desarrollo temprano y genetica - Adelfo Morales Gonzalez

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FORO TALLER GENÉTICA DE BILOGIA DEL DESARROLLO
Conceptos relacionados con la diferenciación y equivalencia celular, así como las bases genéticas del desarrollo temprano correspondiente en la UNIDAD 3. Células madre y procesos del desarrollo.
Adelfo Morales G & Adriana Pimienta P.
Preguntas de Repaso 17.1, 17.2 y 17.3
1. ¿Qué evidencias sustentan el principio de la equivalencia nuclear?
Rta: la equivalencia nuclear lo que propone es que los núcleos de esencialmente todas las células adultas diferenciadas de un individuo son desde el punto de vista genético (aunque no por necesidad metabólicamente) idénticas entre sí y respecto al núcleo del cigoto del que descienden. Entre la evidencia que apoya este postulado proviene de casos en los que se ha encontrado que células diferenciadas o sus núcleos retienen el potencial de dirigir el desarrollo del organismo entero. Por ejemplo en algunas plantas células diferenciadas pueden inducir para que se conviertan en el equivalente a las células embrionarias y permitirles que crezcan en un medio nutritivo. 
2. ¿Por qué el equipo de Wilmut tuvo éxito en la clonación de mamíferos donde otros fracasaron?
Rta: reconocieron que los ciclos celulares del citoplasma del óvulo y del núcleo donante no estaban sincronizados. El óvulo está detenido en la metafase II de la meiosis, mientras que la célula somática donante en crecimiento activo se encuentra normalmente en la fase de síntesis (S) del ADN, o en la G2. Privando de ciertos nutrientes a las células de las glándulas mamarias usadas como donantes, los investigadores provocaron que estas células entran en un estado de no división llamado G0. Esto tuvo el efecto de sincronizar los ciclos celulares del núcleo donante y del óvulo. Entonces aplicaron un choque eléctrico para fusionar la célula donante con el óvulo e iniciar el desarrollo del embrión.
3. ¿Qué son las células madre?
Rta: son células indiferenciadas que se pueden dividir para producir descendientes diferenciados pero que todavía retienen la capacidad de dividirse para mantener la población de células madre, Cuando una célula madre se divide, sus células hijas pueden permanecer como células madre o diferenciarse en células especializadas, estas pueden ser totipotentes células madre del cigoto (capaz de dar  lugar a todos los tejidos del cuerpo y a la placenta) o pluripotentes (presentan el potencial de desarrollarse en cualquier tipo de célula excepto formar las células de la placenta). 
4. ¿Cuáles son los méritos relativos de Drosophila, C. elegans, M. musculus, y Arabidopsis como organismos modelo para el estudio del desarrollo?
a. Cuáles son los méritos relativos de Drosophila como organismos modelo para el estudio del desarrollo
· Se logró mapear todo el genoma de la mosca de la fruta (Drosophila), que incluye unos 13,600 genes codificantes de proteínas. Al menos 1200 de éstos son esenciales para el desarrollo embrionario en la que alguno de estos son similares tanto en invertebrados como en vertebrados
· el desarrollo de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) implica un plan corporal o anatómico antero-posterior que es común a muchos invertebrados y vertebrados y tiene un desarrollo rápido por lo que tiene dos ventajas como organismo para la investigación son la abundancia de alelos mutantes disponibles para su estudio incluyendo los genes del desarrollo, y la relativa facilidad con la que una nueva mutación se mapea en los cromosomas
· genes de efecto materno: Los genes que organizan la estructura del óvulo y se transcriben para producir moléculas de ARNm que se transportan al interior del óvulo en desarrollo la mutación de estos genes ha permitido estudiar que genes están implicados en el establecimiento de la polaridad del embrión, como por ejemplo qué parte del embrión será la cabeza y qué parte será la cola y entender la localización donde se origina la mutación 
· Genes de segmentación o cigóticos en estos núcleos empiezan a producir ARNm embrionarios y son responsables de generar un patrón repetitivo de segmentos corporales dentro del embrión y la mosca adulta, La mayoría de los genes de segmentación codifican factores de transcripción, Por ejemplo, algunos genes de segmentación codifican estructuras llamadas “dedos de zinc” un tipo de proteína un tipo de proteína reguladora que se une al ADN. una mutación de uno de los genes gap normalmente causa la ausencia de uno o más segmentos corporales en el embrión
· Genes homeóticos: especifican el plan de desarrollo para cada segmento. Las mutaciones en los genes homeóticos causan que una parte del cuerpo sea sustituida por otra y por lo tanto producen algunos cambios peculiares en el adulto
· El descubrimiento de los distinto tipos de genes y cómo interactúan de los cuales muchos están presentes en otros organismos permiten entender cómo se dan estas mutaciones y como localizarlas 
· el hallazgo de   los genes Hox que son grupos de genes con cajas homeóticas que se disponen en el mismo orden en el que se expresan a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo durante el desarrollo, proporcionan claves sobre las relaciones evolutivas y el análisis de moscas mutantes con genes defectuosos de efecto materno ha revelado que muchos de estos genes están implicados en el establecimiento de la polaridad del embrión, como por ejemplo qué parte del embrión será la cabeza y qué parte será la cola. La polaridad determina qué partes del huevo son dorsales o ventrales y cuáles son anteriores o posteriores por lo que Una combinación de gradientes de proteínas puede proporcionar una información posicional que especifica el destino, es decir, la ruta de desarrollo, de cada núcleo en el embrión.
b. Cuáles son los méritos relativos C. elegans como organismos modelo para el estudio del desarrollo
· gracias a los estudios llevados a cabos en estas especies descubrieron una nueva tecnología denominada ARN de interferencia el cual se ha convertido en una poderosa herramienta para la investigación que corresponde a pequeñas moléculas ARN que interfieren en la expresión de genes o en la transcripción de sus ARN. Un modo en el que estas moléculas de ARNi actúan es silenciando la expresión de los genes mediante secuencia de ARN complementarias al ARNm que causan su degradación selectiva, impidiendo su traducción a proteínas. El uso de ARNi permite desactivar la expresión de un gen específico de un organismo durante su desarrollo,
· es una herramienta importante para responder a cuestiones básicas acerca del desarrollo de células individuales dentro de organismos pluricelulares. el cuerpo del gusano es transparente, los investigadores pueden seguir literalmente la evolución de cada una de sus células somáticas utilizando un microscopio de interferencia diferencial de Nomarski, además permitió observar  la influencia que tiene una célula en el crecimiento de una célula vecina, esta observación sugiere que el desenvolvimiento de cada célula está regulado mediante su propio programa interno sin embargo en algunos casos la diferenciación celular está influenciada por interacciones con células vecinas específicas, un fenómeno conocido como inducción por lo que  el análisis de las mutaciones del gusano ha contribuido al conocimiento de las interacciones inductivas. 
· es un buen modelo para estudiar la apoptosis por ejemplo ahora se sabe que la mitocondria desempeña una función importante en la apoptosis en animales que van desde el C. elegans hasta los humanos. Se identificaron otros genes que codifican una familia de proteínas conocidas como caspasas, enzimas proteolíticas activas en las etapas iniciales de la apoptosis. Subsecuentemente se identificaron genes homólogos en otros organismos, incluyendo humanos; algunos de estos loci codifican también caspasas en mamíferos
c. Cuáles son los méritos relativos de M. musculus como organismos modelo para el estudio del desarrollo
· Se ha secuenciado el genoma del ratón que contiene de 27,000 a 30,000 genes, un número similar al de los genes codificantes de proteínas enel genoma humano por lo que el desarrollo temprano El desarrollo temprano en el ratón y en otros mamíferos es similar en muchos aspectos al desarrollo humano lo que lo hace un modelo el desarrollo en mamíferos
· Casi toda la investigación en el desarrollo del ratón se ha concentrado en los estadios que conducen a la implantación, porque en estos estadios el embrión se encuentra libre y puede manipularse experimentalmente. Durante este período, se producen los compromisos del desarrollo que tendrán un efecto significativo en la futura organización del embrión.
· Se han utilizado para formar ratones quimeras (organismo que contiene dos o más tipos de células genéticamente diferentes que provienen de distintos cigotos), lo permiten a los investigadores usar células marcadas genéticamente para trazar los destinos de ciertas células durante el desarrollo 
· La utilización de ratones transgénicos para el estudios de regulación del desarrollo por que proporcionan claves de cómo se activan los genes durante el desarrollo
· También se puede construir un gen híbrido consistente de los elementos reguladores de un gen de ratón y parte de otro gen de otra especie que codifica una proteína “informadora” esto aportado información importante sobre la regulación génica y el hecho de que estos genes se expresen de manera correcta en los tejidos apropiados indica que las señales para la expresión génica específica de tejido están muy conservadas a lo largo de la evolución, por ultimo aplicaciones muy valiosas en otros organismos, incluso en los seres humanos,
· Los ratones son un modelo que están proporcionando claves sobre el proceso del envejecimiento por ejemplo el receptor IGF y el envejecimiento en los ratones sugiere que algunos de los centenares de otros genes mutantes asociados con el envejecimiento en C. elegans pueden estar también implicados en el envejecimiento de mamíferos.
d. ¿Cuáles son los méritos relativos de Arabidopsis como organismos modelo para el estudio del desarrollo?
· La planta completa su ciclo vital en tan sólo unas pocas semanas y es suficientemente pequeña como para cultivarse en placas de Petri, produciendo miles de individuos en un espacio limitado. Los botánicos utilizan mutágenos químicos para producir cepas mutantes y han aislado muchos mutantes en el desarrollo.
· Se han insertan genes ajenos clonados en las células de la Arabidopsis, los genes se integran dentro de los cromosomas se inducen entonces estas células transformadas para que se diferencien en plantas transgénicas
· Muchos genes de Arabidopsis son equivalentes funcionalmente a genes de otras especies animales.
· Los descubrimientos del modelo ABC en la Arabidopsis incrementan inmensamente el número de sondas moleculares disponibles para las plantas. Los investigadores utilizan estas sondas para identificar otros genes que controlan el desarrollo en varias especies de plantas y para compararlos con los genes de un amplio rango de organismos
· información genómica funcional conducirá a una comprensión mucho más profunda del desarrollo de las plantas y de la historia evolutiva.
5. ¿Qué son los factores de transcripción y cómo influyen en el desarrollo?
Rta son proteínas de unión al ADN que regulan la transcripción de genes en células eucariotas los factores de transcripción reprograman el estado de desarrollo de las células maduras por lo que se convirtieron en células embrionarias pluripotentes, Algunos genes codificantes de factores de transcripción contienen una secuencia de ADN llamada caja homeótica, que codifica una proteína con una región de unión al ADN llamada homeodominio. Algunos genes con cajas homeóticas están organizados en complejos que parecen ser sistemas de genes maestros que especifi can el plan corporal de un organismo. Existe un paralelismo entre los complejos de genes con cajas homeóticas de Drosophila y los de otros animales, también actúan como interruptores genéticos que regulan la expresión de otros genes, están asociados al envejecimiento 
6. ¿Qué función desempeña la inducción en el desarrollo?
Rta: son las interacciones de células vecinas durante el desarrollo durante el desenvolvimiento de C. elegans, por ejemplo la formación de la vulva, la estructura reproductiva a través de la cual se ponen los huevos. Una única célula que no se divide, llamada célula ancla, es parte del ovario, la estructura en la que las células de la línea germinal sufren meiosis para producir los huevos. La célula ancla se une al ovario y a un punto de la superficie externa del animal, induciendo la formación de un conducto a través del cual los huevos salen al exterior. Cuando está presente, la célula ancla induce a las células de la superficie para que formen la vulva y su abertura.
7. ¿Qué es la apoptosis?
Rta: muerte celular programada
8. ¿Cómo se relacionan los oncogenes y los genes supresores del tumor, con los genes implicados en el control del crecimiento y el desarrollo normales?
Rta: El desarrollo de cáncer normalmente es un proceso de multiples etapas que implica tanto mutaciones que activan oncogenes como mutaciones que inactivan genes supresores de tumor vemos que aproximadamente la mitad de todos los cánceres son causados por una mutación en un gen supresor de tumor. Estos genes, también conocidos como antioncogenes, interactúan normalmente con factores de inhibición del crecimiento para bloquear la división celular. Cuando mutan, pierden la capacidad de “poner el freno” y se produce el crecimiento incontrolado
Los genes supresores de tumor interactúan con factores inhibidores del crecimiento para bloquear la división celular. Una mutación en un gen supresor de tumor puede inactivarlo y conducir consecuentemente al cáncer.
9. ¿Cómo está implicado un factor de crecimiento en una cascada de control del crecimiento normal?
Rta: Los factores de crecimiento son proteínas señalizadores que estimulan la división celular en células diana o células blanco específicas, un factor de crecimiento estimula el crecimiento celular. Los protooncogenes codifican receptores de factores de crecimiento y algunos de los otros componentes del sistema. Cuando muta un protooncogén, convirtiéndose en un oncogén, la célula crece y se divide incluso en ausencia del factor de crecimiento.
Evalúe su comprensión
1. La morfogénesis tiene lugar a través de un proceso de múltiples etapas de 
(a) diferenciación 
(b) determinación 
(c) formación de patrones 
(d) totipotencia
(e) selección
2. Los experimentos de clonación realizados en ranas demostraron que 
(a) todas las células de rana diferenciadas son totipotentes
(b) algunas células de rana diferenciadas son totipotentes 
(c) todos los núcleos de células de rana diferenciadas son totipotentes
(d) algunos núcleos de células de rana diferenciadas son totipotentes
(e) la diferenciación celular requiere siempre la perdida de ciertos genes
3. El eje anteroposterior de un embrión de Drosophila se establece en primer lugar por ciertos
(a) genes homeoticos
(b) genes de efecto materno 
(c) genes de segmentación 
(d) protooncogenes 
(e) genes de la regla par
4. Usted descubre un nuevo mutante de Drosophila en el que las piezas bucales se localizan dónde por lo común se encuentran las antenas. Se predice que el gen mutante es muy probablemente un 
(a) gen homeotico
(b) gen gap 
(c) gen de la regla par 
(d) gen de efecto materno
(e) gen de la polaridad de segmento
5. La mayoría de los genes de segmentación codifican 
(a) ARN de transferencia 
(b) enzimas 
(c) factores de transcripción 
(d) histonas
(e) proteínas de transporte
6. Los genes con caja homeotica
(a) se encuentran en las moscas de la fruta, pero no en otros animales 
(b) tienden a expresarse en el orden en que se encuentran en un cromosoma 
(c) contienen una secuencia de ADN característica
(d) b y c 
(e) a, b y c
7. El patrón de desarrollo de C. elegans se dice que es en mosaico porque
(a) el desarrollo está controlado por gradientes de morfogenos
(b) parte del embrión no se desarrolla si se destruye una célula fundadora
(c) algunosindividuos son hermafroditas que se auto fecundan
(d) todo el desarrollo está controlado por los genes de efecto materno
(e) nunca se produce apoptosis
8. Cuál de los siguientes enunciados ilustra la naturaleza regulada del desarrollo temprano en el ratón? 
(a) el embrión de ratón está libre antes de la implantación en el útero 
(b) es posible producir un ratón transgénico 
(c) es posible producir un ratón en el que un gen específico se ha eliminado 
(d) en el ratón se han identificado genes relacionados con los genes homeoticos de Drosophila 
(e) un ratón quimera puede producirse fusionando dos embriones de ratón
9. Arabidopsis es un organismo modelo util para el estudio del desarrollo de plantas porque
(a) es de una gran importancia económica
(b) tiene un tiempo de generación muy largo 
(c) se han aislado muchos mutantes en el desarrollo 
(d) contiene gran cantidad de ADN por célula 
(e) tiene un patrón de desarrollo rígido
10. Las celulas madre pluripotentes 
(a) pierden material genético durante el desarrollo 
(b) conducen a muchos, pero no todos, los tipos celulares de un organismo 
(c) se organizan en estructuras reconocibles a traves de la formación de patrones 
(d) no pueden crecer en cultivos de tejidos 
(e) se han usado para clonar una oveja y otros diferentes mamíferos
11. Cuál de los siguientes enunciados sobre el cáncer es falso? 
(a) los oncogenes derivan de mutaciones en protooncogenes 
(b) los genes supresores de tumor normalmente interactúan con factores inhibidores del crecimiento para bloquear la division celular 
(c) se han identificado más de 100 oncogenes y 15 genes supresores de tumor 
(d) los oncogenes se descubrieron por primera vez en los modelos de cancer de raton 
(e) el desarrollo del cancer es normalmente un proceso de multiples etapas que implica tanto oncogenes como genes supresores de tumor que han mutado
12. Los protooncogenes codifican
(a) morfogenos 
(b) anticuerpos para la respuesta inmunitaria 
(c) receptores de factores de crecimiento y otros componentes de la cascada de control del crecimiento
(d) enzimas como la transcriptasa reversa
(e) células ME 
Pensamiento crítico
1. ¿Por qué es crucial una comprensión de la regulación génica en eucariotas para comprender el proceso del desarrollo? 
Es crucial porque se debe tener muy en claro todo el proceso anterior al desarrollo, todo lo que implica la expresión génica en eucariontes y sus pasos, ya que la expresión génica es el proceso que controla qué genes en el ADN de una célula se expresan (se utilizan para hacer un producto funcional como una proteína). El grupo de genes expresados en una célula determina el grupo de proteínas y de ARN funcionales que contiene, y le da sus características únicas. En los eucariontes como los humanos, la expresión de los genes involucra muchos pasos y su regulación puede ocurrir en cualquiera de ellos. Sin embargo, muchos genes se regulan principalmente en el nivel de la transcripción, de aquí depende el desarrollo de acuerdo a como ocurra la expresión génica puesto que la expresión génica diferencial controla el desarrollo de tejidos especializados y órganos.
2. ¿Por qué es necesario para los científicos estudiar el desarrollo en más de un tipo de organismo?
Es importante estudiar el desarrollo porque permite profundizar en la unidad de la vida y su origen común. Con esta rama se perciben los lazos genéticos que hay en todos los organismos a pesar de ser tan diferentes morfológicamente; por consiguiente, exonera la importancia de conservar distintas formas de vida, incluyendo la humana. En un recorrido general sobre el desarrollo de especie de diversos reinos se consideran los procesos más importantes y básicos de cada organismo para tener un panorama amplio de cómo funciona la vida y los nexos evolutivos qué hay en los organismos.
3. ¿Se podría implicar un gen en el crecimiento tanto de las células madre como de algunos tipos de cáncer? Explique la respuesta. 
Es posible que la relativamente larga vida de las células madre les permita acumular mutaciones que hacen que las células proliferen de un modo incontrolado. Aunque esta línea de investigación es prometedora, debería enfatizarse que la validez de la idea del cáncer como una enfermedad de las células madre tiene que demostrarse aun para la mayoría de las clases de cáncer.
4. VÍNCULO CON LA EVOLUCIÓN. ¿Por qué las sorprendentes similitudes entre los genes que controlan el desarrollo en especies ampliamente diferentes, son una fuerte evidencia de la evolución?
Una de las evidencias moleculares de la evolución, que apoya un origen común para tanta diversidad de especies es la del código genético (ADN); El grado de semejanzas en la secuencia de nucleótidos de la molécula de ADN es un indicador del parentesco evolutivo.
5. VÍNCULO CON LA EVOLUCIÓN. ¿Cuál es el campo común entre los biólogos evolucionistas y los biólogos del desarrollo que han adoptado la perspectiva conocida como Evo Devo? 
el campo común entre los biólogos evolucionistas y los biólogos del desarrollo que han adoptado la perspectiva conocida como Evo Devo es el descubrimiento de genes similares con genes con caja homeotica o genes maestros que especifican el plan corporal de un organismo tanto en plantas como en animales lo que sugiere que estos genes se originaron tempranamente durante la evolución de las eucariotas lo que permite crear modelos de cómo están controlados en las diferentes morfogénesis en todas eucariotas multicelulares explicando el desarrollo de estos a través de sus historia evolutiva y rastrear antecesores comunes entre los diferentes grupos de organismos multicelulares eucariotas sirviendo como una rica fuente de fósiles moleculares que aportan a la historia evolutiva.
6. ANÁLISIS DE DATOS. Las partes de las flores están arregladas en cuatro círculos concéntricos: sépalos, pétalos, estambres y carpelos De acuerdo con el modelo ABC del desarrollo de los órganos florales en Arabidopsis, el gen clase A es necesario para especificar los sépalos, los genes clases A y B para especificar los pétalos, los genes clases B y C para especificar los estambres, y el gen clase C para especificar el carpelo. Si se produce una mutación en uno de los genes clase B, inactivándolo, ¿en qué consistirán las flores resultantes?
La identidad de la flor como estructura parece estar dirigida por un grupo pequeño de genes homeóticos en este caso los Genes B (es decir, genes que determinan la identidad de los órganos y que, al no estar activados, dan paso a estructuras "aberrantes" u "homeóticas", donde o faltan órganos o unos sustituyen a otros) activos durante el desarrollo de los órganos que formarán la flor.
Bibliografía 
· Mader, S. S., Curtis, H., Barnes, S., Solomon, E. P., Berg, R. G., Martin, D. W., & Villee, C. (2007). Biología (Vol. 7, No. 1, p. 10).