Tema 2. Bases genéticas del desarrollo PDF

Tema 2. Bases genéticas del desarrollo 1 ○ Auto - organización El origen embriológico de la teoría del gen. Expresión Toda la complejidad celular no tiene que genética diferencial. Establecimiento de ejes ser desordenado, sino seríam...

Tema 2. Bases genéticas del desarrollo 1 ○ Auto - organización El origen embriológico de la teoría del gen. Expresión Toda la complejidad celular no tiene que genética diferencial. Establecimiento de ejes ser desordenado, sino seríamos una “masa de células amorfa” → Hay una ¿Cómo a pesar de que todos tenemos la misma autoorganización = “Las cosas tienen que información genética puede haber tanta estar en su lugar” diversidad en un mismo individuo y en cada uno Morfogénesis de nosotros? Deben haber ciertas similitudes entre toda nuestra especie y otros, que tenemos ciertos mecanismos que nos hacen lo que somos hoy en día Conceptos Básicos Oocito fecundado ○ Lugar a una nueva individuo Desarrollo ○ ↑ del número de células (crecimiento celular) División celular ○ ↑ complejidad celular ¿Desde que punto comienza la vida? No solo a nivel del número, sino también Desde el ovocito fecundado ya hay un potencial en diversidad nuevo ser No solo diversidad a nivel fenotípica, *Potencial = embrión puede no prosperar también hay una diversidad funcional (fisiológica) El desarrollo se forma desde la fecundación hasta la Diferenciación → Células con diferente muerte función  Eventos clave durante el desarrollo Diferenciación Celular Para poder llegar al estado en el que estamos hoy en Diferenciación celular → Capacidad y habilidad de las día existen diferentes eventos clave: células bajo ciertas condiciones, para que el óvulo fecundado pueda llegar a formar un individuo Multiplicación de células (segmentación) completo Morfogénesis u organización de tejidos y órganos A partir de un mismo set de genes que hay en cada una (gastrulación y organogénesis) de las células, podemos formar diferentes estructuras Modelado de forma corporal = Todas las células tienen la misma información Aumento de tamaño (crecimiento) Secuencia de genes es la misma ≠ Contenido Pero difieren en el contenido En genómica hay equivalencia pero en transcriptómica y proteómica no Complejidad: Todo parte de una materia prima que por algún motivo podemos convertirlo en algo complejo A partir de una simple unión de dos células se ¿Qué hizo que estas 2 células a pesar de tener la llega a formar órganos tan complejos misma potencialidad de poder producir todas las proteínas se restringen con ciertos genes? Se especializan y restringen la expresión de ciertos genes debido a la acción combinada de factores de transcripción, modificaciones epigenéticas, señales extracelulares y ARN no codificantes. Cada célula cumpla funciones  Ejemplo: Una blastómera inicialmente destinada a específicas, manteniendo así la diversidad celular en un organismo multicelular formar fémur puede seguir diferenciándose en hueso si se coloca en un entorno neutro,, pero si se expone a nuevas señales en un medio distinto, su Commitment (compromiso) destino celular podría revertirse y cambiar En esta etapa, la diferenciación puede revertirse Todas nuestras células comenzaron siendo lo mismo (óvulo fecundado) → Conforme se va dividiendo el óvulo fecundado las células no van a tener la misma capacidad (potencialidad) de diferenciarse en cualquier tipo celular → Predestinadas El destino se va sellando conforme pasan las divisiones celulares Dos etapas Determinación ○ Especificación Una célula o tejido está determinado cuando es capaz de diferenciarse de forma autónoma incluso ○ Determinación cuando se coloca en otra región del embrión Especificación A pesar de que yo divida en un medio que no Es la primer etapa (primeras divisiones celulares) corresponde al hueso, igual se formará el hueso donde las células van especificando ¿Por qué? Etapa lábil → Es reversible Porque ya está más maduro la blastómera, han En estadios tempranos de la embriogénesis las pasado más divisiones celulares que terminan diferentes células que van apareciendo pueden restringiendo su destino cambiar su destino Especificación → Cuando destino de una célula o un tejido está especificado cuando es capaz de De poder diferenciarse incluso en otras condiciones “ambientales”, entonces la diferenciarse de forma autónoma cuando se coloca en determinación es irreversible un entorno neutro  Importancia del tiempo ⏰ Conforme pasan las divisiones, las blastómera pueden Etapas más tempranas le dan labilidad a la célula tener más de una combinación y otra blastómera para poder diferenciarse en distintos tipos celulares tender más de otra combinación distinta → Se va Estadios más tardíos = reversible porque la célula se sellando el destino de cada célula diferencia aún más Conforme pasa más tiempo = más difícil revertirte → Especiación autónoma Commitment → Especiación condicional ¿Por qué? → Especiación sincitial Porque ya estas muy especializado en tu Especificación Autónoma contenido (Restringiendo proteínas en diversidad) → Para que te programes para Fusión del óvulo y el espermatozoide te da → Unico diferenciarte a una célula determinada citoplasma - Citoplasma del huevo no es completamente Las blastómeras saben su destino (sepan a que se homogéneo van a transformar conforme pase el tiempo) ○ ¿Qué pasaría con la blastómera separada del ¿Cómo es posible que un compartimento que blastocisto? → Forma sus células como estaba comparte el mismo citoplasma - la distribución de predestinada factores no termine siendo lo mismo? ○ ¿Qué pasaría con el embrión? → Le faltarían las → Gradiente de concentración células de la blastómera extraída Las diferentes proteínas van a seguir patrones de gradiente, permitiendo que el citoplasma no sea homogéneo Diferentes regiones contienen diferentes determinantes morfogénicos ○ Ejemplo: El polo animal del huevo va a tener Blastómeras que se quedan no tienen la capacidad ciertos factores morfogenéticos, mientras que de transformarse en la blastómera que faltaban → las demás partes tengan otros Entonces si le quitas una blastómera se queda con ○ Varias combinaciones  Experimento en donde se removieron blastómeras y se hueco (nadie suple esta función) vio que cada blastómera podía diferenciarse en el tipo celular y en las estructuras que estaban destinadas → Blastómera dio origen a la estructura que le correspondía Especificación autónoma da un desarrollo mosaico → Porque es como si vieras una gran gama de colores - Blastómera van tomando diferentes identidades y transformándose en diferentes tipos celulares - Frecuente en moluscos, anélidos y tunicados Ejemplo: Tunicados → Experimento de Conklin (1905) Coloración de blastómeras Remoción de blastómeras Whittaker (1973) confirma esto con hallazgos de Destino celular mRNA específicos ¿Qué pasaría si removemos blastómeras B4.1? ○ No se formaría músculo ○ Pero sí endodermo ¿Podríamos darle la capacidad a otras blastómeras de cubrir a B4.1? ○ No por sí sola, pero si se puede hacer ○ Lo podemos hacer si es que cambiamo el contenido de esa blastómera  Igual puedes cambiar un poco la diferenciación final en donde con un estrés mecánico (apachurrar a las blastómeras) y parte del citoplasma se quedó. Una vez separaste de forma física, igual podría llegar a tener tejido muscular → Porque transferiste artificialmente citoplasma de una blastómera que le dio a otra blastómeras → Cambiaste la capacidad de B4.2 porque cambiaste su contenido Macho mRNA para la formación de músculo Si a los blastómeros les inyectamos mRNA de macho, toda la zona se volvería músculo, cuando en el wt solo esta en la zona de abajo Le pueden adoptar de capacidades a una blastómera siempre y cuando modifiques el contenido No vale la pena modificar los genes porque ¡LOS GENES EN TODAS LAS CÉLULAS SON LOS MISMOS! Es preferible modificar mRNA porque es más eficiente → Es la maquinaria Experimento de la remoción de B4.1 donde produce músculo Acetilcolinesterasa (negro)→ Solo en músculo  Especificación Condicional Las señales se liberan y Corto afectan a células Paracrina alcance cercanas en el entorno Cumple el mismo principio de la especificación local autónoma: Hormonas liberadas al Largo torrente sanguíneo, Endocrina alcance afectando células Todas las células tienen la misma información y cada distantes célula tiene la capacidad de convertirse en diferentes tipos celulares Aca si las blastómeras pueden adoptar la función de las que fueron removidas Las células no están aisladas: Al remover blastómeros de un embrión temprano Estas están constantemente intercambiando 👁️, el resto de las células pueden alterar su señales destino → Adoptar las funciones y la La interacción con otras células restringe el diferenciación de la blastómera perdida destino de una o ambas células ○ Compensan a las células perdidas ○ Ejemplo: Célula de hueso 🦴 y célula de músculo 💪 si las juntas forman un interfaz → ○ Habilidad llamada → Regulación Ligamento ○ La blastómera separada también dará lugar a diferentes células Debido a que no reciben señales de su ambiente → las células periféricas forman células diferentes La especificación condicional da lugar al Especificación mediada por la interacción con Desarrollo Regulativo (poder compensar otras células pérdidas) Comunicación yuxtacrina ○ Visto principalmente en vertebrados Comunicación paracrina ○ Explica la formación de gemelos idénticos No hay comunicación endocrina → Porque todavía no hay sistema vascular Tipo Distancia Mecanismo Contacto Señales por uniones o Yuxtacrina directo proteínas de membrana Experimento con pez: Se le removió células de la cara dorsal y se le insertó en la cara ventral, pero hubo un desarrollo normal porque hubo una compensación → Desarrollo regulativo → Se reguló en función del ambiente (condiciones del medio) → En especificación autónoma no hubiera sucedido Experimento de Driesch Experimento con erizo de mar Se realizó un estrés mecánico y entremezclas a las Inhibición entre células / secciones: blastómeras → Al final no se da un organismo ➔ Células que forman el ectodermo van a inhibir viable → Porque las diferentes partes a la cual genes o factores que estarían formándose en las estaban destinadas de formarse dan lugar a un vicesar (no necesitas ectodermo en las vicesar) organismo no viable ○ Porque hay una interacción célula - célula que es importante para la diferenciación Las células deben marcar sus propias fronteras para inhibir la expresión de genes de una célula determinada o de ambas (ambas se reprimen ○ En organismos ordenados las diferentes simultáneamente - hueso y musculo) estructuras que corresponden a diferentes Especificación Sincitial tipos celulares se están constantemente comunicándose, interactuando e inhibiendo la interacción de uno o otro tipo celular Las divisiones celulares se dan en un sincitio: ¿Por qué hay diferentes identidades si todo Citoplasma que contiene varios núcleos está en un mismo citoplasma? Ejemplo: Mosca de la fruta (D. melanogaster) Debido a la distribución desigual de factores Se parte de un óvulo de un espermatozoide, se fusionan internos y en inicio solo hay un único núcleo, pero en la mosca, ¿La disposición de los factores determinantes estos núcleos se dividen (división celular) pero sin es distinto? → Sí barreras físicas (sin membranas) → Muchos núcleos 1 citoplasma ¿La identidad nuclear depende de la interacción con los núcleos adyacentes? → Sí Permite que dentro del citoplasma se puedan formar estructuras más avanzadas como el blastodermo Cada núcleo es una célula solo que no tiene membrana Blastodermo sincitial ¿Cómo los núcleos se mantienen en posición? ○ Única membrana celular ○ Citoesqueleto y centrosoma → Como si fuese Divisiones mitóticas sin membrana una telaraña, el citoesqueleto se proyecta del La identidad de las células es determina núcleo hacia los extremos (cada cada núcleo) simultáneamente a lo largo del sincitio ○ La identidad de las células de una parte va a ser diferente a la identidad de la célula en otra parte ○ Espaciamiento radial → ¿Por qué es importante mantener la posición? Porque por misma difusión los núcleos podrían moverse → Movimiento de núcleo + movimiento de proteínas = Núcleos no  podrían especializarse en un tipo celular - Porque constantemente cambian sus condiciones y entonces su expresión El citoplasma sincitial no es uniforme → Se forman gradientes Factores morfogenéticos → Factores de determinación van a ser diferentes a lo largo del huevo ➔ Van a haber gradientes de concentración Esto implica tener zonas donde tenemos: ➔ Mucho bicoid y nada de caudal ➔ Mucho caudal y nada de bicoid ➔ Mucho de caudal y poco de bicoid ➔ Mucho bicoid y poco caudal ➔ Mismo de ambos Todas las gradientes o combinación que puedo ir formando → Formar combinaciones más específicas Factores Morfogénicos Más complejo cuando mezclamos las 3 dimensiones Factores Morfogénicos pueden estar concentrados que tiene el huevo en una zona y no en otra Anterior - posterior Estamos hablando de una estructura que tiene Dorsal - ventral volumen y por lo tanto el número de Derecha - izquierda (anterolaterales) combinaciones de gradiente crece al cubo (miles) Regulación de la expresión de genes por tresholds Existen diferentes factores morfogenéticos: de concentraciones ○ Bicoid: Se expresa en la cara anterior Todo esto permite que los diferentes núcleos del sincitio adopten identidades → Estructuras ○ Caudal: Se expresa en la cara posterior diferenciada  Modos de especificación del tipo celular Especificación Autónoma Especificación Condicional Especificación Sincitial Predomina en los vertebrados y en algunos Predomina en la mayoría de los invertebrados Predomina en la mayoría de las clases de insectos invertebrados Especificación por adquisición diferencial de Especificación de las regiones del cuerpo por Especificación por interacciones entre células. Las ciertas moléculas citoplasmáticas presentes en el interacciones entre las regiones citoplasmáticas posiciones relativas de las células son clave huevo antes de la celularización del blastodermo Las divisiones celulares invariables producen las mismas líneas en cada embrión de la especie; los Divisiones celulares variables, sin asignación La división celular produce destinos rígidos de destinos de los blastómeros son generalmente invariable de destinos celulares células particulares invariables Se observan reordenamientos masivos de las La especificación del tipo celular precede Después de la celularización, se observan tanto la células y migraciones que preceden o acompañan cualquier migración embriónica a gran escala especificación autónoma como la condicional la especificación celular Capacidad para el desarrollo "regulativo" que Resulta en desarrollo "mosaico": las células no permite a las células adquirir diferentes funciones pueden cambiar de destino si se pierde un como resultado de interacciones con las células blastómero vecinas  Los genes no expresados retienen su capacidad de Expresión Genética Diferencial expresión Equivalencia genómica Solo un porcentaje del genoma es expresado en ○ Todas las células tienen la misma información cada célula genética Dogma Central de la Biología Molecular Genómica es la misma Paso de: ¿Cómo podrían demostrarlo? → Por la epigenetica ADN → RNA → proteínas Existen modificaciones post transcripcionales y Expresión Genética Diferencial modificaciones post traduccionales Expresión Genética Diferencial ○ Diferenciación de una célula según la combinación de genes activados Proteómica y transcriptómica son diferentes Ejemplo: ¿Qué pasaría en una persona que tiene diabetes tipo I le haces una análisis transcriptómico al páncreas y encuentras RNAm de insulina? El error está en la Postulados: traducción (puede poseer el gen de insulina pero no El DNA de todas las células diferenciadas es el traducirla) mismo  ¿Si todas las células tienen la misma carga genética, Histidina interactúa con el ADN y finalmente lo enrolla cómo es posible que el mismo genoma de lugar a y lo reprime distintas células → Gracias a la epigenética - Acetilaciones y metilaciones son mecanismos epigenéticos para la regulación de la expresión de genes mas comunes Si tengo editado el promotor para la γ - globina, no voy Acetilaciones → Activación de genes a producir γ - globina, pero si voy a producir ε - Activación globina porque está demetilado Histona acetiltransferasa Promotor → El gen inicial donde se une el RNA Histona deacetilasa polimerasa Metilaciones → Inhibición de genes ¿En qué momento el ADN está supercondensado en la vida de una célula? Represión (regularmente) → Mitosis (Profase) Metilasas Demetilasas ¿Existirá la memoria de metilación? → Sí, las metilaciones se herdan Al darse la metilación y las acetilaciones, la interacción Estructura del Gen entre el ADN e histonas va a cambiar: Intrones → Secuencias no codificantes - ADN: Carga negativa - Histonas: Cargas positivas Exones → secuencias codificantes Promotores  Los enhancers son regiones de ADN muy alejados del promotor pero como el ADN es flexible, puedes tener enhancer que se van a unir con diferentes factores de transcripción y eso va a permitir favorecer la unión del promotor con el ARN polimerasa → Favorecer la expresión de un set de genes o de un gen en particular Los silenciadores evitan la unión del RNA Elementos de Regulación Cis polimerasa Promotores Factores de transcripción que permiten que los genes puedan expresarse o regular la expresión ○ Regiones de DNA para la unión con RNAp de genes ○ Islas CpG Modulador → a pesar de poseer la misma ○ Factores basales de Transcripción secuencia, no codifican lo mismo. Enhancers Inhibidor → evita la unión de la ARN ○ Regiones de DNA distantes polimerasa al promotor. ○ Regulan la tasa y eficiencia de transcripción del Enhancer promotor Complejo mediador Silenciadores ○ Acercar el enhancer al promotor Factores de Transcripción ○ Complejo de pre - iniciación ○ Proteínas de unión al DNA ○ Activación o represión  Tienen dominios que les permiten unirse al ¿La secuencia de los enhancer es la misma en ADN, activar o reprimir la transcripción, y todas las células? formar dímeros para una regulación más → Sí, porque los genes (secuencia de ADN) es la efectiva. misma → Pero todos los enhancer no funcionan para todos los genes ○ Modularidad del Enhancer (A pesar de tener lo mismo, no voy a tener los mismos efectos) → Permite regular la expresión génica de manera flexible y adaptativa. Interactúa con diferentes promotores Actúa en distintos contextos celulares Conforme va pasando el tiempo, las rutas que puede seguir las células van perdiendo potencialidad → Se van delimitando: Factores de Transcripción Son proteínas que regulan la expresión génica al unirse a secuencias específicas de ADN. Pueden activar o reprimir la transcripción de genes, guiando el proceso de conversión del ADN en ARN.