Generación de formas y patrones durante el desarrollo de...

Mariana Benítez Keinrad

Instituto de Ecología, UNAMC3, Centro de Ciencias de la Complejidad

Generación de formas y patrones durante el desarrollo de las plantas y los animales

¿Cómo se surgen y evolucionan las formas de los seres vivos?

¿Cómo se surgen y evolucionan las formas de los seres vivos?

¿Cuáles son los mecanismos mediante los cuales la interacción entre factores moleculares, celulares, organísimicos y ambientales da lugar a los fenotipos?

¿Cómo se surgen y evolucionan las formas de los seres vivos?

¿Cuáles son los mecanismos mediante los cuales la interacción entre factores moleculares, celulares, organísimicos y ambientales da lugar a los fenotipos?

¿Cómo afectan cambios en estos mecanismos la evolución de las formas?

¿Cómo se surgen y evolucionan las formas de los seres vivos?

¿Cuáles son los mecanismos que dan lugar a los fenotipos (formas)?

¿Cómo afectan cambios en estos mecanismos la evolución de las formas?

¿Qué aspectos del desarrollo y la morfogénesis son compartidos por varios grupos de organismos? ¿cuáles son específicos?

Embriología comparada del siglo XIX

• Relaciones de similitud entre formas y ontogenia

• Búsqueda de un orden discernible y racional que relacionara el estudio de la embriología con la taxonomía.

Estudios comparativos

Estructuras anatómicas

Secuencias del desarrollo

Simetrías de los organismos

Relaciones partes-todo.

Temas y variaciones

Planteamiento de principios genéricos en la organización de los seres vivos.

Variaciones de un mismo tema (bauplan, unidad de tipo, arquetipo).

Teoría de la recapitulación

• Haeckel. ¨La ontogenia recapitula la filogenia¨: cada etapa del desarrollo de un individuo representa la forma adulta de organismos que forman parte de su historia evolutiva (finales del s. XIX).

La ontogenia, o el desarrollo de los individuos orgánicos, está inmediatamente determinada por la filogenia o el desarrollo

del grupo orgánico (phylum) al que pertenece. La ontogenia es una breve y

rápida recapitulación de la filogenia, determinada por la función fisiológica de la

herencia (reproducción) y la adaptación (nutrición).

Haeckel 1866, Vol. 2, p. 300

Recapitulación: Haeckel ~1890

Divergencia de von Baer

• Se

Se oponía a ideas de recapitulación:

El desarrollo comparado es divergente.

El embrión de un animal no es comparable con la forma adulta de otro organismo.

S. J. Gould llamó a la visión del desarrollo que acompañaba a la noción de recapitulación desarrollo por adición terminal

Incompatible con desarrollo no lineal y no preformado.

¿Cómo se genera o dónde se encuentra la información necesaria para que los

organismos se desarrollen?

prefor-epig

Hartsoeker, 1964

Preformacionismo Swammerdam,

Malpighi, Leeuwenhoek, Bonnet…

Problema de la diferenciación y la formación de patrones “resuelto”.

Observaciones de ¨animáculos¨ al microscopio

prefor-epig

Hartsoeker, 1694

Swammerdam, Malpighi, Leeuwenhoek, Bonnet…

Problema de la diferenciación y la formación de patrones “resuelto”.

Observaciones de ¨animáculos¨ al microscopio

Preformacionismo

• La información, las estructuras y formas aparecen a lo largo del desarrollo

• Aristóteles, Harvey, Wolff, Buffon, von Baer…

• Las primeras explicaciones epigenetistas son fundamentalmente vitalistas

Epigenetismo

Problema de los organizadores en vertebrados y Waddington (~1930) vs. la carrera en busca de

la sustancia organizadora.

Síntesis sin desarrollo

Genética clásica, de poblaciones, evolución por selección natural

Nueva síntesis: evolución como cambios en frecuencias de alelos

Genética molecular

Genes homeóticos

¿Y las plantas?

Variación morfológica

Restricciones

•Genes sumamente conservados; más que diferencias en secuencia son las diferencias entre las interacciones de estos genes con otros y con las otros factores los que podrían ayudar a explicar la evolución fenotípica.

• Los genes homeóticos están, en promedio, igual o más regulados transcripcionalmente que otros genes; vs. noción de genes maestros.

Y dale con los organizadores...

Genes

Proteínas

Rutas bioquímicas

Células

Organismos

Neo-preformacionismo

Los mejores remadores pueden ser seleccionados

generando todas las combinaciones posibles de

equipos e identificando a los individuos que más

frecuentemente estén en equipos ganadores.

En promedio, los mejores hombres ganarán más

carreras.

La metáfora de los equipos de remo (R.D., 1976)

¨Ahora ellos se aglomeran en enormes colonias, seguros al interior de torpes autómatas […] Están en tí y en mí, ellos nos han creado en cuerpo y mente y su persistencia es el único motivo de nuestra existencia […] Ahora llevan el nombre de genes y nosotros somos su medio de supervivencia.¨

Este enfoque ha aportado:

Comprensión detallada de muchos procesos moleculares.

Desarrollo de numerosas técnicas.

Desarrollo de aplicaciones en medicina e ingeniería genética.

Pero…

• Diversos tipos de regulación genética en muchos niveles

• Varios genes, una característica

• Un gen, varias características

• Redundancia

• Asas de retroalimentación

• Propiedades globales distribuidas

• En promedio, los genes homeóticos están tanto o más regulados

que otros genes

¡No es posible promediar!Estudiar las partes aisladas no es

suficiente.

• Diversos tipos de regulación genética en muchos niveles

• Varios genes, una característica

• Un gen, varias características

• Redundancia

• Asas de retroalimentación

• Propiedades globales distribuidas

• En promedio, los genes homeóticos están tanto o más regulados

que otros genes

Genes

Proteínas

Rutas bioquímicas

Célula

Organismos

Ambiente

Genes

Proteínas

Rutas bioquímicas

Células

Organismos

¿Cómo se genera o dónde se encuentra la información necesaria para que se

generen y cambien las formas y patrones que caracterizan a los organismos?

Más sobre información necesaria para el desarrollo: patrones

morfogenéticos

Tipos celulares

(Kauffman, 1969)

Ejemplo: Arreglos celulares en el tejido vascular

Lehesranta et al 2010

Wikimedia Commons

Floema (ph) Procambium (pc) Xilema (xy)

Haz vascular

Sección del tallo

proto-xy pc proto-ph

WOX4HB8PXY APL1

VNDASL

Ph

ot o

: Ha n

a Z

i mo

v á

Resultados

Benítez, Hejátko, 2013. PloS ONE

Predicciones novedosas

- CK + CK

Expresión de APL

D'Arcy Thompson 1952

Plasticidad: cambios en el camino

Acer pseudoplatanus Couturier et al., 2009

Arabidopsis thalianaTsukaya, 2002

El medio ambiente y la plasticidad fenotípica

Efectos del medio ambiente y plasticidad:el marcaje epigenético como ejemplo

Desarrollo plástico en las plantas

Lira-Medeiros et al., 2010

Kaminsky, ZA, et al. 2009

X

Z

Y

Gradie

ntes

Redes de regulación genética no lineales

Geometría y tamaño celular Vías de

señalamiento

Comunicación celular,

proliferacion y crecimiento

Interacciones mecánicas

Estímulos ambientales

¿Primer organismo sintético?

Evolución

Cambio en las proporciones de los carácteres heredables a través de las generaciones.

La variación y la herencia son necesarios para que evolucionen los fenotipos, pero... hay muchos tipos de herencia.

Asas autosostenidas

Actúan como “memoria” de la actividad genética y pueden contribuir a la transmisión de un estado celular a células hijas.

Estímulo X

Herencia estructural

Copyright © 1994, Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and James D Watson

Stuart and Cole, 1999

Copyright © 1994, Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and James D WatsonCopyright © 1994, Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and James D Watson

Marcaje epigenético del DNA

Los ratones con un transposón insertado cerca de uno de los genes asociados a color de la piel presentan tres tipos de coloración de piel, cada uno dependiente del grado de metilación del transposón. Los colores de piel y los patrones de metilación, son heredados a través de las generaciones.

En el experimento se controló que los cambios de coloración no se debieran a mutaciones en el ADN, ni ha efectos maternos (intercambio de fetos).

Emma Whitelaw

UV

Patógenos

Estrés hídrico

E.g. Boyko et al., 2010

Herencia asociada a conducta y aspectos sociales:

El caso de Noruega

Olov Bygren y sus colaboradores encontraron en el estudio de Överkalix que los nietos de hombres (pero no mujeres) que estuvieron expuestos en su preadolescencia a hambrunas a finales del siglo XIX tenían menos probabilidad de morir por enfermedades cardiovasculares, mientras que los nietos de quienes estuvieron expuestos a etapas de “glotonería” tenían mayor probabilidad de presentar diabetes y tendían a vivir menos tiempo.

Al controlar para otros factores determinantes de la supervivencia, se encontró que la gente que asiste a eventos culturales tiene mayor esperanza de vida.

En otro estudio se halló que existe una asociación significativa entre las actividades culturales y el estado de salud, aun cuando se controló para edad, sexo, estado civil, número de hijos, estado laboral, ingresos, nivel educativo y etnia.

Nuevas formas de relacionar ontogenia y filogenia:

Descripción y comparación de módulos funcionales en el desarrollo.

Análisis de conservación de estos módulos en distintos organismos.

Identificación de las características dinámicas, estructurales y sistémicas que podrían subyacer la conservación de un patrón o la inovación morfológica.

Propiedades organizativas

• Modularidad• Robutez• Plasticidad• Capacidad de evolucionar

Modularidad (reúso y

robustez)

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Evo-devo

¿Cómo se originó y ha evolucionado el desarrollo?

¿Cómo afecta el desarrollo a la variación fenotípica?

¿Cómo contribuye el desarrollo a la generación de novedades fenotípicas?

Eco-devo

¿Cómo interactúan los proceos del desarrollo con el ambiente?

¿Cómo afecta el desarrollo de los organismos al ambiente?

Módulos dinámicos generadores de patrones (MDP o DPMs)

Newman y Bhat, 2009

Constituidos por algunos genes y moléculas y procesos físicos genéricos que éstos habilitan, tales como cohesión, viscoelasticidad, difusión, interacciones de activación-inhhibición, procesos oscilatorios.

Propuestos por Newman y Bhat (2009) para el caso del desarrollo de los animales --->

Wikipedia

Los genes y moléculas considerados tienen efectos en la escala multicelular y movilizan ciertos procesos físicos.

Newman y Bhat 2009

Módulo de Adhesión diferencial, un ejemplo

Puede generar varias capas celulares.Compuesto por las cadherinas y otras moléculas importantes para la adhesión entre células (posiblemente cooptadas de proteínas de membrana ya presentes en unicelulares). El proceso físico en el que se basa es el de minimización de tensión superficial: las células con menor cohesión estarán separadas de las de mayor cohesión, en ocasiones rodeándolas.

Schötz et al. 2008Wikipedia

Newman y Bhat proponen que los genes involucrados en los DPM precedieron al origen de los metazoarios y adquirieron nuevas funciones únicamente debido al cambio de escala (unicelular a multicelular) y, gracias a que estaban a asociados a procesos físicos generadores de patrones, dieron lugar a una diversidad de formas.

DMP de inhibición lateral

Puede definir regiones que describen patrones complejos en los que las células adquieren diferentes tipos.

Sistema de comunicación intercelular mediada por un ligando (e.g. Notch-delta), que habilita un mecanismo tipo reacción-difusión generador de patrones.

Evidencia reciente sugiere que este mecanismo podía haber actuado en ancestros de animales en la escala unicelular, mediando la alternancia entre estados celulares.

Newman y Bhat 2009

Newman y Bhat 2009

Los DPM constiuyen un lenguaje capaz de dar lugar a las formas básicas o planes corporales en los animales.

Modelos integrativos y dinámicos

Brindan un marco para articular de forma sistemática diversos tipos de datos experimentales.

Permiten estudiar el comportamiento del sistema de estudio en el tiempo y en el espacio.

Proveen de una herramienta para llevar a cabo experimentación in silico.

Permiten entender la dinámica colectiva de diversos elementos y dan pie a nuevas predicciones.

Zhu et al., 2010

Módulo TUR (ligandos y receptores que habilitan un sistema tipo reacción-difusión)

Módulos dinámicos generadores de patrones en las

plantas

Wikipedia

Las plantas como sistema modelo:

- Desarrollo postembrionariode nuevas estructuras, órganos y tejidos.

- Desarrollo sumamenteplástico.

- Gran cantidad de informacióndisponible y (parcialmente)desarticulada.

Meyerowitz, 2000 Newman y Bhat 2009

Estudios comparativos en la escalade la dinámica del desarrollo

Algunas diferencias clave en el desarrollo deplantas y animales:

- No hay migración - Determinación del desarrollo y plasticidad

Goethe 1790

Eventos clave en el desarrollo de las plantas

Desarrollo embrionario:

1. Polarización del embrión en el eje apico-basal

2. Formación de los tres tejidos básicos: dérmico, fundamental y vascular (plantasvasculares).

Leyser 03

Desarrollo postembrionario:

3. Determinación de la filotaxis

4. Repetición regulada del módulo nodo-internodo

Goethe, 1790

Embrionario

Post-embrionario

Módulos dinámicos generadores de patrones en las plantas

Valeria HernándezStuart NewmanKarl Niklas

Hernández-Hernández et al., 2012

Hernández, por aparecer

Hernández, por aparecer

Good models allow us to reject our preconceptions; poor models delude us into believing we have identified causalities correctly.

Niklas & Spatz, in “Plant Physics”, 2012( )

Algunas pistas y preguntas en evo-devo:

Diversificación debida no sólo a alteración en la expresión génica,sino también a cambios ambientales y en parámetros de los módulosgeneradores de patrones (geometría, tamaño, viscoelasticidad)

Al acoplarse a mecanismos físicos, la variación en la expresión de pocos genes es suficiente para generar cambios morfológicos.

Estudios comparativos no sólo de genes o familias de genes, sinotambién de módulos dinámicos completos. Entonces:

¿Qué DMP son comunes a plantas y animales?

¿Son éstos mecanismos genéricos del desarrollo?

¿Qué módulos son distintos en estos linajes?

Retos:

Plasticidad, interacción con otras vías hormonales, factores ambientales, e.g. regulación de cambios en patrones filotácticos en la vida de las plantas.

Combinatoria de DPM y estudios del origen de los planes corporales y multicelularidad

Algunas referencias

Gracias