ÁREA: DE CIENCIAS.

NIVEL: IV MEDIO

PLAN DIFERENCIADO

INTEGRACIÓNCÉLULA Y ORGANISMO

NÚCLEO TEMÁTICO 1: DIFERNCIACIÓN CELULAR

Aprendizaje esperados:Se espera que en estas clases Uds sean capaces de:

a) Establecer la relación entre: genes – desarrollo embrionario - diferenciación celular- mutaciones- genes homeóticos.

b) Explicar las relaciones entre estructura y función de diversos fenotipos celulares

c) Realizar un análisis de modelos de diferenciación celular: miogénesis

d) Análizar experimentos de modelos de diferenciación y organogénesis que ilustren la importancia de la comunicación intercelular (fenómeno de la inducción).

e) Explicar la diferenciación de células troncales y su importancia en la mantención de distintos tejidos.

f) Realizar una investigación bibliográfica sobre las células madres embrionarias humanas y su potencial uso en medicina.

¿QUÉ LES LLAMA LA ATENCIÓN?

OBSERVEN ESTAS IMÁGENES

¿QUÉ HIPÓTESIS PROPONEN PARA EXPLICAR ESTOS FENÓMENOS?

HIPÓTESIS

•El desarrollo embrionario, está determinado por la expresión de genes específicos.

•Existen diferentes tipos de genes, en el caso presentado, se trata de genes que controlan la localización de estructuras a lo largo del eje cabeza-cola durante el desarrollo embrionario de la mosca

•Las mutaciones de estos genes produce el fenómeno mostrado, esto es, la antenopedia y bitorax respectivamente

¿QUÉ NOS DICE LA CIENCIA AL RESPECTO?

¿QUÉ ES EL DESARROLLO EMBRIONARIO?

1. Es producto de la ejecución de un programa génico.

2. Es un proceso por el cual el huevo fecundado se transforma en un organismo adulto.

3. El organismo adulto se define como un arreglo ordenado de tipos celulares específicos (fenotipos celulares).

4. Los distintos fenotipos celulares son consecuencia de la expresión diferencial de genes específicos.

5. La expresión diferencial de los genes se logra a través de proteínas llamadas reguladores maestros.

RESPECTO A LO OBSERVADO EN LA MOSCA:

1. Se trata de mutaciones homeóticas2. El término homeosis fue propuesto por Bateson (1894)

para describir la transformación de patas en lugar de antenas (mutación antenapedia)

3. En 1946 Edward Lewis trabajó con la mutación bithorax (formación de alas en lugar de halterios).

4. Demostró que el complejo bithorax actúa durante el desarrollo de la mosca determinando el patrón característicos de algunas de las estructuras presentes en el adulto: desarrollo de los segmentos, posición de las alas, etc.

5. Concluyó que un grupo de genes denominados Homeóticos

6. (HOX) codifican para la síntesis de un grupo de proteínas llamadas factores de transcripción responsables de regular la morfogénesis y de conferir la identidad axial (posición de los órganos) para el desarrollo del embrión.

¿QUÉ SON Y QUÉ CARACTERIZA A LOS GENES HOMEÓTICOS?

• Son una familia de genes que intervienen en el programa de desarrollo que determina la localización de órganos a lo largo del eje antero-posterior.

• La determinación del eje antero posterior (cabeza-cola) del embrión, constituye la piedra angular del desarrollo, porque proporciona una línea central a lo largo de la cual se desarrollará el resto de las estructuras.

• Se expresan en la regiones corporales que albergarán a los órganos en formación. Ejemplo, en la Drosophila normal, los genes homeóticos que determinan la posición de las patas se expresan solo en el tórax.

• En el mutante antenapedia, la mutación causa la expresión de patas en la cabeza.

¿QUÉ RELACIÓN EXISTE ENTRE LA ORGANOGÉNESIS Y LOS GENES HOMEÓTICOS?

1. Es dirigida por dos tipos de genes: Estructurales: definen las características

estructurales de los órganos (extremidades, cabeza, ojo, etc)

Homeóticos: determinan la localización corporal de los órganos.

2. La determinación de la localización de las principales regiones corporales (cabeza, tronco, extremidades) es otro proceso importante, el que ocurre incluso antes que las células se diferencien.

EN SINTESIS

GENES HOMEÓTICOS

Expresan su actividadExpresan su actividad en regiones diferentes delen regiones diferentes del

embriónembrión

Determinan laforma del cuerpo

Son de posición de órganos en el eje

antero posterior duranteLa organogénesis

codifican para síntesis de un grupo de proteínas denominadas factores de transcripción responsables de regular la expresión de los genes estructurales responsables de la morfogénesis y de conferir la identidad axial para el desarrollo del embrión.

porque

¿Cómo se explica que la mutación de uno o más de estos genes produzcan transformaciones fenotípica tan profundas, como la aparición de un órgano completo en un sitio que no corresponde?

LA RESPUESTA A LA PREGUNTA ANTERIOR ES LA SIGUIENTE:

Los genes Los genes homeóticoshomeóticos actúan como actúan como

genes genes “rectores”“rectores” o “maestros”, ya que dirigen la actividad de o “maestros”, ya que dirigen la actividad de varios genes subordinados.varios genes subordinados.

Ejemplo, en la Drosóphla existe un gen homeótico que dirige la Ejemplo, en la Drosóphla existe un gen homeótico que dirige la formación del ojo, para lo cual debe regular la expresión de formación del ojo, para lo cual debe regular la expresión de alrededor de los 2500 genes que codifican las proteínas que dan alrededor de los 2500 genes que codifican las proteínas que dan la estructura y función al ojo.la estructura y función al ojo.

Así una sola mutación homeótica puede provocar una drástica Así una sola mutación homeótica puede provocar una drástica modificación fenotípica, como las descritas.modificación fenotípica, como las descritas.

Es decir, un gen homeótico funciona como un Es decir, un gen homeótico funciona como un gen maestrogen maestro capaz de capaz de controlar toda la cascada de eventos necesarios para el desarrollo de una controlar toda la cascada de eventos necesarios para el desarrollo de una estructura tan compleja como el ojo.estructura tan compleja como el ojo.

ESTRUCTURA DE LOS GENES HOMEÓTICOSESTRUCTURA DE LOS GENES HOMEÓTICOS

En la década del 80, demostraron que estos En la década del 80, demostraron que estos genes se encontraban agrupados en genes se encontraban agrupados en paquetespaquetes en en un cromosoma de un cromosoma de DrosophilaDrosophila..

Todos estos genes, tienen una región común Todos estos genes, tienen una región común constituida por 180 de pares bases, incluso entre constituida por 180 de pares bases, incluso entre especies distantes, denominada caja especies distantes, denominada caja homeóticahomeótica u u homeoboxhomeobox..La caja homeótica guarda homeológía con cajas La caja homeótica guarda homeológía con cajas homeóticas de organismos superiores como homeóticas de organismos superiores como vertebrados, mamíferos y de humanos. vertebrados, mamíferos y de humanos.

Ejemplo: en vertebrados los 39 genes Hox están Ejemplo: en vertebrados los 39 genes Hox están organizados en cuatro grupos cajas homeóticas: organizados en cuatro grupos cajas homeóticas: HoxA, HoxB, HoxC y HoxD. HoxA, HoxB, HoxC y HoxD.

¿QUÉ HACEN LAS CAJAS HOMEÓTICAS?¿QUÉ HACEN LAS CAJAS HOMEÓTICAS?

Expresa una proteína, denominada Expresa una proteína, denominada homeodominio.homeodominio.

Los Los homeodominios se unen al ADN homeodominios se unen al ADN en regiones cercanas de los genes en regiones cercanas de los genes subordinados.subordinados.

De esta forma, las proteínas homeóticas, De esta forma, las proteínas homeóticas, pueden activar o reprimir la expresión de pueden activar o reprimir la expresión de muchos genes del desarrollo. muchos genes del desarrollo.

¿LOS GENES HOMEÓTICOS ¿LOS GENES HOMEÓTICOS SÓLO EXISTEN EN SÓLO EXISTEN EN

DROSOPHILA?DROSOPHILA?

CCuando se compara la caja homeótica uando se compara la caja homeótica entre especies de insecto y de entre especies de insecto y de vertebrados, se encuentran grandes vertebrados, se encuentran grandes homologíashomologías en las secuencias en las secuencias nuclotídicas.nuclotídicas.Esto hace pensar que durante la Esto hace pensar que durante la evolución, los insectos y los vertebrados evolución, los insectos y los vertebrados heredaron estos genes homeóticos heredaron estos genes homeóticos desde un desde un ancestro común.ancestro común.Es una prueba más de la evoluciónEs una prueba más de la evolución

RESPUESTA

¿Qué importancia tiene la homología de los ¿Qué importancia tiene la homología de los genes homeóticos?genes homeóticos?

Explicaría el patrón de organización de los Explicaría el patrón de organización de los embriones es embriones es igualigual en muchas especies. en muchas especies. los órganos y los aparatos principales los órganos y los aparatos principales aparecen distribuidos en tres aparecen distribuidos en tres ejes de ejes de polaridadpolaridad: el eje antero-posterior, el eje : el eje antero-posterior, el eje dorso-ventral y el eje derecha izquierda.dorso-ventral y el eje derecha izquierda.El hecho que estos genes compartan una El hecho que estos genes compartan una secuencia llamada secuencia llamada caja homeóticacaja homeótica (homeobox) sugiere que el mecanismo que (homeobox) sugiere que el mecanismo que determina la formación de la cabeza, el determina la formación de la cabeza, el tronco y la cola pueden haber surgido una tronco y la cola pueden haber surgido una sola vez en la evolución.sola vez en la evolución.

¿Donde se localizan estos genes en los ¿Donde se localizan estos genes en los cromosomas?cromosomas?

Los genes homeóticos se Los genes homeóticos se organizan en grupos en organizan en grupos en el cromosoma.el cromosoma.Se distribuyen en el Se distribuyen en el cromosoma siguiendo la cromosoma siguiendo la misma orientación misma orientación espacial de las regiones espacial de las regiones corporales en las cuales corporales en las cuales se expresan.se expresan.Este patrón de Este patrón de distribución es igual distribución es igual tanto en insecto como tanto en insecto como en vertebrados.en vertebrados.

Relación homeobox segmento corporalRelación homeobox segmento corporal

En el diagrama se han En el diagrama se han marcado los genes marcado los genes con caja homeótica con caja homeótica de drosófila y ratón y de drosófila y ratón y las regiones del plano las regiones del plano corporal que estos corporal que estos genes controlan.genes controlan.

Relación homeobox segmento corporalRelación homeobox segmento corporal

En esta imagen, vemos En esta imagen, vemos en la molécula lineal en la molécula lineal del DNA, los genes con del DNA, los genes con cajas homeóticas están cajas homeóticas están dispuestos en un orden dispuestos en un orden preciso de izquierda a preciso de izquierda a derecha.derecha. Los situados a la Los situados a la izquierdaizquierda, expresan en , expresan en las regiones posteriores las regiones posteriores del cuerpo mientras, del cuerpo mientras, que los genes situados que los genes situados más hacia la más hacia la derecha derecha se expresan más cerca se expresan más cerca de la cabeza. de la cabeza.

EN SÍNTESIS

las mutaciones homeóticas demuestran que hay genes que pueden controlar las distintas regiones del genoma que determinan las estructuras de un organismo, por lo que éstos producen transformaciones anatómicas.

El desarrollo embrionario, es producto de la ejecución de un programa génico.

En este proceso participan en primera instancia los genes homeóticos quq actúan como genes rectores de otros genes subordinados para indicar la posición y la organización de los órganos en el eje antero posterior del embrión primitivo.

Los genes homeóticos de diferentes especies de tienen una estructura común (caja homeótica)

La mutación de cualquiera de éstos genes causa cambios profundos en la posición de los órganos durante la organogénesis