determinación y diferenciación. papel del citoplasma en la ......el citoplasma ejerce influencia...

TEMA 5 DESARROLLO EN EUCARIOTAS

Determinación y diferenciación. Papel del citoplasma en la diferenciación.

Genética del desarrollo en Drosophila.

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❖ Formación de los ejes dorso-ventral y antero-posterior❖ Determinación del número y orientación de los segmentos del cuerpo❖ Genes homeóticos

ALFREDO DE BUSTOS RODRÍGUEZ




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Los organismos multicelulares empiezan su vida como unóvulo fecundado a partir del cual se genera un organismocompleto.

DESARROLLO EN EUCARIOTAS

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➢ Biología del desarrollo: rama de la biología que trata de determinar laserie de sucesos a través de los cuales los organismos alcanzan su formafinal.

➢ Genética del desarrollo: rama de la genética que estudia la función delos genes en el proceso del desarrollo.

➢ Célula totipotente: célula que tiene el potencial para desarrollarcualquier tipo celular.

➢ Determinación: Es el momento en el que queda fijado el destino deldesarrollo específico de una célula.

➢ Diferenciación hace referencia al proceso por el que una célula alcanza suforma y función final.

TERMINOLOGÍA

Diferenciación

Tipos celulares

Diferenciación

¿Cómo surgen los diferentes tipos celulares?

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1. Se fragmenta tejido del floema de una zanahoria

2. Se aíslan células

individuales

3. Se coloca una sola célula en un medio

de crecimiento

1. Se obtiene una planta completa

de zanahoria

A partir de células individuales se pueden obtenerindividuos completos (Steward, 1950).

Los núcleos de células somáticas diferenciadas tienen la capacidad degenerar todos los tipos de tejidos de un organismo si son puestos dentrodel citoplasma de un huevo fertilizado. Experimento de Gurdon (1966)

Célula epitelial del intestino

Renacuajo deXenopus leavis

Huevofertilizado Enucleación

por UV

Transferencia del nucleo

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En 1996 se obtuvo porprimera vez un mamífero(oveja) a partir de unacélula diferenciada.

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Saccharomyces cerevisiae Drosophila melanogaster Caenorhabditis elegans

Danio rerio Mus musculus Arabidopsis thaliana

Los estudios genéticos de desarrollo se han realizadoprincipalmente en 6 organismos modelo.




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El citoplasma ejerce influencia sobre el material genético de manera queambientes diferentes inducen la expresión de genes distintos.

Cigoto (2n)División celular

Expresión de genes del cigoto

Expresión de genes en las células

División celular

Fecundación

Óvulo (n)

Espermatozoide(n)

Ovulo (n)

Fecundación




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Porciones corporales básicas de la moscade la fruta Drosophila melanogaster.

Ronzales

Antenas

Ojo Ala Pata

Cabeza Tórax Abdomen

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Huevo

1º estadio larvario



Pupa Embrión

Fecundación

Ciclo biológico de Drosophila.

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Microfotografía de un huevo de Drosophilarecién puesto.

Micropilo

Apéndices coriónicos

Superficie dorsal

Extremo anterior

Extremo posterior

Superficie ventral

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Estadios iniciales del desarrollo deDrosophila. (a) 30 minutos despuésde la fecundación. (b) Cada 10minutos se produce una divisiónnuclear. (c) Después de nuevedivisiones (512 núcleos). (d) 2,5horas después de la fecundación.(e) 3 horas después de lafecundación.

El núcleo diploide del cigoto se produce porla fusión de los núcleos gaméticos paternos

Nueve ciclos de división nuclearproducen un sincitio plurinucleado

Los núcleos emigran a la superficie exterior

Las células polares, precursoras de lasgerminales, se forman en el polo posterior

En la superficie de la célula seproducen más divisiones

Células polares

Los núcleos se rodean de membrana, formandouna monocapa en la superficie del embrión

Dorsal

Anterior Posterior

VentralNúcleo (2n)

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Embrión de 2 horas

Embrión de 10 horas

Adulto

Anterior Posterior

Dorsal

VentralEmbrión temprano

Cabeza Segmentos torácicos

Segmentos abdominales

El embrión sufre un desarrollo atres niveles diferentes: formaciónde los ejes, desarrollo de lossegmentos y formación de loscaracteres del adulto.




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El citoplasma ejerce influencia sobre el material genético de manera queambientes diferentes inducen la expresión de genes distintos.

Ovulo

Cigoto (2n)División celular

Expresión de genes del cigoto

Expresión de genes en las células

División celular

Genes de polaridad del huevo (origen materno)

Morfógenos

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La proteína Dorsal presente en los núcleos ayuda a determinarel eje dorso-ventral del embrión Drosophila. (a)Concentraciones relativas de proteína en núcleo y citoplasma.(b) Microfotografía de un corte transversal del embrión con laproteína Dorsal teñida de color oscuro.

Determinación del eje dorso-ventral

(a) (b)

Superficie dorsal

Superficie ventral

Proteína Dorsal en el interior de los núcleos

Proteína Dorsal en el citoplasma

Gradiente de proteína Dorsal

CélulaCitoplasma Núcleo

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Determinante anterior

Anterior Posterior

ARNm de bicoidlocalizado

Distribución del ARNm de tipo bicoid Distribución de la proteína Bicoid

Se forma un gradiente de concentración de la proteína siendo este mayor en el extremo anterior.

Determinación del eje antero-posterior: formación de un gradiente deconcentración de la proteína Bicoid.

Determinación del eje antero-posterior

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Anterior Posterior

Determinante posterior

ARNm de nanoslocalizado

Distribución del ARNm de nanos Distribución la proteína Nanos

Se forma un gradiente de concentración de la proteína siendo éste mayor en el extremo posterior.

Determinación del eje antero-posterior: formación de un gradiente deconcentración de la proteína Nanos.




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SegmentosCompartimentosParasegmentos

Embrión

Adulto

Embrión 10h Segmentación en Drosophila: alas 10 horas después de lafecundación, el patrón desegmentación del cuerpo estáclaramente definido, con laformación de 15 segmentos, cadauno de ellos dividido encompartimento anterior yposterior. La segmentación delembrión está altamenterelacionada con las estructuraspresentes en la mosca adulta.

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Genes gap Genes de la regla par

Genes de la polaridad de los segmentos

kruppel hairy engrailed

knirps even-skipped wingless

hunchback runt cubitis interruptus

giant fushi-tarazu hedgehog

tailless odd-paired fused

buckebein odd-skipped armadillo

sloppy-paired patched

gooseberry

paired

naked

disheveled

Genes de la segmentación en Drosophila.

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Los genes gap se expresan en primer lugar y definen secciones grandes delembrión.

Gradientes antero-posteriores formados por genes de efecto materno

Genes zigóticos gap que dividen al embrión en amplias regiones

Bicoid

Nanos

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La mutación del gen Krüppel causala eliminación de los segmentosanteriores (algunos torácicos yabdominales).

Genes gap

Larva normal

Larva mutante

Cabeza Segmentos torácicos

Segmentos Abdominales

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Los genes de la regla par dividenlas amplias regiones establecidaspor los genes gap en regionescon la anchura aproximada de unsegmento.


Genes zigóticos gap que dividen al embrión en amplias regiones

Genes zigóticos de la regla par que dividen al embrión en bandas de un segmento de anchura.

Bicoid Nanos

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Patrón de bandas de la expresiónde dos genes de la regla par enun embrión de Drosophila. Elembrión está teñido paramostrar los patrones deexpresión de los genes even-skiped y fushi-tarazu.

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Segmentos anulados

Eliminación de los segmentos pares

La mutación del gen even-skippedcausa la eliminación de lossegmentos pares. De igual manera,la mutación del gen fushi tarazucausa la ausencia de segmentosimpares .

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Los genes de la polaridad de lossegmentos afectan a laorganización de cada segmento.


Genes zigóticos gap que dividen al embrión en

amplias regiones

Genes zigóticos de la regla par que dividen al embrión en bandas de un segmento de

anchura.

Genes zigóticos de la polaridad de los segmentos dividen a los segmentos en mitades anterior y posterior

Genes selectores homeóticos que especifican la identidad de

cada segmento

Bicoid Nanos

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Las 15 bandas de expresión del gen engrailed de lapolaridad de los segmentos en un embrión deDrosophila.

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Eliminación de la mitad posterior de

cada segmento

La mutación del gen gooseberrydetermina que la mitad posterior decada segmento sea reemplazada poruna imagen en espejo de la mitadanterior de un segmento adyacente.




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Mutación del gen Hox (homeótico) Antennapedia de Drosophila:(a) Cabeza de Drosophila de tipo silvestre mostrando las antenas yotras partes de la cabeza. (b) Cabeza de un mutante para el genAntennapedia mostrando la sustitución de las antenas normalespor patas. Esto está provocado por la activación del genAntennapedia en la región de la cabeza en vez de expresarse sólo enlos segmentos torácicos.

AntenasPatas

Mosca normal Mosca mutante

Complejo Antennapedia Complejo Bithorax

Labial Ultrabithorax

Proboscipedia Abdominal A

Deformed Abdominal B

Sex combs reduced

Antennapedia

Genes homeóticos de Drosophila.

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Genes de los complejosAntennapedia (ANT-C) y Bithorax(BX-C) y las estructuras queespecifican en el adulto.

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Los genes homeóticos presentan una secuencia común de 180 pb (homeobox)

que codifica para un polipéptido básico de 60 aa (homeodominio) capaz de

unirse al ADN.

Relaciones colineales entre el patrón espacial deexpresión y la situación de los genes homeóticos deDrosophila en el cromosoma 3.

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Dominios de expresión de los genes homeóticos

Situación de los genes homeóticos en el cromosoma 3 de Drosophila

Cabeza Tórax Abdomen

lab pb dfd scr antp ubx abdA abdB

C. Antennapedia C. Bithorax

Anterior Posterior

Anterior Posterior

lab pb bcd dfd scr ftz anp lubx Abd-A Abd-BDrosophila

Ancestro

Hu

man

os

HoxA

HoxB

HoxC

HoxD

Grupos de homologíaTranscripción

Conservación de la organizacióny de los patrones de la expresiónde los genes Hox entreDrosophila y humanos. Loscolores muestran la relaciónentre los genes y las estructurasque se forman tanto enDrosophila como los humanos.

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Huevo (embrión unicelular)

Genes de polaridad de huevo

Determinación de los ejes principales del cuerpo

Genes gap

Secciones regionales del embrión definidas

Genes de la regla par

Segmentos individuales definidos

Genes de polaridad de los segmentos

Polaridad de segmentos individuales definida

Genes homeóticos

Entidad de los segmentos individuales definida

Cascada de regulación génica queestablece la polaridad y la entidadde cada segmento de Drosophila.

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Cuestionario de Evaluación

❖ Solo una de las respuestas es válida

❖ Cada pregunta contestada correctamente suma 1 pto.

❖ Cada pregunta contestada erróneamente resta 0,5 ptos.

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1. En el estudio del desarrollo el término determinación:a) Hace referencia al proceso por el que una célula alcanza su forma

y función finalb) Indica el momento en el que queda fijado el destino del

desarrollo específico de una célulac) Indica el momento en el que el cigoto empieza a dividirsed) Hace referencia al proceso por el cual la célula deja de dividirse

2. En el estudio del desarrollo el término diferenciación:a) Hace referencia al proceso por el que una célula alcanza su forma



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3. Los diferentes tipos celulares surgen debido a:a) La expresión diferencial de genesb) La pérdida específica de genesc) La alteración selectiva de genesd) Todas las respuestas anteriores son correctas

4. En cuanto al papel del citoplasma en la diferenciación celular:a) Ejerce una influencia similar en células distintasb) Ejerce una influencia distinta en células distintasc) No ejerce ninguna influenciad) Influye negativamente en la diferenciación celular

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5. En el inicio del desarrollo de Drosophila, una vez que el óvulo ha sido fecundado:a) El núcleo se divide varias veces pero sin división citoplásmica originándose un

sincitiob) Los núcleos originados se sitúan hacia la parte más externa del huevoc) Se origina una monocapa de células en la parte más externa del huevod) Todas las respuestas anteriores son correctas

6. En el inicio del desarrollo de Drosophila, el embrión temprano sufre un desarrollo atres niveles diferentes en el siguiente orden:

a) Determinación del número y orientación de los segmentos del cuerpo,establecimiento de los ejes antero-posterior y dorso-ventral y desarrollo de cadasegmento para dar lugar al individuo adulto.

b) Establecimiento de los ejes antero-posterior y dorso-ventral, desarrollo de cadasegmento para dar lugar al individuo adulto y determinación del número yorientación de los segmentos del cuerpo.

c) Establecimiento de los ejes antero-posterior y dorso-ventral, determinación delnúmero y orientación de los segmentos del cuerpo y desarrollo de cadasegmento para dar lugar al individuo adulto.

d) Determinación del número y orientación de los segmentos del cuerpo, desarrollode cada segmento para dar lugar al individuo adulto y establecimiento de los ejesantero-posterior y dorso-ventral.

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7. En la determinación del número y orientación de los segmentos del cuerpoen el desarrollo de Drosophila, la secuencia de actuación de los diferentesgrupos de genes de segmentación es:

a) Primero los genes gap, luego los de la regla par y por último los genesde polaridad del huevo

b) Primero los genes de polaridad del huevo, luego los genes gap y porúltimo los genes de la polaridad de los segmentos

c) Primero los genes gap, luego los de la polaridad de los segmentos ypor último los genes de la regla par

d) Primero los genes gap, luego los de la regla par y por último los genesde la polaridad de los segmentos

8. Los genes homeóticos que participan en el desarrollo de Drosophila:a) Determinan las estructuras que se formaran en cada segmento

corporal mediante el control de la expresión de los genes quecodifican cada estructura específica de un segmento

b) Son activados por concentraciones específicas de proteínas producidaspor los genes gap, los genes de la regla par y los genes de polaridad delos segmentos

c) Su expresión es colinear a la posición que ocupan en el cromosomad) Todas las respuestas anteriores son correctas

Cuestionario de Evaluación

SOLUCIONES

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1. En el estudio del desarrollo el término determinación:a) Hace referencia al proceso por el que una célula alcanza su forma



2. En el estudio del desarrollo el término diferenciación:a) Hace referencia al proceso por el que una célula alcanza su

forma y función finalb) Indica el momento en el que queda fijado el destino del


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3. Los diferentes tipos celulares surgen debido a:a) La expresión diferencial de genesb) La pérdida específica de genesc) La alteración selectiva de genesd) Todas las respuestas anteriores son correctas

4. En cuanto al papel del citoplasma en la diferenciación celular:a) Ejerce una influencia similar en células distintasb) Ejerce una influencia distinta en células distintasc) No ejerce ninguna influenciad) Influye negativamente en la diferenciación celular

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5. En el inicio del desarrollo de Drosophila, una vez que el óvulo ha sido fecundado:a) El núcleo se divide varias veces pero sin división citoplásmica originándose un

sincitiob) Los núcleos originados se sitúan hacia la parte más externa del huevoc) Se origina una monocapa de células en la parte más externa del huevod) Todas las respuestas anteriores son correctas

6. En el inicio del desarrollo de Drosophila, el embrión temprano sufre un desarrollo atres niveles diferentes en el siguiente orden:

a) Determinación del número y orientación de los segmentos del cuerpo,establecimiento de los ejes antero-posterior y dorso-ventral y desarrollo de cadasegmento para dar lugar al individuo adulto.

b) Establecimiento de los ejes antero-posterior y dorso-ventral, desarrollo de cadasegmento para dar lugar al individuo adulto y determinación del número yorientación de los segmentos del cuerpo.

c) Establecimiento de los ejes antero-posterior y dorso-ventral, determinación delnúmero y orientación de los segmentos del cuerpo y desarrollo de cadasegmento para dar lugar al individuo adulto.

d) Determinación del número y orientación de los segmentos del cuerpo, desarrollode cada segmento para dar lugar al individuo adulto y establecimiento de los ejesantero-posterior y dorso-ventral.

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7. En la determinación del número y orientación de los segmentos del cuerpoen el desarrollo de Drosophila, la secuencia de actuación de los diferentesgrupos de genes de segmentación es:

a) Primero los genes gap, luego los de la regla par y por último los genesde polaridad del huevo

b) Primero los genes de polaridad del huevo, luego los genes gap y porúltimo los genes de la polaridad de los segmentos

c) Primero los genes gap, luego los de la polaridad de los segmentos ypor último los genes de la regla par

d) Primero los genes gap, luego los de la regla par y por último los genesde la polaridad de los segmentos

8. Los genes homeóticos que participan en el desarrollo de Drosophila:a) Determinan las estructuras que se formaran en cada segmento

corporal mediante el control de la expresión de los genes quecodifican cada estructura específica de un segmento

b) Son activados por concentraciones específicas de proteínas producidaspor los genes gap, los genes de la regla par y los genes de polaridad delos segmentos

c) Su expresión es colinear a la posición que ocupan en el cromosomad) Todas las respuestas anteriores son correctas

determinación y diferenciación. papel del citoplasma en la ......el citoplasma ejerce influencia...

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