Ejercicio 1Sección 3. Genética
AUTOEVALUACIÓN - Capítulo 18. Desarrollo: la ejecución de un programa genético
Cuestionario:
- Defina diferenciación celular. Si usted tuviera que forzar a una célula a diferenciarse en miocito (célula muscular), y pudiera expresar a voluntad un gen en el seno de la célula ¿qué gen eligiría: el gen que codifica actina, el que codifica miosina o myo-D? Justifique.
- Suponga que en un organismo se está estudiando una determinada célula que se divide durante el desarrollo. Las dos células hijas dan lugar, tras muchas divisiones, a estructuras distintas. ¿Qué experimentos realizaría para determinar si el mecanismo que hace diferentes a las dos células hijas es la segregación de factores citoplasmáticos o la comunicación celular?
- ¿Qué diferencia existe entre un regulador maestro común y un selector?
- Suponga, hipotéticamente, que la organización anatómica de su mano está determinada por la acción de un morfógeno. Considere que altas concentraciones del morfógeno determinan que el dedo asuma la identidad “pulgar”, y que concentraciones decrecientes promueven el desarrollo de los demás dígitos. El meñique estaría especificado por la ausencia total de morfógeno. Describa la estructura de la mano que resultaría de incrementar la concentración del morfógeno imaginario. ¿Cómo luciría la mano de una persona mutante carente del gen del morfógeno? Recuerde que el cambio del morfógeno no necesariamente cambia el número de dígitos.
- Suponga que se encuentran tres mutaciones que afectan la vulva de C. elegans. El fenotipo de las mutaciones A y B es la ausencia de vulva y el fenotipo de la mutación C es la presencia de múltiples vulvas. Se descubre que A es una mutación en la señal química liberada por la célula ancla responsable de gatillar el desarrollo de la vulva y que la mutación B afecta el regulador maestro (factor de transcripción) que determina la identidad de la célula tipo 1. La mutación C se produce en el gen que codifica el receptor de la señal liberada por la célula ancla; estos mutantes producen un receptor hiperactivo, que es capaz de activar al regulador maestro en la total ausencia de la señal extracelular. Describa los fenotipos de los dobles mutantes A+C y B+C.
- ¿Qué se entiende por inducción? ¿Qué experimentos la describieron inicialmente?
- Describa el mecanismo que transforma los gradientes de concentración de las proteínas Bicoid y Nanos en los dominios de expresión de los genes gap. ¿Qué fenotipo resulta de la mutación de un gen gap?
- En un embrión de Drosophila que carece de copias funcionales del gen Giant (un gen gap), usted realiza un técnica para detectar la expresión del gen even-skipped. Basándose en la figura 18-12 (ver el libro), prediga cuál será el patrón de expresión de even-skipped. Comparando la banda 2 de este mutante con la de un embrión de tipo salvaje, el patrón ¿estará reducido, expandido anteriormente, expandido hacia el polo posterior, desaparecerá por completo o no mostrará cambios?
Respuestas:
1.Defina diferenciación celular. Si usted tuviera que forzar a una célula a diferenciarse en miocito (célula muscular), y pudiera expresar a voluntad un gen en el seno de la célula ¿qué gen eligiría: el gen que codifica actina, el que codifica miosina o myo-D? Justifique.
La diferenciación celular es el proceso por el cual las células adquieren las características de su tipo celular. Los organismos pluricelulares tienen muchos tipos celulares, como las células musculares, nerviosas, epiteliales. La diferenciación celular es, entonces, el proceso por el cual una célula adquiere características musculares o nerviosas o epiteliales, etc. Este proceso es el resultado de la expresión de ciertos genes y el silenciamiento de otros en determinados linajes celulares.
Para forzar a una célula a diferenciarse en miocito, deberíamos expresar dentro de esa célula el gen que codifica para el regulador maestro myo-D. Myo-D es una proteína capaz de regular los genes que codifican todas las demás proteínas que hacen a la diferenciación en célula muscular. En cambio, si obligáramos a la célula a acumular la proteína miosina, esto no conduciría a la expresión de los demás genes “musculares”; la miosina es una de las proteínas que constituyen el músculo, el gen que la codifica está regulado por myo-D, y no viceversa.
2.Suponga que en un organismo se está estudiando una determinada célula que se divide durante el desarrollo. Las dos células hijas dan lugar, tras muchas divisiones, a estructuras distintas. ¿Qué experimentos realizaría para determinar si el mecanismo que hace diferentes a las dos células hijas es la segregación de factores citoplasmáticos o la comunicación celular?
El experimento ideal consistiría en separar cada una de las células hijas producto de esa división y hacerlas proseguir con el desarrollo de manera separada. De esta forma cada célula proseguirá con el desarrollo sin recibir ningún tipo de señales de otras células. Si el resultado que obtenemos es que cada célula da lugar por separado a las mismas estructuras que forma en el organismo completo, entonces podremos asumir con confianza que la división conllevó la segregación de factores citoplasmáticos, mientras que si no logran hacerlo, lo más probable es que algún tipo de comunicación haya sido necesaria. También es posible que, como resultado, veamos que ambas células dan lugar a la misma estructura, lo cual sugiere que son iguales y que el mecanismo que las hace diferentes es la comunicación celular entre ellas o con otras células.
Otro tipo de experimentos consiste en destruir células individuales (por medio de rayos láser) o pequeños grupos de células y ver qué sucede con la progenie de las dos células en las cuales estamos interesados. Si la destrucción de alguna célula afecta el desarrollo de las células que estamos estudiando, entonces es probable que estén recibiendo señales de las células que destruimos. Si la destrucción de cualquiera de las vecinas no tiene efecto alguno sobre el destino de desarrollo de estas células, entonces es posible admitir que ninguna señal está siendo enviada para hacer a las células diferentes.
3.¿Qué diferencia existe entre un regulador maestro común y un selector?
Un regulador maestro es una proteína capaz de encender o apagar genes subalternos y, a través de esta regulación, determinar el destino de la célula o conjunto de células en las que actúa. Un regulador maestro “común” gobierna los genes que determinan un tipo celular particular (por ejemplo músculo o nervio); su acción es la misma en todas las células donde actúa. Un selector también regula genes, pero en lugar de determinar el destino de un tipo celular, controla el destino de una región completa del cuerpo del organismo en desarrollo. Un típico ejemplo de selector lo constituyen los selectores homeóticos o genes Hox, que controlan, en insectos, la identidad de los distintos segmentos. Los selectores son proteínas que se acumulan en las células donde actúan, formando territorios de células que darán lugar a distintas regiones del cuerpo; estos territorios frecuentemente se llaman “compartimientos”. Dentro de un mismo compartimiento se encuentran distintos tipos celulares, por lo que la acción de los selectores es diferente en células distintas.
4.Suponga, hipotéticamente, que la organización anatómica de su mano está determinada por la acción de un morfógeno. Considere que altas concentraciones del morfógeno determinan que el dedo asuma la identidad “pulgar”, y que concentraciones decrecientes promueven el desarrollo de los demás dígitos. El meñique estaría especificado por la ausencia total de morfógeno. Describa la estructura de la mano que resultaría de incrementar la concentración del morfógeno imaginario. ¿Cómo luciría la mano de una persona mutante carente del gen del morfógeno? Recuerde que el cambio del morfógeno no necesariamente cambia el número de dígitos.
Al aumentar la concentración de este morfógeno imaginario, el dedo índice se desarrollaría de manera similar al pulgar, de modo que la mano final tendría probablemente dos pulgares; el dedo mayor parecería ser un índice, el anular un mayor y el meñique un anular. Concentraciones aun mayores podrían producir tres pulgares y ningún meñique ni anular. Por el contrario, si una persona careciese por completo de este morfógeno imaginario, su mano se desarrollaría de tal forma que tendría cinco dedos meñiques. Es decir, todos los dígitos adquirirían la identidad especificada por la ausencia de morfógeno.
5.Suponga que se encuentran tres mutaciones que afectan la vulva de C. elegans. El fenotipo de las mutaciones A y B es la ausencia de vulva y el fenotipo de la mutación C es la presencia de múltiples vulvas. Se descubre que A es una mutación en la señal química liberada por la célula ancla responsable de gatillar el desarrollo de la vulva y que la mutación B afecta el regulador maestro (factor de transcripción) que determina la identidad de la célula tipo 1. La mutación C se produce en el gen que codifica el receptor de la señal liberada por la célula ancla; estos mutantes producen un receptor hiperactivo, que es capaz de activar al regulador maestro en la total ausencia de la señal extracelular. Describa los fenotipos de los dobles mutantes A+C y B+C.
El fenotipo del doble mutante A+C tendrá múltiples vulvas, es decir, su fenotipo será indistinguible del fenotipo del mutante C (en otras palabras, C es epistático sobre A). Esto se debe a que C contiene un receptor hiperactivo que actúa aun en ausencia de la señal producida por A, por lo que la ausencia o presencia de la proteína codificada por A es indistinta.
El fenotipo del doble mutante B+C será la ausencia de vulva, es decir, su fenotipo será indistinguible del fenotipo del mutante B (B es epistático sobre C). La razón es que el receptor codificado por C ejerce su acción (la inducción de la vulva) activando el regulador maestro codificado por B. Si B está mutado, no existirá la proteína B y, por más que la señal llegue a la célula y el receptor la capte, los genes que construyen la vulva no podrán ser encendidos.
Los eventos suceden en una cadena: primero la célula ancla produce una señal (producida por el gen A), luego ésta es captada por el receptor (producido por el gen C) el cual activa al regulador maestro (codificado por el gen B). Las relaciones epistáticas reflejan esta cadena: B es epistático sobre C el cual es epistático sobre A.
6.¿Qué se entiende por inducción? ¿Qué experimentos la describieron inicialmente?
Inducción es el proceso por el cual una célula o grupo de células ejercen una acción sobre el desarrollo de una o más células vecinas. Las divisiones asimétricas por comunicación celular constituyen un caso muy específico de inducción. Los experimentos iniciales consistieron en el transplante del labio del blastoporo de un embrión de anfibio a otro. El trozo de tejido transplantado era capaz de “inducir” la aparición de otro embrión casi completo que crecía como un hermano siamés del primero (conectados por el intestino). El segundo embrión no derivaba de las células transplantadas (aunque el transplante contribuye modestamente), sino de células del hospedador que fueron obligadas (“inducidas”) a seguir una nueva ruta en el desarrollo. La inducción es un fenómeno de respuesta a señales químicas con efectos biológicos en el desarrollo.
7.Describa el mecanismo que transforma los gradientes de concentración de las proteínas Bicoid y Nanos en los dominios de expresión de los genes gap. ¿Qué fenotipo resulta de la mutación de un gen gap?
Bicoid y Nanos son, en última instancia, controladores directos o indirectos de la actividad de otros genes. Su acción depende de la concentración (es decir, son morfógenos). Ellos actúan en primer lugar sobre los genes Gap. Cada gen Gap es encendido por una determinada concentración de Bicoid o Nanos y es normalmente reprimido por concentraciones más altas o más bajas. Bicoid y Nanos están distribuidos a lo largo del eje antero-posterior del huevo y del embrión temprano de manera tal que tienen un polo de alta concentración y se ven diluidos al alejarse de ese polo. Bicoid está muy concentrado en el polo anterior y Nanos en el posterior; sus concentraciones son indetectables hacia la región media. Los genes Gap que responden a altas concentraciones de Bicoid se encenderán en el extremo anterior y, por el contrario, aquellos que responden a altas concentraciones de Nanos se encenderán sólo en el polo posterior. Existen varios genes Gap con distintas capacidades de respuesta a Bicoid y Nanos. El resultado de la acción de los dos morfógenos es una serie de “bloques” de células que expresan uno u otro gen Gap con escaso solapamiento. Estos bloques se suceden a lo largo del eje entero-posterior del embrión de Drosophila.
Cuando un embrión de Drosophila carece de copias funcionales de un gen Gap, el bloque correspondiente, el que en condiciones normales debería tener encendido ese gen Gap en particular, no acumula esa proteína Gap. Esto conduce a la muerte o desaparición de esas células y el embrión resultante carece entonces de una región definida de su cuerpo en el eje entero-posterior. La región faltante constituye una discontinuidad o, en inglés, un “gap” en el cuerpo de la larva.
8.En un embrión de Drosophila que carece de copias funcionales del gen Giant (un gen gap), usted realiza un técnica para detectar la expresión del gen even-skipped. Basándose en la figura 18-12 (ver el libro), prediga cuál será el patrón de expresión de even-skipped. Comparando la banda 2 de este mutante con la de un embrión de tipo salvaje, el patrón ¿estará reducido, expandido anteriormente, expandido hacia el polo posterior, desaparecerá por completo o no mostrará cambios?
El patrón de even-skipped estará expandido hacia la región anterior. La banda 2 de even-skipped se forma porque Bicoid regula positivamente al gen even-skipped. Giant y Krüppel, por el contrario, son reguladores negativos de even-skipped. Esto quiere decir que aquellas células que expresan el gen
Giant (y por lo tanto acumulan la proteína reguladora Giant) tendrán el gen even-skipped apagado. Si por mutación eliminamos a la proteína Giant, entonces esas células carecerán del regulador negativo y expresarán al gen even-skipped, dado que esas células si contienen el regulador positivo Bicoid (ver figura). Giant define el limite anterior de la banda 2 de even-skipped. Even-skipped no se expresa más anteriormente precisamente por la acción represora de Giant. Por lo tanto, la eliminación de Giant provocará una expansión hacia el extremo anterior de la banda 2 de even-skipped. (Incidentalmente, si construimos un embrión que carezca de Giant y de Bicoid al mismo tiempo, la banda 2 de even-skipped no aparecerá. Lo mismo sucede con un embrión que solo carezca de la proteína Bicoid. En otras palabras, Bicoid es epistático sobre Giant si consideramos a la banda 2 de even-skipped como fenotipo).
