Tema 1: Introducción a la Biología del desarrollo PDF

TEMA 1 Introducción a la biología del desarrollo Biología del desarrollo Ernst Haekel 1874  Tema 1.- Introducción Introducción a la Biología del desarrollo 1. Definición y concepto de des...

TEMA 1 Introducción a la biología del desarrollo Biología del desarrollo Ernst Haekel 1874  Tema 1.- Introducción Introducción a la Biología del desarrollo 1. Definición y concepto de desarrollo embrionario. 2. Funciones del desarrollo e importancia de la genética 3. Etapas del desarrollo 4. Características del desarrollo 5. Ejes y planos Mitosis y meiosis 6. Ejes y planos Expresión diferencial de genes 7. Expresión diferencial de genes Organismos modelo 8. Organismos modelo 9. Orígenes de la Biología del desarrollo 2 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo ¿Qué es la biología del desarrollo? Es el estudio sobre cómo los organismos crecen y se desarrollan, desde que son una única célula (cigoto), hasta formar todas las células y tejidos diferentes de un individuo adulto. La biología del desarrollo integra a otras ciencias como biología molecular, biología celular, fisiología, genética, anatomía, neurobiología… 3 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo Entre la fecundación y el nacimiento, el organismo en desarrollo se conoce como embrión. Para los animales, hongos y plantas, el único camino para alcanzar el estado adulto partiendo de un cigoto es mediante el desarrollo de un embrión. 4 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo En un organismo adulto existe una gran diversidad de células diferentes que se organizan en estructuras complejas para llevar a cabo su función. · forman un organismo Anatomía y Fisiología 13ª edición. GJ Tortora y B. Derrickson. Ed. Panamericana. 5 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo Tradicionalmente, el estudio del desarrollo animal se ha denominado embriología (fases comprendidas entre la fecundación y el nacimiento). El desarrollo no se detiene con el nacimiento o la madurez. Renovación de células de la piel Renovación de células sanguíneas en la médula ósea Regeneración de partes cortadas en algunos animales Metamorfosis Actualmente hablamos de biología del desarrollo como la disciplina que estudia el desarrollo embrionario y otros procesos de desarrollo. · vensación de un teido 6 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo Enfoques para el estudio de la biología del desarrollo: Existen numerosas corrientes embriológicas. Cada una ha predominado en distinta época. Tres aproximaciones principales para estudiar embriología o Aprox. anatómica o Aprox. experimental Influyen unas sobre otras o Aprox. genética experimentos & Las tres aproximaciones persisten actualmente y continúan teniendo gran importancia. Estas tres aproximaciones se han asociado actualmente con la genética molecular para producir una ciencia de la biología del desarrollo enérgica y multifacética. Sin embargo, la base de toda la investigación en la biología del desarrollo es la anatomía cambiante del organismo. 7 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo Algunos interrogantes de la biología del desarrollo: Interrogante sobre la diferenciación cigste única célula 3 muchos tipos celulares * : dar. ¿Cómo puede el gameto femenino fecundado generar tantos tipos celulares diferentes? Una célula Muchas células diferentes. ¿Cómo saben en qué célula diferenciarse? Expresión génica diferencial. · diferenciación génica Interrogante sobre la morfogénesis: Las células diferenciadas no se distribuyen al azar. forma ybealización · células Las. de Se dividen Migran Mueren Se organizan en tejidos y órganos: Los ojos siempre están en la cabeza y no en los dedos o en el intestino. ¿Cómo saben dónde tienen que ir? Interrogante sobre el crecimiento: céculas regulan · división las la celular. ¿Cómo saben nuestras células cuándo detener la división? ¿Cómo se regula la división celular? 8 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo El proceso del desarrollo del embrión está controlado con tanta precisión que toda la organización de las células, tejidos y órganos que caracterizan al adulto proviene de elementos colocados en el sitio justo, unos respecto de otros. * proceso controlado (PRECISIÓN) 9 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo Para llegar a la complejidad de un organismo son necesarios diferentes procesos: gecula · inicie 3 una cnica eécula. · Mitosig 1. Multiplicación celular 2. Diferenciación celular 3. Migración celular 4. Crecimiento celular 10 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo 1. Multiplicación celular: es necesario que las células se dividan y aumenten en número. 12 M 12 + 12 - 5D 11 Anatomía y Fisiología 13ª edición. GJ Tortora y B. Derrickson. Ed. Panamericana. GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo · expresión/restricción de genes 2. Diferenciación celular: las células se van diferenciando y especializando para adquirir su forma y función finales: unas serán cécula Madre neuronas, otras células musculares, otras células de la piel... Se debe a la expresión de ciertos genes de la célula, que van a tener gran importancia para su función específica, y restricción de otros. En el desarrollo embrionario, las células cambian tanto de forma como de función. Es un fenómeno progresivo, y normalmente irreversible. 12 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 1. Definición y concepto de desarrollo 3. Migración celular: migran a su sitio específico. Las células van desplazándose hasta llegar a sus posiciones finales. Se produce fundamentalmente en los animales, para formar tejidos y órganos. 4. Crecimiento celular la célula, tras las primeras divisiones, recupera su tamaño inicial. 13 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 2. Funciones del desarrollo e importancia genética Conseguir: En un organismo adulto Diferenciación existe una gran Diversidad celular diversidad de células Morfogénesis diferentes que se Crecimiento organizan en estructuras complejas para llevar a cabo su función. Reproducción: Generación continua de nuevos individuos · organismo adulto : se puede reproducir 14 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 2. Funciones del desarrollo e importancia genética El desarrollo de un embrión a partir del cigoto se conoce como embriogénesis. Durante el desarrollo embrionario la célula huevo (cigoto, zg) se divide y genera millones de células que forman estructuras complejas y variadas: Ojos, extremidades, corazón, cerebro… 15 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 2. Funciones del desarrollo e importancia genética IMPORTANTE Pueden : ser preguntas como las del exámen. ¿Cómo hacen las células provenientes de la división del óvulo fecundado para diferenciarse? ¿Cómo llegan estas células a organizarse en estructuras tan diferentes? ¿Qué controla el comportamiento de las células de forma que surjan estos patrones altamente organizados? GENES DIRIGEN ESTOS PROCESOS DE DESARROLLO 16 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 2. Funciones del desarrollo e importancia genética La mayor parte del interés en la biología del desarrollo actual procede del conocimiento cada vez mayor de la manera en que los genes dirigen estos procesos de desarrollo. Miles de genes están involucrados en el control del desarrollo. Entre ellos los genes homeóticos: genes conservados * Están presentes en todas las especies animales, plantas y hongos. Una de las primeras tareas de estos genes es establecer el plan corporal general del organismo. 17 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 2. Funciones del desarrollo e importancia genética corresponde a la morfología representado por genes homesties3 * (genes conservados). , El plan corporal general del organismo o patrón corporal se refiere, a la configuración general de su estructura y organización, a la disposición interna de sus tejidos, órganos y sistemas, a su simetría y el número de segmentos corporales y de extremidades que posee. # 18 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 2. Funciones del desarrollo e importancia genética Plan corporal general Cada organismo resuelve este problema de una forma distinta. Nos centraremos en desarrollo animal o Vertebrados: Ranas, peces, aves, mamíferos o Invertebrados: Caenorhabditis elegans, (gusano Drosophila melanogaster. Este proceso de desarrollo también se observa en plantas y hongos. 19 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 3. Etapas del desarrollo fases del desarrollo. 2. 3. 9 · formación de los gametos 4.. 7. 6 5. 20 Desarrollo embrionario de la rana GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 3. Etapas del desarrollo 1. Fecundación Fusión del material genético a partir de dos gametos (ovocito/espermatozoide) para Poseen juntarse dar lugar al cigoto. A desarrollo del embrión. ↑ 2. Embriogénesis: etapas de desarrollo entre la fecundación y el nacimiento. 21 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 3. Etapas del desarrollo 2. Embriogénesis: Segmentación: divisiones mitóticas rápidas · Divisiones mitóticas o Divisiones mitóticas rápidas desde 1 célula (cigoto) hasta blástula. Seavidad nueca o Las células se llaman blastómeras. o Número de células aumenta 2, 4, 8, 16-32 (mórula) 32-64 (blástula) s06. & Gastrulación: o Las blastómeras experimentan movimientos y cambian sus omere posiciones. o El embrión se dice que está en el estado de gástrula. · cambian las posiciones o Como resultado aparecen las capas se forman las capas germinales. · germinales: o Ectodermo o Mesodermo 22 o Endodermo GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 3. Etapas del desarrollo 2. Embriogénesis: * da lugar al Sistema Organogénesis: formación de los ↑ nervio so órganos. o Las células se reorganizan para producir tejidos y órganos. ejempa de endo dermo y mesodeme) o Muchos órganos contienen células de más de una capa germinal. Durante el desarrollo embrionario tiene lugar la formación de Células germinales (dan lugar a los gametos) Células somáticas (todas las demás células del cuerpo) 23 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 4. Caracteríscas del desarrollo: Reproducción Es específico de eucariotas Unicelulares (protistas) Acetabularia crenulata Pluricelulares o Protistas que forman colonias (volvox) o Invertebrados (mosca de la fruta: Drosophila melanogaster) o Vertebrados (Pez cebra: Danio rerio, anfibios: Xenopus laevis, pollo: Gallus gallus, ratón: Mus musculus) 24 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 4. Caracteríscas del desarrollo: Reproducción Reproducción asexual: cno se comparte el material genético o Es una forma de reproducción de un ser vivo en la cual, a partir de una célula, se desarrolla por procesos mitóticos un individuo completo, genéticamente idéntico al primero. o Los organismos celulares más simples se reproducen por un proceso conocido como fisión, en el que la célula madre se fragmenta en dos o más células hijas No ha habido intercambio de material genético: Reproducción asexual 25 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 4. Caracteríscas del desarrollo: Reproducción Reproducción sexual o La reproducción sexual es el proceso de crear un nuevo organismo descendiente a partir de la combinación de material genético de dos organismos con material genético similar. 4 gametos gametos 3. · o Comienza por un proceso denominado meiosis, que es un tipo especializado de división celular, que tiene lugar en los gametos (células especializadas). o La fusión de estas dos células se llama fecundación y esta crea un cigoto, que incluye material de los dos gametos. Hay intercambio de material genético: Reproducción sexual 26 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 5. Mitosis y meiosis La constancia en el número de cromosomas entre una generación y la siguiente: es asegurada mediante una división reduccional (meiosis) que lleva a la mitad el número de cromosomas en las células germinales. Los precursores de las células germinales contienen dos copias de cada cromosoma, uno materno y otro paterno, y se denominan diploides: 2n Este número es reducido por la meiosis durante la formación de los gametos, de modo que las células germinales contienen sólo una copia de cada cromosoma y se denominan haploides: n. El número diploide es restaurado en la fecundación Las células somáticas se dividen por el proceso de mitosis, que mantiene el número de cromosomas. 27 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 5. Mitosis y meiosis no preguntaran las fases de Mitosis: Meiosis: · la melosis/mitosis -La célula duplica -La meiosis es un proceso todo su contenido, de división celular en la incluyendo sus que una célula diploide cromosomas, y se (2n) experimenta dos divide para formar dos divisiones sucesivas, con la células somáticas capacidad de generar diploides (2n) que son cuatro células haploides genéticamente (n). idénticas entre sí y a la célula parental -En los organismos con original. reproducción sexual tiene importancia ya que es el -La mitosis es un mecanismo por el cual se proceso fundamental producen los gametos: para la vida. espermatozoides y ovocitos. -Se produce en las células somáticas. -Se produce en las células del cuerpo gónadas para la ·. producción de gametos. 28 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 6. Ejes y planos o Para que todo esté perfectamente orientado y organizado, el embrión en desarrollo configura sus ejes durante las primeras etapas (cabeza- cola, anterior-posterior...). hacia donde mueven respecto al eje. se o De esta manera, las células pueden ir colocándose en su lugar correcto. Eje superior-inferior Eje craneal-caudal (cabeza-cola) Eje anterior-posterior espalda · · dorso/vientre · atrás/adelante Eje dorsal-ventral Eje izquierdo-derecho Eje izquierdo-derecho Plano transversal Plano transversal corta una estructura por Plano coronal (frontal) & la mitad. Plano sagital Plano coronal (frontal) Plano sagital Adulto Embrión 29 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 6. Ejes y planos - - alejads a - - · cercars a & & & & Las células y estructuras se desplazan durante el desarrollo embrionario. o El desplazamiento se nombra según la zona hacia donde se dirijan las células o estructuras: Dorsal, craneal, caudal, ventral… o Proximal: se refiere a la estructura más cercana al sitio de origen (p. ej. cercano al tronco) o Distal: Alejado del origen de una estructura (p. ej. alejado del tronco) 30 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 7. Expresión diferencial de genes Para que todo esto ocurra correctamente, es necesario que todos estos procesos se desarrollen de manera coordinada en el lugar y momento claves. Todo ello está controlado y regulado por la expresión de multitud de genes, encargados de dirigir todo el trabajo. Todas las células poseen la misma información genética (los mismos genes), así que: ¿cómo surgen, por tanto, las diferencias entre ellas? La clave está en los genes que están siendo expresados (están activos) en cada una de ellas. 31 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 7. Expresión diferencial de genes Por ejemplo, los genes activos en las células neuronales no serán los mismos que en las células musculares. En cada una de ellas dirigirán la obtención de sus características particulares. El desarrollo comprende multitud de procesos que deben estar precisamente coordinados y regulados para formar un individuo adulto. Capas embrionarias o germinales 32 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 8. Organismos modelo Los principios generales del desarrollo se pueden aplicar a todos los animales Pero es difícil estudiar todas las características del desarrollo en un solo organismo. Los estudios de biología del desarrollo se han centrado sobre un número pequeño de animales modelo: Se eligen por su conveniencia para estudiarlos Por la facilidad para la manipulación experimental Por su disponibilidad para el análisis genético Organismos models o Caenorhabditis elegans (gusano) o Drosophila melanogaster o Xenopus laevis o Danio rerio: Zebrafish o Gallus gallus o Mus musculus 33 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 8. Organismos modelo Caenorhabditis elegans: Nematodo sgusand o Es transparente a lo largo de toda su vida, lo que facilita la observación de su desarrollo temprano bajo el microscopio. o Es hermafrodita, lo que favorece la obtención y mantenimiento de individuos con mutaciones recesivas. o Es uno de los organismos animales más simples que cuentan con sistema nervioso y digestivo bien definidos. o Posee 959 células, lo que ha permitido caracterizar cómo se genera cada linaje celular a lo largo del desarrollo (se conoce el destino de cada célula formada) o Es de muy fácil mantenimiento en el laboratorio, fácil de alimentar y manejar. o Su corta vida de 2-3 semanas lo convierte en un modelo de alto rendimiento con resultados en corto plazo de tiempo · transparente 34 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 8. Organismos modelo Drosophila melanogaster: Mosca de la fruta (insecto) o Fácil manejo de adultos y embriones o Número de cromosomas reducido (4 pares) o Ciclo de vida corto (15-21 días) o Estructuras más complejas que C. elegans o Facilidad para hacer cruces y observar la función de genes o Ciclo de vida breve (15-21 días) o Se tienen muchas herramientas genéticas para su estudio o Aproximadamente el 61 % de los genes de enfermedades humanas que se conocen tienen una contrapartida identificable en el genoma de las moscas de la fruta o Y el 50 % de las secuencias proteínicas de la mosca tiene análogos en los mamíferos. 35 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 8. Organismos modelo Xenopus laevis: Rana sudafricana (anfibio) · importante o Ovocitos de gran tamaño que facilitan la manipulación experimental o Embriones resistentes o Medios de cultivo simples o Vertebrado: Organismo modelo para muchos aspectos del desarrollo de vertebrados o Inconveniente: Tarda 2 años en alcanzar la madurez sexual. 36 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 8. Organismos modelo Danio rerio: Zebrafish (pez cebra) o El embrión es transparente o Se desarrolla fuera de su madre o Su desarrollo a partir de huevo a larva ocurre en tan sólo tres días. o Alta homología genética con el humano (compartimos con estos peces más del 80 % del genoma) o Alta capacidad reproductiva —la hembra pone hasta 200 huevos— o Los mutantes pueden ser mantenidos y propagados. o Se dispone de muchas herramientas genéticas o Pequeño tamaño que facilita su almacenaje o Sencillo mantenimiento · embrión transparente 37 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 8. Organismos modelo Gallus gallus: pollo o Accesibilidad o Facilidad de incubación o Puede ser observado directamente abriendo un agujero en la cáscara. o Inconveniente: Apenas hay herramientas de ingeniería genética Serie de Hamburger-Hamilton. Cada etapa se encuentra detallada y cronometrada, y es completamente reconocible. 38 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 8. Organismos modelo Mus musculus: Ratón o Pequeño (peso de unos 20-40 gramos) o Fácil de tener en un laboratorio o Mamífero, más similar al organismo humano. o Es uno de los organismos modelo en donde más herramientas de ingeniería genética se han desarrollado: o Se puede interrumpir las funciones de sus genes o Añadir genes nuevos o Marcar con colores proteínas para saber exactamente dónde se encuentran o Generar ratones que solamente tengan modificaciones genéticas en unas células concretas · intrauterise o Inconveniente: Se desarrollan dentro del útero. Difícil acceso para. la manipulación. 39 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 9. Orígenes de la biología del desarrollo Hipócrates (Siglo V a. c.): Intentó explicar el desarrollo en términos de principios de calor, humedad y solidificación. Aristóteles (Siglo IV a. c.): Formuló la pregunta de cómo se forman las distintas partes del embrión. Pensó dos posibilidades: 1. Todo el embrión estaba preformado y simplemente aumentaba de tamaño durante el desarrollo: preformación 2. Las nuevas estructuras se originaban progresivamente (epigénesis: “formación sucesiva”´) Aristóteles defendió la epigénesis. Las ideas de Aristóteles prevalecieron hasta el siglo XVII. 40 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 9. Orígenes de la biología del desarrollo Robert Hooke descubre las células en 1665. Al final del siglo XVII, las lentes generaron gran entusiasmo por el mundo nuevo de lo muy pequeño volviendo a la idea del PREFORMACIONISMO: Antigua teoría biológica según la cual el desarrollo de un embrión no es más que el crecimiento de un organismo adulto en miniatura que estaba ya preformado (homúnculo) dentro del óvulo o del espermatozoide; y que crece durante el HOMÚNCULO desarrollo. Nicholas Hartsoeker, 1694 No creían que fuerzas químicas o físicas pudieran modelar un embrión. 41 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 9. Orígenes de la biología del desarrollo Embrión temprano Marcelo Malpighi (final siglo XVII): Describió de forma muy precisa el desarrollo del embrión de pollo. Sin embargo, estaba convencido, en contra de sus propias observaciones, de que el embrión estaba preformado. Embrión 2 días 42 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 9. Orígenes de la biología del desarrollo El debate sobre la preformación y la epigénesis duró hasta que se desarrolló la teoría celular (1820-1880): Matthias Schleiden (botánico) y Theodor Schwann (fisiólogo). Los organismos vivos están compuestos por células (unidades básicas de la vida) Todas las células se originan mediante división a partir de otras células. Los organismos pluricelulares se pueden considerar comunidades de células El desarrollo no está basado en la preformación sino en la epigénesis. Durante el desarrollo muchas células nuevas se generan mediante división a partir de la célula huevo y se forman nuevos tipos celulares. 43 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 9. Orígenes de la biología del desarrollo TEORÍA PLASMÁTICA GERMINATIVA A finales del sXIX August Weismann (1834-1914) propuso la teoría plasmática-germinativa. El término "plasma germinal" se usó para describir un componente de las células germinales que él propuso responsable de la herencia. El plasma germinal era la parte nuclear esencial de las células germinales y, permanecía cualitativamente idéntica desde el cigoto siendo responsable de la herencia. 44 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 9. Orígenes de la biología del desarrollo Posteriormente, en óvulos de erizo de mar se vio: después de la fecundación contenían dos núcleos que finalmente se fusionan o uno de estos núcleos proviene del óvulo (gameto femenino) o el otro procede del espermatozoide La fecundación da origen por lo tanto a un cigoto que contiene un núcleo con aportes de ambos padres se concluye que el núcleo celular debe contener las bases físicas de la herencia. 45 GraciaMorales  Tema 1.- Introducción 9. Orígenes de la biología del desarrollo Madre-D. Al finalizar el siglo XIX, se demostró que los cromosomas dentro del núcleo del gameto femenino fecundado –la célula huevo o cigoto– derivan en igual número de los dos núcleos de los progenitores. Esto proporciona una base física para la transmisión de los caracteres genéticos de acuerdo con las leyes elaboradas por el botánico y monje austríaco Gregor Mendel. · estudio de los guigantes. Mendel, monje agustino de origen checo (1822-1884, s. XIX) es considerado fundador de la genética. 46 GraciaMorales