Capítulo 15. Desarrollo: la ejecución de un programa genético

La mosca de la fruta Drosophila melanogaster

1. La mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, es el modelo experimental por excelencia para el estudio de los procesos de desarrollo. Esto se debe a la facilidad de su cría en laboratorio, su corto ciclo de vida y al profundo conocimiento que se posee acerca de su genética, su nivel de complejidad y su riqueza anatómica.

2. En Drosophila, el desarrollo embrionario comienza en el momento de la fecundación. El esperma entra al oocito maduro a través del micropilo, una estructura ubicada en la que será la región anterior del huevo.

3. Luego de la fusión de los núcleos de los gametos, una serie de rápidas divisiones mitóticas sin citocinesis produce un sincicio. A continuación, los núcleos migran a la periferia y se forma un blastodermo sincicial. La membrana celular se invagina y rodea los núcleos. En ese momento, el embrión está en el estadio de blastodermo celular. El siguiente paso es la gastrulación, proceso durante el cual se definen el ectodermo, el mesodermo y el endodermo, las tres láminas celulares básicas que darán origen a todos los futuros tejidos del animal. Además, durante la gastrulación se establece el plan corporal del animal. La segmentación ocurre en las fases finales de esta etapa.

4. El diseño corporal de Drosophila es básicamente el mismo en el embrión, la larva y el adulto. En los tres casos se distinguen una región anterior, una posterior y unidades repetitivas en la zona media.

5. En Drosophila se han determinado los mecanismos capaces de establecer la orientación de los principales ejes corporales, generar un patrón de unidades repetitivas a lo largo del eje anteroposterior y definir cómo alcanza cada segmento su identidad única.

Fig. 15-5. Experimentos de trasplante revelan la existencia de morfógenos

(a) Un embrión normal da lugar a una larva que presenta elementos morfológicos característicos a lo largo del eje anteroposterior. Estos elementos incluyen, entre otros, la presencia de piezas bucales, quetas, espiráculos, etc., que permiten determinar claramente la posición de la cabeza (C), el tórax (T) y el abdomen (A) en la larva. (b) Si se extrae material desde la región anterior (A) de un embrión dador y se inyecta en la zona posterior (P) de otro embrión (aceptor), la larva resultante presentará estructuras anteriores, típicas de la cabeza en sus dos extremos. (c) Recíprocamente, si se extrae material desde la región posterior de un embrión dador y se inyecta en la zona anterior de otro embrión aceptor, la larva resultante presentará estructuras posteriores en los dos extremos del cuerpo. Estos simples experimentos de trasplante implican la existencia de sustancias determinantes de estructuras anteriores y posteriores que se localizan diferencialmente a lo largo del cuerpo del animal.

Establecimiento de los ejes corporales

6. Los morfógenos son sustancias clave para el establecimiento de la organización del cuerpo del animal. Los morfógenos poseen dos propiedades fundamentales. Una de ellas es su distribución espacial: la concentración de un morfógeno varía a lo largo de una dimensión corporal, por ejemplo, a lo largo del eje anteroposterior del embrión. La otra propiedad crítica de un morfógeno es que sus efectos reguladores sobre otros genes dependen de su concentración en esa zona particular del cuerpo.

7. El desarrollo del oocito dentro del ovario de Drosophila comienza en el germario, que contiene varias células madre. Por cada futuro huevo, una célula madre experimenta cuatro divisiones mitóticas. Una de las células hijas se transforma en el oocito; las otras 15, en células nodrizas.

8. Las células nodrizas producen grandes cantidades de proteínas y mRNA. Estas moléculas son exportadas al oocito. Algunos mRNA se localizan en regiones específicas: los que codifican la proteína Bicoid se ubican en la futura zona anterior del oocito; los que codifican la proteína Oskar, en la futura zona posterior.

9. Las células del ovario materno forman una cubierta de células foliculares que rodean a las células nodrizas y al oocito. Las células foliculares secretan los materiales que componen la membrana vitelina y la cáscara del huevo.

10. La presencia de mRNA maternos en las respectivas regiones anteriores y posteriores del oocito disparan el establecimiento del eje anteroposterior del animal. La presencia de las proteínas Oskar y Nanos marca el extremo posterior del animal, mientras que la presencia de Bicoid marca la región anterior. Estas proteínas actúan como morfógenos, y sus gradientes de concentración constituyen un sistema de coordenadas que guía el posicionamiento del eje anteroposterior del embrión. Las concentraciones de morfógeno a las que está expuesto cada núcleo determinan el camino que seguirá durante el desarrollo.

Fig. 15-8. La localización de productos maternos y los gradientes de morfógenos

(a) Ya en estadios tempranos de desarrollo del oocito, ciertos mRNA se localizan en regiones específicas del oocito: moléculas de mRNA que codifican la proteína Bicoid se localizan de modo preferencial en la región anterior del oocito (color negro), mientras que moléculas de mRNA que codifican la proteína de Oskar se localizan mayoritariamente en el polo posterior del oocito (color rojo). Debido a procesos de difusión, éstas y otras moléculas forman gradientes de concentración a lo largo del oocito proveyéndole un sistema de coordenadas que establece el futuro eje anteroposterior (A y P) del animal. (b) La distribución de la proteína Bicoid en un embrión temprano de Drosophila sigue un gradiente de concentración a lo largo del eje anteroposterior. Este gradiente de concentración establece la posición y la orientación del eje anteroposterior del animal (c). El gradiente de concentración es eliminado totalmente en mutantes del gen bicoid. La carencia de la poteína Bicoid afecta la formación de la cabeza y otras estructuras en la región anterior del animal.

Generación de unidades repetitivas

11. Las dos clases más importantes de genes involucrados en la formación de segmentos corporales son los de efecto materno y los de efecto cigótico. Las mutaciones de efecto materno afectan genes cuya función es requerida cuando el oocito todavía se encuentra en el ovario. Las de efecto cigótico afectan genes cuya función se manifiesta una vez que el embrión activó su programa genético fuera de la madre.

12. Algunas de las mutaciones de efecto materno afectan específicamente el patrón anteroposterior del animal, otras alteran sólo el patrón dorsoventral, mientras que otras afectan exclusivamente a los extremos del animal. Esto sugiere que cada uno de estos patrones está determinado por un grupo distinto de genes.

13. Los gradientes de proteínas codificadas por los genes de efecto materno generan un marco de información posicional que es interpretado por los genes cigóticos. De esta manera, cada región del embrión obtiene su identidad.

14. Varios mutantes en genes de efecto cigótico mostraron defectos en el proceso de generación de unidades repetitivas en el embrión. Estos genes usualmente se definen como genes de segmentación.

15. Los genes de segmentación son genes de efectos cigóticos cuyas mutaciones afectan el proceso de generación de unidades repetitivas en el embrión. Las mutaciones en estos genes pueden ocasionar la desaparición de varios segmentos consecutivos (genes gap), la desaparición de segmentos alternados (genes de la regla de los pares) o la desaparición de subregiones de los segmentos (genes de la polaridad de los segmentos).

Fig. 15-12. Patrones de expresión temporal de los genes de segmentación y su organización funcional jerárquica

Fotografías y esquemas de embriones de Drosophila que muestran la distribución de las proteínas Bicoid, Krüppel, Eve y En. Los genes de efecto materno se expresan muy temprano, más tarde se activa la expresión de los genes gap, luego se activan los genes de la regla de los pares y finalmente se activa la expresión de los genes de polaridad de segmento. Existe una secuencia funcional muy bien definida que establece el orden temporal de expresión de los genes de segmentación.

16. Los genes de efecto materno se expresan muy temprano y marcan los extremos anterior y posterior del embrión. Luego se activan los distintos tipos de genes de segmentación, que se expresan en un orden temporal secuencial conocido como cascada de segmentación.

17. La jerarquía temporal de expresión de los genes de segmentación también es una jerarquía funcional: los genes que se expresan más temprano durante el desarrollo regulan a los que se expresan más tarde.

18. La existencia de regiones reguladoras transcripcionales permite que la expresión de un gen determinado se active en un momento y un sitio específico del desarrollo embrionario. Estas secuencias "leen" las concentraciones de activadores y represores transcripcionales a lo largo del eje anteroposterior. La información se transforma luego en patrones transcripcionales específicos. Algunos genes se expresan en bloques o regiones extensas, en otros casos se establece un patrón periódico de expresión.

Diferenciación de unidades repetitivas

19. El conjunto de características anatómicas y funcionales de cada segmento constituye la identidad de esa parte del animal.

20. Las transformaciones homeóticas son aquellas en las que la identidad de una parte del cuerpo parece haber sido asignada de manera equivocada. Estas transformaciones se deben a mutaciones en los complejos génicos Hox (Homeotic Complex genes). El funcionamiento normal de estos genes otorga identidades correctas a los distintos segmentos del animal.

21. Los genes Hox codifican factores de transcripción que contienen un dominio de unión al DNA (homeodominio). La secuencia de DNA que codifica para el homeodominio se denomina Homeobox.

22. Cada gen Hox se expresa en una región distinta a lo largo del eje anteroposterior del animal y regula la expresión de genes subalternos. Las actividades de estos genes modifican las propiedades celulares de una única región del animal. La expresión de cada gen Hox está determinada por una combinación particular de los productos de los genes de segmentación en las distintas partes del animal.

Fig. 15-15. Genes Hox: estructura génica y patrones de expresión en Drosophila melanogaster

Diagrama que representa la estructura génica de los complejos Hox Antennapedia y Bithorax de Drosophila melanogaster. Nótese que la expresión relativa de cada gen Hox (representado por un rectángulo coloreado) a lo largo del eje anteroposterior del embrión y del adulto recapitula la posición respectiva de cada gen Hox dentro del complejo. De este modo, genes que se encuentran a la izquierda del complejo génico Antennapedia -como, por ejemplo, labial (lab) o proboscipedia (pb)- se expresan en zonas anteriores del animal, mientras que los genes que se sitúan hacia el extremo derecho del complejo Bithorax se expresan en regiones posteriores del animal -por ejemplo Ultrabithorax (Ubx), abdominal-A (Abd-A) y abdominal-B (Abd-B).

Fig. 15-16. La conservación de los complejos génicos Hox en distintos animales

(a) Organización cromosómica y patrones de expresión de los genes Hox en distintos animales. En la parte superior se esquematiza un embrión de Drosophila melanogaster similar al de la figura 15-15. Los dominios de expresión de los genes Hox se corresponden con el orden cromosómico de estos genes dentro de los complejos Hox. En el diagrama central se representan las relaciones evolutivas entre los complejos Hox de Drosophila, del anfioxo, del ratón, y la hipotética organización de los genes del complejo Hox en un supuesto ancestro común entre cordados y artrópodos. En el diagrama inferior se representa a un embrión de ratón en el cual el patrón de expresión de los genes Hox a lo largo del eje anteroposterior del animal también se corresponde con el orden génico en los complejos Hox del ratón. (b) Árbol filogenético simplificado que representa las relaciones evolutivas entre los insectos como Drosophila y los cordados como el ratón y el anfioxo. Para simplificar este diagrama, la escala temporal (t) del árbol filogenético no representa los tiempos de divergencia reales entre estos grupos de animales.

La evolución del desarrollo de los animales

23. Los genes Hox determinan las identidades de las distintas regiones del cuerpo de animales tan distintos como las moscas y los ratones. El alto grado de diversidad que presentan los procesos de desarrollo se debe a variaciones en la regulación y el funcionamiento de estos genes.

24. El descubrimiento de la conservación evolutiva de los genes Hox dio origen a una nueva disciplina, la Biología del Desarrollo Evolutiva o Evo-Devo. Su objetivo central es definir los cambios moleculares y genéticos que han llevado a las transformaciones en la estructura y función de los seres vivos durante la evolución.

25. Animales con un desarrollo embriológico muy distinto utilizan la misma batería de genes para orientar los patrones de desarrollo de sus embriones. La divergencia evolutiva de ratones y moscas es más de 540 millones de años, por lo tanto, los genes Hox probablemente son un componente crítico para el desarrollo de todos los animales con simetría bilateral.

26. Los genes involucrados en el establecimiento de ejes corporales en la dirección dorsoventral, los que dirigen el desarrollo del corazón, los que están involucrados en la especificación temprana del sistema nervioso y los que controlan la formación de ojos están notablemente conservados en el mundo animal.

27. Aunque los reguladores genéticos centrales del desarrollo están ampliamente conservados, los procesos del desarrollo y las formas y funciones de los distintos grupos de animales son en extremo diferentes. Esta diversidad se debe, al menos en parte, a variaciones en la regulación y en el funcionamiento de estos genes.

28. Las variaciones en la función de los genes Hox se deben a cambios al nivel de:

- Las regiones del embrión en las que se expresan.

- Sus propias secuencias codificantes.

- Los grupos de genes subalternos que responden a ellos.

Nuevas direcciones en el campo de la biología del desarrollo

29. Actualmente, la mayor parte de los estudios de actividad génica durante el desarrollo se concentran en los cambios transcripcionales. Recientemente se ha propuesto que cambios a nivel de la estabilidad del mRNA y del patrón de splicing alternativo pueden modificar sustancialmente las funciones de estos genes.