismo modelo: Caenorhabditis elegans
1. (a) Tejido derivado de células 1as, 2as y 3as
2. Útero
3. Hipodermis
4. Vulva
5. Hipodermis
6. (b) Pedigrí de células
7. Célula 1a de la vulva
8. i / d
i/d
i/d
i/d
82
9. Célula 2ª de la vulva
10. i / d
11. Célula 3ª
12. i
Izquierda
d Derecha
N Sin división
a
Anterior
p Posterior
Figura 12-24 Las proteínas de unión a mRNA reprimen la traducción del mRNA
para determinar linajes celulares
1. Construcción mRNA-gen informador
2. Expresión del gen informador
3. SCR de tipo salvaje
4. 3’ UTR de glp-1
5. SCR mutado
6. Mutaciones
7. SCR de tipo salvaje en un embrión gld–
Figura 12-25 Un microRNA controla el patrón temporal del desarrollo
1. Tipo salvaje
2. Adulto
83
TABLAS
Tabla 12-1 Ejemplos de genes del eje A-P de Drosophila que contribuyen a la formación de patrones
Símbolo del gen
Nombre del gen
Función de la proteína
Papel(es) en el inicio del desarrollo
hb-z
hunchback-zygotic Factor de transcripción – proteína con dedo de zinc
Gen gap
Kr
Krüppel
Factor de transcripción – proteína con dedo de zinc
Gen gap
kni
knirps
Factor de transcripción – proteína similar a un receptor de esteroides
Gen gap
eve
even-skipped
Factor de transcripción – proteína con homeodominio
Gen de regla par
ftz
fushi tarazu
Factor de transcripción – proteína con homeodominio
Gen de regla par
opa
odd-paired
Factor de transcripción – proteína con dedo de zinc
Gen de regla par
prd
paired
Factor de transcripción – proteína PHOX
Gen de regla par
en
engrailed
Factor de transcripción – proteína con homeodominio
Gen de polaridad de segmento
ci
cubitus-interruptus Factor de transcripción – proteína con dedo de zinc
Gen de polaridad de segmento
wg
wingless
Proteína de señalización WG
Gen de polaridad de segmento
hh
hedgehog
Proteína de señalización HH
Gen de polaridad de segmento
84
fu
fused
Serina/treonina quinasa citoplasmática
Gen de polaridad de segmento
ptc
patched
Proteína de membrana
Gen de polaridad de segmento
arm
armadillo
Proteína de unión intercelular
Gen de polaridad de segmento
lab
labial
Factor de transcripción – proteína con homeodominio
Gen de identidad de segmento
Dfd
Deformed
Factor de transcripción – proteína con homeodominio
Gen de identidad de segmento
Antp
Antennapedia
Factor de transcripción – proteína con homeodominio
Gen de identidad de segmento
Ubx
Ultrabithorax
Factor de transcripción – proteína con homeodominio
Gen de identidad de segmento
85
Tabla 12-2 Algunos genes herramienta tienen un papel en el cáncer
Símbolo del gen
Gen de la mosca
Gen de mamíferos
Tipo de cáncer
armadillo
β-catenina
Colon y piel
DTCF
TLF
Colon
cubitus-interruptus
Gli1
Carcinoma de células basales
patched
patched
Carcinoma de células basales, meduloblastoma
smoothened
smoothened
Carcinoma de células basales
Notch
Notch
hNotch1
Leucemia, linfoma
Receptor EGF
torpedo
C-erbB-2
Mama y colon
Decapentaplegic/TFG-β
Medea
DPC4
Pancreático y colon
Toll
dorsal
NF-κB
Linfoma
Otros
extradenticle
Pbx1
Leucemia aguda de células pre-B
Componentes de rutas de señalización
Wingless
Hedgehog
86