Sección 3. Información genética

Cómo "se construye" una mosca: cascadas genéticas en Drosophila

En los últimos veinte años, la mosca de la fruta, D. melanogaster se ha convertido en el organismo modelo para el estudio genético del desarrollo.

El proceso básico del desarrollo embrionario temprano reside en el establecimiento de la expresión de los selectores –los genes maestros– que definen el plan anatómico fundamental de la mosca. Estos selectores son muchos pero el estudio del desarrollo temprano permitió comprender que existen sólo cuatro rutas principales relativamente independientes por las que se establece el plan anatómico de la mosca. En cada una de estas rutas, un pequeño grupo de factores inician una cascada de eventos regulatorios, activando una serie de genes maestros; los productos de estos genes regulan, a su vez, otra serie de genes maestros, cuyos productos actúan sobre otra serie de genes subalternos. En cada paso, se establecen, en el embrión, compartimientos cada vez más pequeños en un patrón más detallado. La cascada culmina con el establecimiento correcto de los patrones de expresión de los selectores clave.

Existen tres rutas de desarrollo a lo largo del eje antero-posterior: dos de ellas interactúan de modo que dan forma a la región central, segmentada, del embrión, mientras que la tercera define los extremos no segmentados, tanto anterior como posterior. La cuarta ruta de desarrollo define las diferencias a lo largo del eje dorso-ventral.

Las dos primeras cascadas de activación de genes mencionadas coordinan la formación de la región central del embrión de Drosophila. Esta región se caracteriza por estar dividida en segmentos. Los segmentos tienen un diseño básico común, pero que presenta variaciones de un segmento a otro. Un conjunto de genes es responsable de generar el patrón reiterativo, es decir segmental, del cuerpo de Drosophila. Este conjunto de genes recibe el nombre de genes de polaridad de segmento. Son los responsables de mantener los límites entre los segmentos y son también necesarios para establecer los patrones estructurales comunes a todos los segmentos. Cuando un gen de polaridad de segmento muta, sobreviene un defecto que se repite en cada segmento. Algunos de los genes de polaridad de segmento, pero no todos, son factores de transcripción. Otro conjunto de genes es responsable de las variaciones que diferencian un segmento del otro. Estos son los selectores homeóticos. Cuando un selector homeótico muta, el resultado fenotípico es que un segmento asume el aspecto de otro.

Antes de ser fertilizado, un gameto femenino de Drosophila, como los de posiblemente todas las especies, contiene abundante material citoplasmático provisto por la madre. Entre estas moléculas se encuentran también una serie de moléculas de mRNA que encierran las primeras instrucciones del desarrollo del embrión. Esta circunstancia implica que los primeros pasos del desarrollo de una mosca no están dirigidos por sus propios genes, sino por los genes de su madre. Genes con este tipo de efecto reciben el nombre de genes de efecto materno.

Los productos proteicos de ciertos genes maternos, denominados morfógenos, se encuentran asimétricamente distribuidos en el citoplasma del huevo. Hacia el extremo que luego será el anterior, existen altas concentraciones de una proteína llamada Bicoid §. Hacia el extremo posterior, hay altas concentraciones de una proteína llamada Nanos. La concentración de ambas proteínas decrece al alejarse de los extremos, formando gradientes de concentración.

La acción de los morfógenos y su traducción en un patrón de expresión génica nos da un ejemplo concreto de cómo la activación localizada de reguladores maestros puede coordinarse en el espacio y, así, dar un todo coherente. Los morfógenos Bicoid y Nanos esencialmente crean un sistema de coordenadas con valores precisos de concentraciones en el eje antero-posterior. Estos valores son leídos por sistemas que expanden y elaboran las diferencias iniciales, pero la polaridad está dada desde el principio por el gradiente de concentraciones, y es ésta la que establece la coordinación de la anatomía del organismo.

Otra observación importante es la organización jerárquica de los procesos del desarrollo. En la cúspide de la jerarquía que analizamos anteriormente se encuentran los dos morfógenos Bicoid y Nanos, le siguen los genes gap, los pair-rule, los selectores homeóticos y los genes de polaridad de segmento. Esta organización jerárquica sigue extendiéndose hacia abajo. No podemos saber hasta dónde se extiende la cascada regulatoria, pero sí sabemos que en el nivel más bajo se encuentra el conjunto de genes estructurales como los que codifican para proteínas como la actina, la queratina y la hemoglobina. Estos genes ejecutan la diferenciación celular, dándole a cada célula y tejido las propiedades físicas, químicas y biológicas que los caracterizan.

Cascada de regulación génica en la embriogénesis del eje antero-posterior de Drosophila .

El plan anatómico de los insectos se caracteriza, en el eje antero-posterior, por estar dividido en segmentos (dependientes de la actividad de los genes de polaridad de segmento). Cada segmento muestra especializaciones propias que dependen de la acción de los selectores homeóticos.

El establecimiento del plan anatómico es el resultado de una cascada de reguladores génicos, organizados jerárquicamente. Al tope de la jerarquía se encuentran los morfógenos depositados por los tejidos de la madre. Los genes que codifican estos morfógenos, y muchos otros genes maternos necesarios para la acción de los primeros, reciben el nombre colectivo de genes de coordenadas maternos. Estos genes son necesarios para la correcta expresión de los genes gap, los cuales se expresan en bloques o dominios contiguos a lo largo del embrión.

A su vez, combinaciones de proteínas codificadas por genes gap y por los genes de coordenadas maternos, promueven la expresión de genes pair-rule en siete bandas discretas. Los genes pair-rule son numerosos y sus productos de expresión se solapan. Combinaciones particulares de proteínas pair-rule promueven la expresión de genes de polaridad de segmento.

Los selectores homeóticos son activados en sus dominios específicos por la acción combinada de los productos de todos los demás genes. Muchos de estos genes, además, regulan a otros dentro de la misma categoría, incluso a sí mismos (autorregulación).

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