TEMA ROM 2.1 BIOLOGÍA PDF

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2.TEMA 2. DESARROLLO. Los seres vivos se conciben como seres unicelulares, pero, en determinadas ocasiones, la evolución ha dado lugar a seres pluricelulares. No hay gran diferencia entre ambos mundos. Si analizamos en que consiste un animal desde el punto de vista del linaje germinal, vemos que estas células son las únicas capaces de hacer meiosis y de dar lugar a la recombinación, por lo que en el fondo se están comportando como los seres unicelulares, dividiéndose y no envejeciendo. Ahora bien, las células somáticas mueren, cuando cumplen su objetivo, que consiste en mantener el ciclo de las células germinales activo. Por lo tanto, los animales somos un invento de células individuales donde poder mejorar las probabilidades de supervivencia, ser más competitivo, estar alimentado y protegido.

2.1 MECANISMOS DURANTE EL DESARROLLO. Las células hacen dos cosas fundamentales en el desarrollo: proliferan y se diferencian. La palabra clave es “ se comportan” de manera diferente. Las células reciben información del exterior a través de moléculas que son captadas por receptores de diferentes tipos (de membrana, de ligandos que pueden estar en la superficie de otras células, por lo que se necesita contacto celula-celula para la señalización, ligando soluble, ligando fijo en la matriz extracelular no soluble y ligando liposoluble, que son capaces de atravesar la membrana y ser captados por receptores que están en el núcleo). Cuando las moléculas son captadas por los receptores, se origina una señal en cascada, llevando una respuesta, reprimiendo/modulando la expresión de genes. De esta manera, a partir de toda esta información, la celula decide si se diferencia, si prolifera, migra o muere. Por lo tanto, el desarrollo será la consecuencia/resultado de todo este sistema complejo de migraciones dadas en las células.

2.2 LINEA GERMINAL. El fenómeno de disminución cromosómica en nematodos (Ascaris) fue clave para el descubrimiento de la línea germinal (Experimento de Boveri,1910). Vemos que los cromosomas se podían ver en la división celular; se observó que en el cigoto hay una parte del citoplasma que tenía un aspecto especial, más grisáceo y granuloso, y se veía que cuando se dividían los blastómeros, uno de llevaba esta sustancia, y otro no. El blastómero sin plasma germinal, tenía disminución cromosómica, no se mantiene la integridad de los cromosomas. A la celula que presentaba integridad cromosómica se le llamó celula germinal, a su citoplasma se le llamo plasma germinal. Se cogió el cigoto antes de la fecundación y lo centrifugó. Tras esto, se vio que ninguno de los blastómeros sufría disminución cromosómica al dividirse, pero cuando se volvían a dividir, si se sufrió disminución cromosómica.

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La gran pregunta era la de la diferenciación, donde cada celula hace una cosa diferente. August Weismann estaba muy interesado en la herencia de los caracteres. A Ausgust se le ocurrió una idea y es que ¿no puede ser que en el núcleo haya unos factores que determinen el destino de las células que lo heredan? Hoy día sabemos que esto es erróneo, pues todas las células reciben los mismos genes, aunque la idea de que cada celula recibía una parte de los acumulantes que tenía el cigoto no estaba nada mal.

Esto llevó a un concepto, y es que, si un cigoto se divide en dos células, una somática (P1) y una germinal, y así, cada una en ambas, hasta que acabamos, produciendo gametos, ahí está implicado el concepto celula madre que consiste en la celula asimétrica, en la división de dos células que tienen características diferentes, la capacidad de dar lugar a dos células que tienen funciones diferentes. En este caso tenemos por tanto células madres de reproducción asimétrica que da lugar a compartimentos somáticos manteniendo el linaje germinal. IDENTIFICACIÓN DEL LINAJE GERMINAL 

Drosophila.

Destaca la expresión del gen GCL. Si yo me voy al ovulo sin fecundar y por hibridación in situ localizo el mensajero de GCL (sin células germinales), está en la parte posterior. Si hacemos mutante, vemos que no tiene expresión de mutante GCL. Fecundo ese ovulo con espermatozoide, empieza el desarrollo y me encuentro que las células germinales expresan GCL y el mutante no tiene células germinales. Hablamos de una mutación que produce la ausencia de células germinales. ¿Por qué se forma en la parte posterior? Porque las células germinales se van a formar en una región concreta del cigoto donde hay inhibidores transcripcionales, pues son proteinas que inhiben la expresión génica, pues no dejan que esas células se expresen y si inhibimos la expresión génica, permanecen en un estado embrionario, permanecen en quiescencia, pues están quietas hasta que les toque lo que tengan que hacer, pues es dar gametos. ¿Qué le pasará a un mutante GCL? Va a tener hijos y gametos, pero lo que no tiene son nietos. El problema es que cuando produce sus gametos, en sus gametos no está el gameto GCL, por lo tanto, es un gen de efecto materno. El desarrollo de Drosophila está dirigido en buena parte de su recorrido por genes maternos, es decir, el cigoto no se organiza a partir de su información genética, sino a partir de la información genética de su madre, por lo que la mutación GCL en macho no tiene transmisión genética porque GCL en macho se va a transmitir solo por vía materna.

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Anfibios.

La expresión de Nanos la vamos a ver en el polo vegetal de embriones de Xenopus (2-4 blastómeros). 

C. Elegans.

Inhibición transcripcional en la celula P de C. Elegans (gen reportero para pes-1). Tengo 4 blastómeros, 3 expresan el gen y 1 no, porque tiene reprimida la expresión de un montón de genes, entre ellos el gen Pes-1. 

Mamíferos.

En mamíferos, las células germinales migran desde su lugar de origen hasta el primordio de las gónadas (espec. Condicional). Al comienzo del desarrollo no existe diferencia entre el compartimento germinal y somático ( no hay plasma germinal ), prácticamente todas las células pueden ser de un tipo u otro (gracias a esto podemos hacer ratones transgénicos). Las células germinales en un momento temprano del desarrollo las podemos localizar en la zona del epiblasto (antes de la gastrulación) y luego las vamos a encontrar en la parte posterior del embrión donde se va a formar el alantoides que es el tejido progenitor de la placenta. Por lo tanto, la mayor parte de las células se vuelven somáticas y algunas pocas germinales. Las gónadas se van a formar en el techo de la cavidad abdominal (celomica), ahí se van a formar una serie de crestas. Las células germinales tienen que migrar a las gónadas, esta migración se da cuando se están empezando a formar las gónadas, las células migran a través del tejido hasta que se alojan en las gónadas. Si teñimos con fosfatasa alcalina, vemos como las células germinales se van desplazando en fila hasta llegar a la cresta genital.

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Aves.

En aves, las células germinales migran desde su lugar de origen hasta el primordio de las gónadas por vía circulatoria. El embrión es más grande que en mamíferos, la migración a través de la matriz extracelular es complicada, para ello, las aves tienen enzimas que degradan la matriz. Aun así, si la distancia es muy grande, la migración se produce por vía circulatoria, atraviesan la pared del vaso más próximo y mediante unas moléculas de la aorta, las células se pegan a esta (tras reconocerse) y atraviesan el endotelio.

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FACTOR DE TRANSCRIPCIÓN Oct4. El factor de transcripción Oct4 es marcador de células germinales. La expresión es continua en la línea germinal. Hay un factor de transcripción que es Oct4, que se expresa casi siempre en el linaje germinal . Yamanaka sugirió que si cogemos células adultas y forzamos la expresión de 4 factores de transcripción (factores yamanaka), esas células se convierten en células madre pluripotenciales. Uno de los factores de transcripción es Oct4. Si miro la expresión de Oct4 en una etapa temprana del desarrollo, veo que hay muchas células que lo expresan, pero rápidamente, ya estoy viendo una hilera de células que expresan Oct4 y muchas que no, por lo tanto, muchas células se han vuelto somáticas tras apagar la expresión de Oct4, el cual es un factor de transcripción que mantiene la línea germinal. Veo Oct4 en las espermatogonias y en las ovogonias (células progenitoras de espermatozoides y de los ovocitos). Estas van a expresar Oct4 para mantener la continuidad de la lineal germinal. Aun así, es importante saber que el espermatozoide no expresa Oct4, se apaga el factor de transcripción porque no hay expresión génica en los espermatozoides. Para formarse, los espermatozoides necesitan condensarse mucho de manera que esto no permite la expresión génica, la cromatina está muy condensada. Un el único momento en el que apagamos Oct4, pero este está presente en todo momento en la línea germinal. Si miro el número de células germinales Oct4+ a lo largo del desarrollo, vemos que el número de células germinales en el ovario aumenta mucho hasta el 6 mes de la gestación y luego, disminuye muchísimo incluso después del nacimiento y continúa disminuyendo en la pubertad. Esto ocurre porque la estrategia reproductiva del mamífero , es k-estratega, entonces no tiene sentido mantener millones de ovogonias, sino que se mantiene un número pequeño que es suficiente para la reproducción, porque la fecundidad es muy grande. Las células germinales embrionarias son una fuente potencial de células madre. Producen teratocarcinomas cuando son implantadas en ratones inmunodeficientes. Las células madre son células pluripotenciales, indiferenciadas. Yo puedo coger las primeras células embrionarias que todavía no sabemos si son somáticas o germinales o incluso puedo coger las células germinales e incluso también puedo coger células en estado de teratocarnicoma, que son canceres que afectan a células germinales, y puedo cultivarlas. Por lo tanto, si sacamos, podemos obtener más células madre pluripotenciales. Esto actualmente ha desaparecido. Las células germinales mantienen la pluripotencialidad, hasta un tumor de células germinales. Un tumor tiende a diferenciarse como si fuese una especie de embrión. ¿Entonces, por qué un teratoma no forma un embrión? Debido a la organización, es decir, el mecanismo a través del cual una celula sabe dónde está. En todos los desarrollos embrionarios hay una serie de señales, que le dicen al embrión cuales van a ser sus ejes, su patrón de formación. El teratoma no sabe dónde tiene que poner sus ejes (por ejemplo, donde tiene que poner la parte posterior y la parte anterior). DIFERENCIACION DE CELULAS GERMINALES ¿MITOSIS O MEIOSIS? ¿OVULO O ESPERMA? La diferenciación en ovulo o espermatozoides puede o no depender de los genes. Una vez en meiosis, puede emprender el camino del ovulo acumulando vitelo o de espermatozoide, desarrollando sistemas de velocidad. 

Caso de C. Elegans.

Vemos células germinales en el fondo de la gónada y una única celula en el extremo distal que emite prolongaciones citoplasmáticas hacia dentro. Si miramos si las células germinales hacen mitosis o meiosis, vemos que, dependiendo de la región, algunas harán mitosis o meiosis. Las que hacen meiosis, se están diferenciando a gametos, ya sea ovulo o espermatozoide. La celula que se encuentra en el extremo distal tiene algo que ver en esto, pues en el momento que eliminamos esta celula, todas las células entran en meiosis, dan todas gametos y el animal se queda estéril, no se mantiene el pool de células germinales en mitosis. En C. Elegans (nematodo) la mitosis es mantenida por contacto con prolongaciones de las células distales que expresan Lag2, un homólogo de Delta. Las CG expresan Glp1 un homólogo de Notch. (¡Nicho!) 4

Se vio que aquí había 2 genes que regulan esto. Un gen es Lag2, que se expresa en las prolongaciones de la celula distal, en la superficie de la membrana celular. Las células germinales expresan el otro gen, Glp1. Glp1 es un receptor y Lag2 va a actuar como ligando de este receptor. Se vio que a los gusanos mutantes de Glp1 les pasaba lo mismo que si quitamos la celula del extremo distal, siendo responsable de mantener células en mitosis. Lag2 corresponde a un gen que se había descrito en Drosophila, que se llama Delta y Glp1 también existe en Drosophila y se llama Notch. El sistema Delta-Notch es uno de los sistemas fundamentales en el sistema de señalización de los animales, pues va a ser responsable entre otras cosas de la regulación del nicho de células madre. Este sistema funciona de manera que el receptor Notch cuando no está ligado, su porción instracitoplasmatica tiene una configuración que la protege de una serie de proteasas, manteniéndose integra. De lo contrario, cuando Notch está ligado a un ligando, cambia la configuración intracitoplasmatica y se vuelve sensible al ataque de las proteasas, por lo que las proteasas cortan la porción intracitoplasmatica de Notch. NIC intracelular transloca el núcleo y activa la transcripción de determinados genes. Esto es un sistema enormemente económico que informa a la celula de la presencia o no de Notch. Si hay ligando de Notch, la transcripción activa la mitosis. En el momento que falta el ligando de Notch, falta la porción intracitoplasmatica y deja de haber ciclo celular, así mismo, la celula activara el mecanismo de meiosis. No hay un ligando soluble de Notch, se basa en el contacto celula-celula. Esto explica que, si las células van haciendo mitosis, aumentara el número de células, de manera que se irán empujando una a otra, hasta soltarse del contacto celula-celula y como consecuencia se dará la meiosis. Esto lleva al concepto de nicho. Las células madre pueden seguir como están o cambiar hacia otra dirección (gameto, celula hematopoyética, neurona…etc), esto se controla a través de un nicho de la celula madre, donde llegan señales. En el caso de C. Elegans, una sola molecula de una sola celula controla el nicho. DECISION OVULO-ESPERMATOZOIDE 

En C. Elegans la decisión ovulo-espermatozoide está regulado por genes fem y pumillo. Los genes fem determinan el sexo masculino. Cuando queremos determinar el sexo masculino, pumillo estará inactivo, y a partir de los genes fem, la celula germinal se diferencia como espermatozoide. En el sexo femenino, el gem pumillo está activo, lo que hace que no se sinteticen proteinas fem y por lo tanto la celula germinal de lugar a un gameto femenino. La decisión está regulada por los genes fem, pues estos masculinizan y si no está activo, feminiza.

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En mamíferos, la diferenciación de la gónada bipotencial se regula también por muy pocos genes. Estos harán que la gónada bipotencial pueda dar ovario o testículo. Hay un gen fundamental que es SRY, gen clave para la decisión ovario/testículo. SRY es un gen que está en el cromosoma Y (por lo que solo lo tienen los machos). La mutación SRY feminiza. Si SRY está activo, por tanto, la gónada bipotencial se convierte en un testículo, si no, bajo la acción de el gen DAX1, se formara el ovario. El ovario produce estrógenos y el testículo produce testosterona y la hormona antimuleriana.

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Tenemos dos conductos asociados a las gónadas, uno es el conducto de Wolff, que es el conducto excretor del embrión (ya sea macho o hembra) y otro es el conducto de Muller, que se desarrolla en macho o hembra, pero que tiene diferentes destinos, si hay estrógeno se formara el tracto genital femenino (incluyendo el útero); En machos, el factor inhibidor del conducto de Muller, provoca la regresión del conducto de Muller, como consecuencia, a través del conducto de Wolff, se formaran los genitales internos masculinos. Además, a través de DHT, se formará el pene y la próstata.

El conducto de Wolff, termina dando todos los conductos eferentes que drenan al exterior, este conducto terminará degenerando en hembras. El conducto de Muller, termina degenerando en machos y en hembras no.

2.3 GAMETOGENESIS. 2.3.1 ESPERMATOGENESIS. EL LINAJE ESPERMATICO. Vemos que una espermatogonia de tipo A, puede dar otra de tipo A1 o de tipo A2 (decisión primaria típica de células madre). Una de tipo A1, mantiene la propiedad de seguir siendo una celula madre, pero la A2, ha entrado en un camino irreversible hacia la diferenciación, primero tiene lugar una serie de mitosis, y cuando llegamos a la espermatogonia de tipo B, tienen lugar las divisiones meióticas. Posteriormente, se da la formación del cilio que terminará siendo el flagelo y se está compactando el núcleo (espermatidas). En un momento determinado el flagelo se desprende del citoplasma dando lugar a los espermatozoides. Las espermatogonias de tipo A son las células madre del linaje espermático.

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ORGANIZACIÓN DEL TUBULO SEMINIFERO. Proliferación y diferenciación de las celulas germinales I. Espermatogénesis. Hay tubulos donde se produce la espermatogenesis. Si cortamos el tubulo vemos unas celulas que recubren el tubulo, espermatozoidas de tipo A1, A2, B y vamos a ir viendo los espermatozitos primarios, luego secundarios…etc. Por lo que, estos van a estar mas diferenciados hacia dentro, la produccion se hace de fuera a dentro. Esto se debe a que en la regulacion del proceso intervienen las celulas de Sertoli, que abrazan a los distintos tipos celulares, y mediante la expresion de receptores de distintos tipos en la superficcie va a ir regulando estos pasos (la decision primaria de entrar en mitosis, y la posterior decisión de entrar en meiosis). Hay otras celulas que son externas que son las celulas de Leyding. En el proceso de diferenciación del espermatozoide el aparato de Golgi deja una vesícula acrosomica en la parte anterior y en la base del flagelo se acumulan las mitocondrias (productoras de ATP necesario para que la celula se mueva).

2.3.2. OOGENESIS. En vertebrados r-estrategas, con puestas abundantes las oogonias se comportan como las espermatogonias (stem cells). En mamíferos (K-estrategas), las oogonias (7 millones en humanos al séptimo mes de gestación) se reducen a unos pocos miles después del nacimiento. Inician todas las meiosis, pero quedan bloqueadas en profase I hasta la pubertad. De ellas sólo maduran, en humanos, unas 400. Esto revela que ancestralmente había una estrategia distinta, pero actualmente los mamíferos han desarrollado unos cuidados parentales intensivos. La ovulación puede ser:   

Refleja (roedores) Por estímulos ambientales (grandes mamíferos) Cíclica (humanos) 7

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En Drosophila.

La oogénesis se produce en unos cuerpos llamaos folículos en los cuales originalmente habrá una sola celula germinal que va a sufrir un proceso de divisiones especial, pues las células germinales van a quedar incompletamente divididas. Van a tener unos puentes, unas prolongaciones citoplasmáticas que tienen una propiedad particular, dejan pasar sustancias, pero solo en una dirección. Esto se completa hasta tener un conjunto de 16 células (cistoblasto), pero, al final habrá una celula que tendrá 4 entradas y ninguna salida, es decir, hay una celula que recibe sustancias de las otras 15 pero ella no da. Esta celula especial va a ser el ovocito haploide; las otras 15, se poliploidizan, es decir, aumentan mucho el número de cromosomas y se producen en las células nodrizas (células nutrientes), que acumularan sustancias, fundamentalmente vitelo, en el ovocito, por lo que engorda (las otras también engordan, pero porque poliploidizan para producir muchas proteinas que terminaran en el ovocito). El ovocito está adquiriendo ya una organización especial, lo que recibe lo ordena, las moléculas que recibe las pone en diferentes tipos del citoplasma, esto determina el desarrollo de Drosophila. El desarrollo va a estar regulado por genes maternos. Los mensajeros no los va a producir su núcleo haploide, sino las células nodrizas, que proporcionarán los mensajeros que producirán la primera fase del ovocito.

Proliferación y diferenciación de las células germinales II. Oogénesis. ESTRUCTURA DEL OVARIO EN MAMÍFEROS. Los ovocitos no son equivalentes a las espermatogonias (ya han iniciado la meio...