1.Introducción y diferenciación genética PDF

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Biología del desarrollo 1.Introducción La biología del desarrollo se centra en el estudio del desarrollo ontogenético, desde la formación de un zigoto hasta llegar a un individuo adulto. No atenderemos al desarrollo filogenético. En el filogenético podemos diferenciar: -

Embriogénesis: fusión de gametos, como óvulo y espermatozoide, que da lugar a un cigoto Blastogénesis: generación de un individuo nuevo sin pasar por cigoto, a partir de yemas. Un ejemplo es la Hydra, si se corta un trozo del organismo las células somáticas se tienen que desdiferenciar y luego dividirse y volver a diferenciarse para dar lugar a un nuevo individuo.

Es una asignatura muy amplia que junta embriología, biología celular, genética…

Fases del desarrollo -

Gametogénesis: en especies con reproducción sexual. En el desarrollo se van a formar las células somáticas que darán lugar al individuo, pero también células germinales que darán lugar a la siguiente generación. Fecundación: fusión de dos gametos que da lugar al cigoto. Segmentación: fase en la que aumenta el número se células, pero no su tamaño  blástula Gastrulación: proceso en el que las células se mueven mucho y se dividen poco  gástrula Ya se pueden distinguir las 3 hojas: mesodermo · endodermo · ectodermo Organogénesis: proceso que varia mucho entre organismos. En general lo primero que se diferencia son los sistemas nervioso y reproductor. Es muy complejo, ya que la formación de unos órganos influye en el desarrollo de otros. Procesos: División celular · Patrones · Diferenciación · Morfogénesis · Migración celular Y muerte

cefaloraquiales y dorsoventrales

250 tipos

generación de forma

inducción

Hay otros desarrollos especiales, como la metamorfosis en la que se produce una remodelación brusca asociada a un cambio de nicho, la reproducción asexual como la partenogénesis, y la regeneración.

Historia Embriología descriptiva Aristóteles, en el 340 aC, es el que hace un llamamiento por 1ª vez de la embriología, discutiendo sobre todo el desarrollo del pollo. Se preguntaba principalmente quien aporta la sustancia y quien la forma. En la edad media este fue un tema poco tratado, excepto por Leonardo da Vinci (s XV) el cual se cree que realizó estudio post mortem para dibujar por primera vez la posición del feto dentro de la madre. Hasta el momento todos los estudios eran descriptivos, se limitaban a escribir lo que veian. En el s. XVIII se desarrolló microscopio por Leweenhoek, en el que se observaron las primeras células, entre ellas esperma. Esto dio lugar a distintas hipótesis sobre el origen de un ser vivo: -

Animalculistas: en el semen está el origen de la vida y la madre solo lo alimenta Oovistas: el cigoto se encuentra en la madre, y puede iniciar su desarrollo por diversas causas.

Y también teorías sobre cómo se forma un ser vivo: -

Preformacionistas: el individuo ya está formado pero muy pequeño, solo aumenta de tamaño. Postformacionistas: el individuo se forma capa a capa, que se van generando durante el desarrollo.

Había animalculistas preformacionistas, como Leewenhoek, que aseguraban ver personas en miniatura en las cabezas de los espermatozoides. Los oovistas preformacionistas también aseguraban ver esqueletos en miniatura en la mujer, y Harvey identificó el ovario como el órgano origen de la vida. Bonnet fue un oovista que tuvo gran fuerza, ya que descubrió la partenogénesis de los áfidos hembra y lo consideró una prueba irrefutable. Finalmente Spallanzani descubrió la fecundación realizando experimentos de fecundación externa con ranas, demostrando finalmente que para generar una nueva vida se necesita tanto macho como hembra.

Embriología comparada Con el naturalismo se comienzan a comparar desarrollos de distintos organismos y se enuncian diversas leyes: -

Ley del paralelismo: especies adultas inferiores se asemejan a embriones de especies superiores. Ley de diferenciación: los rasgos generales comunes a muchos organismos se adquieren antes que los rasgos característicos de un grupo. Ej, un pollo adquiere primero columna y finalmente pico. Ley de biogenética: la ontogenia es una recapitulación de la filogenia

Esto en verdad es mentira, los dibujos estaban modificados para que se asemejara más. Pero la embriología comparada si que sirvió en algunos campos. Cuando los organismos son simples facilita su clasificación en el árbol filogenético, que hasta entonces se hacía solo por rasgos morfológicos. Un ejemplo de esto son las ascidias, que aunque por su simplicidad parecen esponjas tienen características que los acerca a nosotros como un comienzo de ojo, estatocisto, notocorda, comienzo de encéfalo. También ocurrió con saculina, un parasito de crustáceos que morfológicamente se asemeja a gusanos pero al estudiar su ciclo se vio que tenía una larva nauplius, lo que indica que en verdad es un crustáceo parásito.

Embriología experimental Adquirir la capacidad de modificar las células embrionarias dio comienzo a la embriología experimental. Esta disciplina comenzó con Roux en 1888, estudiando blastocistos de rana para validar la teoría pre o postformacionista. Su experimento consistió en eliminar uno de dos blastocistos de rana usando una aguja candente. Si hubiera un preformacionismo solo se generaría la mitad de un organismo si hubiera postformacionismo de cada blastocito surgiría un organismo completo. El problema es que al usar una aguja quedaban restos del blastocito destruido que no permitía el desarrollo del embrión, por lo que se consideró erróneamente como una prueba de preformacionismo. Driesh realizó un experimento similar en erizo de mar, pero con una técnica distinta que conseguía separar las dos células sin dañarlas. En este caso se vio que cada célula daba a un organismo distinto, por lo que creyó que había diferencia entre vertebrado e invertebrado Speaman consiguió realizar el experimento con éxito en vertebrados, esta vez en tritón, derrocando completamente el preformacionismo. Finalmente Schmidt realizó el mismo experimento con rana para asegurar que Roux estaba equivocado. Este malentendido fue una mera cuestión metodológica.

Embriología moderna o analítica Surge en al s XX, con impulso de la teoría celular de Scheileiden y Schwann: la célula es la unidad funcional de la vida, los seres vivos son comunidades de células, y una célula aparece por división de una anterior, la generación espontánea ya había sido refutada. Weismann decía que la herencia de los caracteres no depende de las células somáticas, si no de aquellos que portan las células reproductoras. Mendel y Morgan descubren que la herencia se transmite por genes que se encuentran en el núcleo. Con Watson y Crick se descubrió el material genético sobre el que se plasman los genes.

Funciones del desarrollo ontogenético Durante el desarrollo se genera un individuo, y de ello se encargan las células somáticas, las cuales se dividen por mitosis, se diferencian, realizan la morfogénesis y crecen. Pero también se desarrollan otro tipo de células, las células germinativas, que son las que generan los gametos por meiosis y se encargan de dar lugar a una nueva generación.

Herramientas del desarrollo -

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Expresión génica diferencial: en cierto momento unas células van a expresar unas proteínas distintas a otras. Esto se debe a una regulación transcripcional, traduccional o postraduccional. Una proteína puede estar presente en un célula, pero no tiene por que estar activa. Lo mismo con el RNA. Relación entre las células: a medida que las células se dividen sus relaciones se vuelven más complejas, y esto dará lugar a cambios, interacción inductiva. Esta relación puede ser por contacto (yuxtacrina) o por mensajeros (paracrina o endocrina) Crecimiento y morfogénesis por control de proliferación y muerte celular: si llega factor de crecimiento las células siguen vivas y si no llega entrarán en muerte celular.

El desarrollo de los embriones es progresivo, la complejidad va aumentando de forma gradual a lo largo del tiempo. Esto supone que las células se van separando en poblaciones diferentes, para lo cual tienen que alterar la expresión génica. Van adquiriendo unas capacidades y abandonando otras (pero pueden recuperar las anteriores, por ejemplo migración). La diferenciación no ocurre al azar, el destino está más o menos orquestado. En un cigoto podemos saber a que están predispuestas a convertirse un grupo de células que se encuentran en una zona concreta, zonas presuntivas que permiten desarrollar un mapa de destino. Si trasplantamos células de una zona de blástula a otra zona de una nérula, fase más desarrollada, se observa que esas células no dan lugar al tejido que se esperaría según el mapa de la blástula. Sin embargo, si el trasplante es de nérula a nérula, si que dará el tejido esperado, aunque se implante en una zona distinta de la nérula. Esto indica que existe un momento de diferenciación irreversible, de determinación, en el que las células adquieren su destino definitivo, entre gástrula y nérula. En un supuesto embrión distinguimos una zona basal y apical, indiferenciables inicialmente pero que acaban dando morfologías concretas. Según el momento del desarrollo, si trasplantamos una célula basal a la zona apical esta puede dar lugar a la morfología de su zona originaria o la de las células de su zona actual. Esto nos indica si las células están determinadas o no. Si aislamos una célula del resto del embrión y esta se sigue transformando en las células de la zona original, se dice que tiene un desarrollo autónomo, sigue con su destino sin importar el ambiente. Esto indica que hay dos tipos de desarrollos: -

Desarrollo regulativo: el desarrollo depende del ambiente en que se encuentren las células, las piezas pueden ser intercambiables. Es más común ya que es mucho más versátil. Desarrollo en mosaico: si se quitan parte de células estas ya no son repuestas, ya que es un desarrollo autónomo. Hay muy pocos desarrollos embrionarios de este tipo, es muy poco frecuente.

Estos dos tipos se pueden combinar en el mismo proceso de desarrollo. Las interacciones entre células pueden ser unidireccional si solo una se diferencia o bidireccional si las dos se diferencian. Esto se denomina inducción. Las células que van a ser inducidas tienen que ser competentes, tienen que ser capaces de recibir el estímulo. Una célula puede liberar mensajeros, pero si la otra célula no tiene receptores para ese mensajero no puede detectar el estímulo y dar lugar al cambio, no sería competente. Cuanto más pequeño es el organismo más importante es que unas células sean competentes y otras no. Una misma molécula puede provocar reacciones diferentes en dos células distintas. Inversamente, distintas moléculas pueden provocar el mismo cambio. Esto permite que las mismas moléculas puedan utilizase en distintas fases de desarrollo para provocar distintas diferenciaciones. Ahorra gran número de mensajeros. Las células también tienen una identidad posicional, saben dónde están dentro del embrión. Esto se debe a morfógenos, sustancias producidas por una zona del embrión y que difunden hacia otras, de forma que según la concentración en una zona se sabrá la posición de la célula.

2. Diferenciación genética En los animales, hongos y plantas el camino entre zigoto y adulto pasa por la formación de un embrión. Para pasar de un cigoto unicelular a un organismo multicelular no solo tienen que multiplicarse las células, también tienen hacerse diferentes. Esta diferenciación se debe a que en unas células se transcriben unos genes y en otras otros, hay una expresión génica diferencial. Esta se basa en tres postulados: -

Todos los núcleos de las células somáticas contienen el genoma completo presente en el cigoto. En las germinales no siempre (oogonias y espermatogonias si)  equivalencia genómica Los genes no utilizados en una célula diferenciada no se destruyen ni mutan, simplemente no se expresan, pero mantienen ese potencial. Solo un pequeño porcentaje del genoma se expresa en cada célula, y solo una porción del ARN que se sintetiza es específico para ella. Muchos de los genes que se expresan son housekeeping, comunes a todas las células.

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La equivalencia genómica se demostró por cierta evidencia: Cromosomas politénicos de Drosophila (2n=8): ciertos tipos celulares replican su genoma pero no se dividen luego. Este proceso se repite varias veces y se acaba viendo un solo cromosoma de enorme tamaño y varios brazos, ya que todos los centrómeros se agrupan en solo uno. Al teñirlo se ve que el patrón de bandas de distintas células con esta característica es idéntico. Cariotipos humanos: todos los cromosomas son idénticos, independientemente de la línea celular que utilicemos para obtenerlos. Estudios de hibridación: al hibridar DNA de distintas células de un mismo organismo la coincidencia es total. Clonación de la oveja Dolly: fue la prueba definitiva. Obtuvieron óvulos de una oveja en metafase de la segunda división meiótica y de una oveja de raza diferente células mamarias en G1. Del ovocito extrajeron el núcleo e introdujeron la célula mamaria completa. Sometieron la célula resultante a corriente eléctrica y comenzó a dividirse. El ovocito se implantó en la oveja original y se desarrolló el organismo completo. En este proceso se consiguió que la célula mamaria se desdiferenciara y diera lugar a un organismo completo, prueba de que contiene todo el genoma.

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La expresión del genoma por tanto tiene que ser regulada, lo que puede ocurrir a varios niveles: -

- Transcripción diferencial Procesamiento selectivo de ARN diferencial

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- Traducción selectiva del RNA Modificación diferencial de proteínas

Transcripción génica diferencial Algunos genes tienen que transcribirse solo en momentos muy concretos y dejar de transcribirse de forma brusca. Ciertas proteínas solo se necesitan en un momento del desarrollo muy concreto, tiempos muy ajustados. ----------------------------------------Repaso: Estructura y función de genes que codifican proteínas - Secuencia transcrita: formada por intrones y exones. También incluye secuencias de inicio y parada de traducción que se conservan en el proceso de maduración pero que no se reflejan en la proteína resultante. - Promotor: en el extremo 5’ del gen. En los promotores se unen los elementos que permiten la unión de la polimerasa. De las 3 RNA polimerasas ninguna es capaz de unirse directamente, necesitan que antes se unan a esta secuencia factores de transcripción, en un orden concreto. Estos factores son ubiquos, están en todas las células por igual, por lo que no van a realiza ninguna acción reguladora. Destaca la proteína TBP (TATA binding protein) que es la responsable de colocar la polimerasa en el nucleótido 1. Podemos distinguir varios elementos dentro de la secuencia: o Básicos: caja TATA, secuencia iniciadora Inr y DPE (Downstream Promotor Element). o Otros elementos: caja GC, caja CAAT, elemento OCT. Se encuentran upstream y necesitan que se unan a ellos determinadas proteínas, que si que realizan una función reguladora. Dependiendo de qué proteína reconozca estas regiones el gen se transcribirá o no.

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Enhancers: secuencias de DNA reguladoras. Es encuentran alejadas en el genoma del gen que regulan, tanto up como downstream. Funcionan en cis, se localizan en la misma cadena que regulan. Se identifican clonando regiones cercanas de los genes que queremos estudiar con genes reporter (ej. con luminiscencia). Si hay un enhancer se permitirá la transcripción del reporter, y además nos indicará las condiciones en las que se activaría el gen original. Estas secuencias no funcionan solas, necesitan la unión de proteínas, llamadas activadoras. Tienen varios dominios que interaccionan con otras proteínas o enzimas para desestabilizar los nucleosomas. Los enhancers son los responsables últimos de la eficiencia y tasa de transcripción de un gen. Las proteínas que se unen al enhancer pueden alterar la estructura de la cromatina, o también generar la formación de lazos que acerquen el enhancer al promotor. Se genera un mediador, un puente proteico entre el enhancer y el promotor que permite la transcripción.

Repaso: Estructura de la cromatina El DNA en condiciones normales no está libre, se encuentra empaquetado formando la fibra de cromatina. El primer paso en esta organización es que la hebra de DNA se enrolle alrededor de octámeros de histona, formando nucleosomas. Estas histonas tienen sus colas aminoterminales expuestas hacia el exterior, las cuales son fundamentales en la regulación ya que permiten o no la transcripción según como estén modificadas. Generalmente cuando las colas están metiladas no se permite la transcripción y cuando están acetiladas la cromatina se abre y se permite la transcripción. Un enrollamiento superior es en solenoide, en el que hay 6 nucleosomas por vuelta. Esta estructura está anclada por la topoisomerasa que se encuentra en la matriz nuclear, que impide que se desenrolle. Las proteínas pioneras van rastreando por este DNA empaquetado hasta que encuentran el enhancer y liberan esta región, permitiendo la unión de las proteínas activadoras, que finalmente permitirán la apertura de los nucleosomas para acceder al promotor. Los promotores y los enhancer tienen que estar libres de nucleosomas, pero estos no tienen que desaparecer para que se produzca la transcripción, se van abriendo con el paso de la polimerasa. ----------------------------------------A la vista de esta estructura, existen varias formas de controlar la transcripción:

1.La cromatina debe estar accesible o abierta, no empaquetada El grado de empaquetamiento depende de modificaciones en histonas y también de las proteínas de la matriz nuclear. Para que un gen se pueda transcribir tiene que estar en una región del DNA en el que la cromatina no esté condensada. Se pueden dar casos de transcripción en cromatina condensada, gracias a las proteínas pioneras que identifican secuencias en regiones reprimidas y abren la cromatina. Puede también ocurrir que regiones descondensadas que ya no se utilizan se condensen. El mantenimiento de las situaciones de condensación y descondensación resultaría costoso, por eso existen proteínas con memoria: -

La familia Trithorax que mantiene regiones en estado abierto durante largos periodos de tiempo. La familia Polycomb que mantienen genes reprimidos.

No son las que determinan si se va a abrir o cerrar, solo mantienen el estado en el que ya se encuentra. Estas proteínas están ligadas a la existencia de secuencias de DNA que reconocen, conocidas como aisladores. Cuando se unen determinadas proteínas a ellas son capaces de mantener grados de empaquetamiento diferente a ambos lados de la secuencia. Esta es una forma de controlar la accesibilidad de los enhancers a los promotores.

2.Los nucleosomas deben estar descondensados La descondensación de los nucleosomas depende de las modificaciones en las colas de las histonas. Las colas aminoterminal pueden acetilarse, metilarse, alquilarse… dependiendo de la modificación y el aa en el que se produce habrá comportamiento determinado, desarrollándose un código de histonas. Destacan las modificaciones en las histonas H3 y H4. Como regla general, la acetilación de H3 y H4 en residuos de Lys y Arg está ligado a una descondensación. Al contrario, la metilación en otras posiciones conlleva que se cierre (excepto H3 en 4, 38 y 79).

3.Los promotores y enhancers deben estar accesibles Y además tienen que estar presentes las proteínas que reconocen estas secuencias. Un mismo enhancer puede ser reconocido por distintas proteínas, y un gen puede ser controlado por más de un enhancer, consiguiendo asi otro nivel de control. Por ejemplo, un gen con dos enhancers, a cada uno de los cuales se unen dos proteínas diferentes. El gen que controlan se expresa en cere bro y extremidades. En cerebro reconoce el enhancer 1 ya que está presente su proteína ...