Biología del Desarrollo_Introducción_Clases 1-2_2024 PDF

BIOLOGÍA DEL DESARROLLO Por: Dr. Edwin E. Domínguez Núñez  Objetivos de Aprendizaje  Historia de la Biología del Desarrollo.  Interpretar la relación entre la Biología del Desarrollo y las ciencias relacionadas.  Biología del Desarrollo La...

BIOLOGÍA DEL DESARROLLO Por: Dr. Edwin E. Domínguez Núñez  Objetivos de Aprendizaje  Historia de la Biología del Desarrollo.  Interpretar la relación entre la Biología del Desarrollo y las ciencias relacionadas.  Biología del Desarrollo La Biología del desarrollo es un campo que integra diferentes niveles de la biología. Se puede tener un problema y estudiarlo en los diferentes niveles, por ej: molecular. Es uno de los campos más excitantes y de mayor crecimiento de la biología, integra: Biología Molecular, Fisiología, Biología Celular, Genética, Anatomía, Neurobiología, Inmunología, Ecología y Biología Evolutiva, además, con aplicaciones en investigación del cáncer. El estudio del desarrollo se ha transformado en algo esencial para entender cualquier área de la biología. Es la rama de la biología que se encarga del estudio de los procesos que sufre un organismo desde su fecundación, a través de su ontogenia, incluyendo senescencia, regeneración, morfogénesis y metamorfosis. Objetivos fundamentales del desarrollo: genera diversidad celular y orden dentro de cada generación, asegurándose de este modo la continuidad de la vida desde una generación a la siguiente.  Relación entre la Biología del Desarrollo y la Evolución Primera Etapa (antes de 1900)} Confluencia de la Embriología Comparada y la Teoría de la Evolución. Clasificación más racional de los seres vivos. Teorías sobre transiciones evolutivas. Limitación: Desconocimiento de los mecanismos hereditarios (Leyes de Mendel) Segunda Etapa (1900-1960) Redescubrimiento de las leyes de Mendel. Auge de la Genética de Poblaciones. Desencuentro entre Embriología y Evolución. Tercera Etapa (a partir de 1970) Surgimiento de la Genética del Desarrollo. Descubrimiento de genes y procesos comunes en diferentes organismos. Nueva comprensión de la generación de diversidad.  Origen de la Biología del Desarrollo El siglo XIX, un siglo lleno de avances en Citología (Biología Celular) y Embriología (Biología del Desarrollo), vio cómo se sentaban las bases de la Embriología Descriptiva y Comparada, mientras que el final de este mismo siglo proporcionó los inicios de la Embriología experimental. Karl Ernst von Baer (1792–1876), naturalista estonio y embriólogo pionero, es considerado por algunos como el padre de la embriología moderna. Primero en describir el huevo de los mamíferos (1827) y se convirtió en el primero en rastrear el desarrollo del huevo para producir el embrión. También considerado como el padre de la embriología comparativa, von Baer fue el primero en hacer que la embriología fuera verdaderamente comparativa. Junto con Christian Pander (un zoólogo ruso, uno de los fundadores de la embriología), formuló el concepto de capa germinal como un hecho estructural para la embriología de vertebrados. Wilhelm Roux (1850-1924), un embriólogo alemán, pionero (o fundador) de la embriología experimental. Resultados experimentales: concluyó que los huevos se diferencian a sí mismos en lugar de ser impulsados por condiciones externas.  Origen de la Biología del Desarrollo A principios del siglo XX, Wilson (1856–1939), un zoólogo estadounidense especializado en Citología y Embriología, escribió The Cell in Development and Heredity (3.ª edición, 1925). Este libro se considera correctamente como un clásico, al menos, en los campos de la citología (biología celular) y la embriología (biología del desarrollo). Los experimentos de Hans Spemann (1869–1941; zoólogo alemán y ganador del Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1935 por su descubrimiento del efecto organizador en el desarrollo embrionario) y sus estudiantes formularon las preguntas que los embriólogos experimentales se hicieron durante la mayor parte del siglo XX. En el editorial del artículo, “Donde se encuentran la biología celular y la biología del desarrollo”, en la edición inaugural de la revista, Developmental  Origen de la Biología del Desarrollo Durante la segunda mitad del siglo XX, la fusión de la biología celular y del biología del desarrollo se reflejó en los títulos de libros y revistas: Ej.: Annual Review of Cell Biology became Annual Review of Cell and Developmental Biology, In Vitro became In Vitro Cell and Developmental Biology, 2001, Cell Press established a new journal, Developmental Cell. Se hizo cada vez más claro que el desarrollo debía explicarse a nivel celular. Los intentos de explicar los mecanismos y el control de la proliferación celular, la citodiferenciación, el patrón embrionario y la morfogénesis requerían una comprensión molecular.  La Embriología Comparada descriptiva, la recapitulación y las leyes de von Baer La Anatomía Comparada pre-darwiniana de inicios del siglo XIX, detectó un hecho singular: “a lo largo del desarrollo, los embriones de organismos superiores parecían recapitular algunas características propias de organismos adultos inferiores relacionados con aquellos”. Figura 18.4.1 Copia de George Romanes de 1892 de los controvertidos dibujos embrionarios de Ernst Haeckel. (Dominio Público).  La Embriología Comparada descriptiva, la recapitulación y las leyes de von Baer En aquella época, algunos científicos (John Hunter (1728-1793) y Carl Friedrich Kielmeyer (1795-1844) pensaron que la evolución funcionaba añadiendo nuevas etapas al final del desarrollo del organismo. Ernst Haeckel en 1866 la expuso de un modo sistemático y la difundió ampliamente. Teoría de la recapitulación o ley biogenética: “la ontogenia recapitula la filogenia”. Una idea extrema: si fuera estrictamente cierta, predeciría, por ejemplo, que en el transcurso de su desarrollo un pollo pasaría por los siguientes estadios. La Embriología Comparada descriptiva, la recapitulación y las leyes de von Baer Desarrollo de un pollo demuestra que la Teoría de la Recapitulación es falsa.  La Embriología Comparada descriptiva, la recapitulación y las leyes de von Baer Incluso a una escala menor, la recapitulación de la filogenia por la ontogenia es, a menudo, falsa. Por ejemplo:  Leyes de von Baer En 1828, von Baer (1792-1876) formuló sus famosas leyes empíricas del desarrollo embrionario, claramente antirecapitulacionistas. Von Baer demostró que: 1) las características generales de un grupo aparecen en los embriones antes que los caracteres específicos; 2) Los embriones de una determinada especie en vez de pasar a través de los estadios de otros organismos se apartan en realidad cada vez más de ellos; y 3) por lo tanto, el embrión de un organismo superior nunca se parece al adulto de un animal inferior sino solo a su embrión. Aparte de ser antirecapitulacionistas, las ideas de von Baer iban también contra la visión lineal de la “transformación” evolutiva. Relación con Herencia, Evolución  Genética del Desarrollo El vínculo entre genes y desarrollo: estudiar mutaciones que alteran el proceso de desarrollo de un organismo. Mutaciones homeóticas: Causan un cambio drástico en la identidad de una estructura corporal, reemplazándola por otra que normalmente se encuentra en una ubicación diferente. Genes homeóticos: arquitectos del desarrollo: Genes reguladores maestros que controlan el desarrollo de estructuras o segmentos específicos del cuerpo. Codifican factores de transcripción, proteínas que regulan la expresión de otros genes. Genes Hox: familia de genes homeóticos animales.  La Genética del Desarrollo Décadas de 1940s-50s, Ernest Hadorn: estudió los factores letales y el desarrollo de discos imaginales de Drosophila. Conrad Hal Waddington: estudió organizadores y genes, para relacionar la genética mendeliana con los nuevos hallazgos de la embriología experimental. Curt Stern: estudió la relación entre genes y procesos de desarrollo. Además, el crecimiento dependiente y la forma de los testículos en varias especies de Drosophila. 1950s-60s La Genética del Desarrollo Edward B. Lewis estudió mutaciones que afectan al desarrollo en Drosophila y, en especial mutantes homeóticos. Descubrió el principio de colinealidad para el grupo de genes Hox. Encontró que los genes de este grupo están dispuestos linealmente en el cromosoma y su orden físico es paralelo al tiempo de expresión durante el desarrollo y corresponde a los segmentos del cuerpo que controlan.  La Genética del Desarrollo Ejemplos de la aplicación de la Genética del Desarrollo a un problema concreto (la segmentación corporal) en uno de los modelos-clave: Drosophila. 1975 – 1980: Nüsslein-Volhard y Wieschaus: descubren que la segmentación en Drosophila está controlada por un conjunto de genes de expresión materna y de genes de expresión cigótica que actúan en forma jerárquica y combinada a lo largo del desarrollo embrionario.  La Genética del Desarrollo Estos genes se categorizan en tres clases basados en sus efectos sobre segmentación. 1. “Gap genes", que subdividen el embrión en múltiples regiones a lo largo del eje antero-posterior. Las mutaciones en los genes gap conducen a menos segmentos y crean espacios en el patrón antero- posterior del organismo en desarrollo. 2. “Genes de regla de pares”: establecen pares de segmentos. Las mutaciones en los genes que rigen los pares afectan a todos los demás segmentos del cuerpo. Por ejemplo, la pérdida de segmentos pares omitidos hace que los embriones solo tengan segmentos impares. Fuente: https://www.mun.ca/biology/scarr/Zygotic_Genes.html 3. “Genes de polaridad de segmento”: establecen el eje antero - posterior de cada segmento.  Genética del Desarrollo 1970 y 1990 Organismos modelo: Nematode: Caenorhabditis elegans. History, Biology, and Genetics. Fruit Fly: Drosophila melanogaster. History, Biology, and Genetics. Zebrafish. History, Biology, and Genetics.... Mouse. Biology and Genetics. Permiten analizar los efectos de genes individuales en el desarrollo. Investigación: cómo interactúan los genes para controlar el desarrollo. Genes selectores: los interruptores del desarrollo: Papel clave en la definición de diferentes estados de desarrollo. Aplicaciones en Biología del Desarrollo: Identificación de genes involucrados en procesos como la formación de órganos, la diferenciación celular y la morfogénesis.  Genética del Desarrollo Esta etapa representa la primera Edad de Oro de la Genética del Desarrollo. Algunos ejemplos: La compartimentalización y los genes selectores (Garcia - Bellido 1975). Los genes maternos y cigóticos que establecen los patrones axiales (anteroposterior y dorsoventral) en Drosophila (Nüsslein-Volhard y Wieschaus 1980), Los genes que intervienen en el patrón de desarrollo de la vulva en C. elegans (Ferguson et al. 1987).  Aplicaciones de la Biología Celular y Molecular La Biología Celular del desarrollo estudia lo que hacen las células en el contexto de los organismos en desarrollo. La Biología Celular involucra la investigación de la base molecular de cómo funcionan las células, por ejemplo, cómo se mueven las células, cómo se mueven los organelos dentro de las células y cómo se regulan los genes. La Biología del Desarrollo se ocupa de comprender cómo se integran estos procesos para crear el organismo: por ejemplo: Cómo las células se mueven colectivamente para lograr la gastrulación; Cómo se polarizan las células como parte de la diferenciación celular; Cómo la comunicación celular afecta el origen de diferentes tipos de células muy próximas entre sí para crear un órgano compuesto de tejidos funcionalmente integrados.  Biología Celular y Molecular Las consecuencias que provocan en los procesos de morfogénesis las mutaciones de estos genes son fácilmente deducibles y su estudio ha sido premiado con la concesión de varios Premios Nóbel: 1995: Control genético de las primeras fases del desarrollo embrionario, 2001: Regulación del ciclo celular 2007: Manipulación genética en modelos animales y células madre.  Genética del Desarrollo Ganaron el Premio Nobel de Medicina en 1995 por sus descubrimientos sobre el control genético del desarrollo embrionario temprano. GRACIAS