Tema 9b Parte 1 PDF

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Profesores Agustín Ortiz Martínez y Mª Teresa González Jaén...

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Tema 9B: Desarrollo en vertebrados. Morfogénesis en Drosophila 1. Formación del blastodermo y celularización La segmentación de Drosophila es superficial. Los núcleos se dividen 13 veces antes de formar células. Previo a este momento todos los núcleos comparten un citoplasma común y el material puede difundirse a través del embrión. En estos embriones la especificación de los tipos celulares a lo largo de los ejes anteroposterior y dorsoventral es llevada a cabo por las interacciones de materiales citoplásmicos dentro de la única célula multinucleada. NOTA: Destacar que el comienzo de las diferencias anteroposterior y dorsoventral son controladas por la posición del huevo (gameto femenino) dentro del ovario de la madre.

La mayoría de los huevos de insectos experimentan segmentación superficial, en el cual las células no se forman hasta después de que los núcleos se han dividido. En Drosophila el núcleo del cigoto experimenta varias divisiones mitóticas dentro de la porción central del cigoto. Así se forman, mediante 8 divisiones, 256 núcleos. A continuación, los núcleos migran a la periferia del huevo, donde continúa la mitosis. Estos núcleos llegan a ser incluidos en membranas celulares y generan las células polares que dan origen a los gametos del adulto. La mayoría de los otros núcleos alcanzan la periferia del embrión en el décimo ciclo y luego experimentan cuatro divisiones más.

Durante estos estadíos de división celular el embrión se denomina blastodermo sincitial, en el cual todos los núcleos están en un citoplasma común. Estos núcleos interaccionan a nivel de la membrana nuclear. Cuando los núcleos alcanzan la periferia del huevo durante el décimo ciclo de segmentación, cada núcleo llega a rodearse de microtúbulos y microfilamentos. Los núcleos y sus islas de citoplasma se llaman energidas. La célula pasa a ser individual y las interacciones comienzan a ser entre las membranas. En el decimotercer ciclo de división la membrana plasmática del huevo se pliega hacia dentro entre los núcleos, separando cada núcleo somático en una célula individual. Este proceso crea el blastodermo celular, en el cual todas las células (más diferenciadas) están organizadas en una única capa rodeando al centro de vitelo del huevo. Destacar que la formación del blastodermo celular implica una delicadísima interacción entre los microtúbulos y los microfilamentos. NOTA: Los ciclos de 1 a 10 duran unos 8 minutos, el 13 dura 25 minutos. El ciclo 14, en el que el embrión de Drosophila forma células es asincrónico. Este enlentecimiento de la división celular y el incremento de la transcripción de RNA son referidos como la transición a blástula media. El control de este enlentecimiento mitótico parece ser producido por la proporción de la cromatina en relación al citoplasma.

La gastrulación comienza con la segregación del mesodermo, endodermo y ectodermo presuntivos. Se produce la invaginación del mesodermo presuntivo, que causa la formación de un surco ventral que finalmente se separa de la superficie para convertirse en un tubo ventral, el cual luego se aplana para formar una capa de tejido mesodérmico bajo el ectodermo ventral. El endodermo se invagina como dos bolsillos en los extremos anterior y posterior del surco ventral. Las células polares se internalizan junto con el endodermo. En este momento, los embriones se incurvan para formar el surco cefálico. Las células ectodérmicas y el mesodermo migran a la línea media ventral para formar la banda germinal, la cual posteriormente se extiende y se envuelve alrededor de la superficie dorsal del embrión. Por lo tanto las estructuras más posteriores de la larva están localizadas detrás de la futura región de la cabeza. En ese momento comienzan a aparecer los segmentos del cuerpo, que dividen ectodemo y mesodermo. Luego la banda germinal se repliega, colocando los segmentos posteriores presuntivos en la punta posterior del embrión. Mientras que la banda germinal está en su posición extendida se producen la organogénesis, segmentación y segregación de los discos imaginales. Además, el sistema nervioso se forma a partir de su ectodermo neurogénico dentro de cada segmento, por lo tanto, en Drosophila, el sistema nervioso está localizado ventralmente. El plano corporal general de Drosophila es el mismo en el embrión, la larva y el adulto, cada uno tiene un extremo de la cabeza bien diferenciado y una cola definida, entre estos extremos hay unidades segmentarias repetidas. Tres de estos segmentos forman el tórax, mientras que otros ocho segmentos forman el abdomen. Cada segmento de la mosca del adulto tiene su propia identidad. Por ejemplo, el primer segmento torácico tiene solo patas, el segundo tiene patas y alas y el tercero tiene patas y halterios.

Los ejes anteroposterior y dorsoventral se forman en ángulos rectos entre sí y son determinados por la posición del ovocito dentro de las células foliculares del ovario.

NOTA: Los genes deben de expresarse en el momento y lugar adecuado, de no ser así será un mutante.

2. Orígenes de la polaridad anteroposterior Los genes efectores maternos expresados en el ovario de la madre producen mRNAs que son colocados en diferentes regiones del gameto femenino y que codifican para proteínas reguladoras de la transcripción y de la traducción que difunden a través del blastodermo sincitial y activan o reprimen la expresión de ciertos genes cigóticos. Dos de estas proteínas, Bicoid y Hunchback, regulan la producción de estructuras anteriores (región de la cabeza), mientras que Nanos (impide que se traduzca el DNA de Bicoid uniéndose a la zona de RNAm de éste) y Caudal, regulan la formación de las partes posteriores. A continuación actúan los genes regulados por estos efectores maternos, los genes gap, distintas concentraciones de proteínas del gen gap causan la transcripción de los genes pair-rule. La transcripción de los genes pair-rule resulta en un patrón de franjas de siete bandas verticales perpendiculares al eje anteroposterior. Las proteínas de gen pair-rule activan la transcripción de los genes de polaridad de segmento, cuyos productos establecen la periodicidad del embrión, es decir, marcan los segmentos de la larva. Al mismo tiempo, los productos de los genes gap, pair-rule y de polaridad del segmento interactúan para regular los genes selectores homeóticos, cuya transcripción determina el destino de desarrollo de cada segmento. NOTA: El factor transcripcional y las proteínas reguladoras o efectoras, son los factores esenciales para la expresión de los genes. NOTA: Los genes cigóticos comprenden tanto los genes de efecto materno, como los genes gap, los de regla par y los de segmentación.

2.1. Genes efectores maternos El patrón del eje anteroposterior (más de 30 genes) del embrión de Drosophila se establece antes de que incluso comiencen a funcionar los núcleos. Las células nodrizas del ovario depositan mRNA en el ovocito en desarrollo, y estos mRNA son distribuidos a distintas regiones de la célula. Cuatro mRNAs maternos son críticos para la formación del eje anteroposterior: · Los de bicoid y hunchback, cuyos productos proteicos son críticos para la formación de la cabeza y del tórax. o Los de bicoid están localizados en la porción anterior del gameto femenino sin fecundar, amarrados a los microtúbulos anteriores o Los de hunchback y caudal están distribuidos a lo largo de todo el ocito. Estas distribuciones son llevadas a cabo en el oocito por los microtúbulos. · Los de nanos y caudal, cuyos productos proteicos son críticos para la formación de los segmentos abdominales. o Los de nanos están unidos al citoesqueleto en la región posterior del gameto femenino sin fecundar.

Ante esto pueden existir mutantes: · Torso mutantes: Faltan los genes terminales · Bicoid mutantes: Faltan los genes anteriores, faltando segmentos típicos de la cabeza. · Nanos mutantes: Faltan los genes posteriores, produciendo una mosca sin abdomen.

NOTA: Las células intercelulares interactúan con las células de las distintas regiones foliculares (somáticas de la madre; 2n) del oocito. Asi cuando el oocito queda listo, tendrá células con un destino y otras células con otro. Estos mRNAs pueden ser traducidos a proteínas: · En el polo anterior el mRNA de bicoid es traducido a la proteína Bicoid. Que forma un gradiente que es más elevado en el extremo anterior. · En el polo posterior, el mensajero nanos es traducido a la proteína Nanos, que forma un gradiente que es más elevado en el extremo posterior. Bicoid inhibe la traducción del mRNA de caudal, permitiendo que la proteína Caudal sea sintetizada solamente en la zona posterior de la célula, por el contrario, la proteína Nanos, junto con la proteína Pumilio, se unen al mRNA de huchback, evitando su traducción en la porción posterior de embrión. Bicoid también eleva el nivel de la proteína Hunchback en la parte anterior del embrión mediante la unión a los potenciadores del gen hunchback y estimulando su transcripción. El resultado de estas interacciones es la creación de cuatro gradientes de proteínas en el embrión temprano: - Un gradiente anterior-hacia-posterior de la proteína Bicoid. - Un gradiente anterior-hacia-posterior de la proteína Hunchback. - Un gradiente posterior-hacia-anterior de la proteína Nanos. - Un gradiente posterior-hacia-anterior de la proteína Caudal. NOTA: El gradiente (refiriéndonos al sentido informativo) es para las proteínas y no para el RNAm.

Las proteínas Bicoid, Hunchbak y Caudal son factores de transcripción cuyas concentraciones relativas pueden activar o reprimir genes cigóticos particulares, ya que ahora todo está dispuesto para la activación de los genes cigóticos en los núcleos que estaban ocupados dividiéndose mientras se estaba estableciendo ese gradiente. NOTA: Además de los genes morfogénicos anteriores y posteriores, hay un tercer grupo de genes maternos cuyas proteínas generan las extremidades no segmentadas al eje anteroposterior: el acron (la porción terminal de la cabeza que incluye el cerebro) y el telson (la cola). Un gen crítico aquí parecer ser torso.

3. Los genes de segmentación La transición desde la especificación a la determinación en Drosophila está mediada por los genes de segmentación, que dividen al embrión en una serie de primordios segmentarios a lo largo del eje anteroposterior. La transición hacia un embrión con distintas unidades es llevada a cabo por los productos de los genes gap. Los genes gap son activados o reprimidos por los genes de efecto materno y dividen al embrión en amplias regiones, cada una con varios primordios de parasegmentos (las regiones del embrión que están separadas por engrosamientos mesodérmicos y surcos ectodérmicos). Los productos proteicos de los genes gap interactúan con las proteínas de los genes gap vecinos para activar la transcripción de los genes pair-rule, cuyos productos subdividen a las regiones amplias del gen gap en parasegmentos. Finalmente, los genes de polaridad de segmento son responsables del mantenimiento de ciertas estructuras repetidas dentro de cada segmento. 3.1. Los genes gap Regionalizan todo el organismo, de modo que cada núcleo tiene un patrón diferente de proteínas gap que le afectan, incluso también en distintas concentraciones. La expresión de los genes gap es dinámica. Hay en general un bajo nivel de actividad de transcripción a través de la totalidad del embrión que llega a consolidarse a media que continúa la segmentación en distintas regiones de alta actividad. El elemento crítico parece ser la expresión de la proteína Hunchback. Los patrones de transcripción de los genes gap anteriores son iniciados por las diferentes concentraciones de las proteínas Hunchback y Bicoid. Los altos niveles de Hunchback inducen la expresión de giant, y además, también evitan la transcripción de los genes gap posteriores en la parte anterior del embrión. Se piensa que un gradiente de la proteína Caudal, más alto en el polo posterior, es responsable de la activación de los genes gap abdominales en la parte posterior del embrión. Después de que estos patrones han sido establecidos por los genes de efecto materno y Hunchback, la expresión de cada gen es estabilizada y mantenida por interacciones entre los diferentes productos de los genes gap.

3.2. Los genes pair-rule La primera indicación de la segmentación en los embriones de mosca se produce al expresar los genes pair-rule, sus patrones de transcripción se basan en que ellos dividen al embrión en áreas precursoras del plan segmentario del cuerpo. Una banda vertical de núcleos expresa un gen pair-rule, la siguiente banda no lo expresa y la siguiente lo expresa nuevamente. El resultado es un patrón de “bandas de cebra” a lo largo del eje anteroposterior que divide al embrión en 15 subunidades. Una vez iniciado por las proteínas de los genes gap, el patrón de transcripción de los genes pair-rule primarios llega a estabilizarse por la interacción entre sus productos. Los genes pair-rule primarios también forman el contexto que permite o inhibe la expresión de los genes pair-rule secundarios que actúan más tarde, uno de los genes pair-rule secundarios es fushi tarazu (ftz). Durante el ciclo 14 de división, el mRNA de ftz y la proteína son vistos a lo largo de la porción segmentada del embrión, sin embargo, cuando las proteínas de los genes pair-rule primarios comienzan a interactuar con el potenciador de ftz, el gen ftz es reprimido en ciertas bandas de núcleos para generar regiones interbandas. Mientras

tanto, la proteína Ftz interactúa con su propio promotor para estimular más transcripción de ftz donde ya está presente. La expresión de cada gen pair-rule en siete bandas, divide al embrión en 14 parasegmentos, con cada gen pair-rule siendo expresado en parasegmentos alternados. Además, cada hilera de núcleos dentro de cada parasegmento expresa una combinación única y particular de los productos de pair-rule, estos productos activarían el siguiente nivel de genes de segmentación, los genes de polaridad del segmento. -

Hipótesis para la formación de la segunda banda de transcripción del gen even-skipped (eve): A) Las “bandas” 2-5 de eve se forman en uniones particulares de los genes gap. Por lo tanto, los límites de la transcripción de eve están determinados por las altas concentraciones de estas proteínas. Diferentes elementos potenciadores contienen secuencias de unión para diferentes factores de transcripción. En el potenciador para la segunda banda de transcripción de eve, la unión de la proteína Hunchback estimula la transcripción. En el pontenciador para la tercera banda, ésta inhibe la transcripción. B) El elemento potenciador para la regulación de la banda 2, contiene secuencias de unión para las proteínas Krüppel, Giant, Bicoid y Hunchback. NOTA: Nótese que casi cada sitio activador está estrechamente relacionado con un sitio represor, lo que sugiere interacciones competitivas en estas posiciones.

3.3. Los genes de polaridad del segmento Una vez se forman las células, las interacciones van a ser intracelulares y van a estar mediadas por los genes de polaridad del segmento, que refuerzan la periodicidad parasegmentaria establecida por los factores de transcripción tempranos, y establecen destinos celulares dentro de cada parasegmento....