Bases Genéticas del Desarrollo Prof Prof.. María Leticia Leticia Amésquit Amésquitaa C.
Construcción de un organismo a partir de una sola célula = desarrollo Lleva consigo aumento de célula y complejidad
La vida de un ser multicelular comienza a parti partirr de una una célul célulaa
Células adquieren características y funcio funciones nes difere diferent ntes es en la difere diferenci nciaci ación ón por diferente expresión genes
Igual genoma
Encendido selectivo de ciertos genes
Principales procesos del desarrollo A nivel celular
A nivel: celular, organismo y molecular
Procesos que gobiernan desarrollo como : proliferación y diferenciación
pueden generar a cualquier linaje celular del embrión
sólo pueden dar lugar a células de uno de esos tres linajes
Toman decisiones
A partir de
Expresión de gen OCTA-4
células progenitoras de cada tejido
A nivel del organismo
dos procesos fundamentales:
Ejes A: anterior P: posterior Izq; der D: dorsal V: ventral
células van disponiéndose a lo largo la rgo de estos tres ejes de modo asimétrico . Creando segmentos que adquieren identidad concreta
Morfogénesis es el proceso dinámico por el cual el embrión se va reorganizando para dar lugar a estructuras y formas concretas
A nivel molecular a) Expresión de determinados genes en regiones y en momentos concretos concretos
Se logra por factores de transcripción específicos, que a su vez se activan en respuesta al contacto célula-célula, célula-matriz extracelular
b. Linaje celular se establece por posición que ocupa una célula a lo largo de los tres ejes del embrión. gradiente de concentración de moléculas llamadas morfógenos, morfógenos, ind inducen cen la difer iferen enci ciaació ción de las las célu célula lass vecin ecinas as de modo modo dif diferen erente te segú según n conc concen entr trac ació ión n loca locall del del morf morfóg ógen eno o en cada ada punto, dependie diendo de afinidad dad del morfógeno por siti itios de unió nión en el ADN que que act actúan como pote otenci nciado adores de la expre expresió sión n génic génicaa
c. Divisi División ón celula celularr asimé asimétri trica ca.. Algu Alguno noss AR ARNm Nm y/o y/o prot proteí eína nass pued pueden en acum acumul ular arse se en dete determ rmin inad ados os polo poloss de una una célu célula la.. Al dividirse células hijas tienen distinta cc ARN y/o y/o prot proteí eína nas, s, prov provoc ocar aráá dist distin inta tass cara caract cter erís ísti tica cass morfo morfológ lógic icas as y funcio funcional nales. es.
MECANISMO GENERAL DE LOS GENES REGULADORES: CASCADA REGULATORIA Gene Geness del del desa desarrrollo ollo codif odific ican an prot proteí eína nass que que regula gulan n otr otros genes enes,, los los que que a su vez codif odific ican an otr otras prot proteí eína nas, s, que que pued pueden en a su vez vez regu regula larr a otro otross gene geness o func funcio iona narr como como prod produc ucto to fina finall = casc cascad adaa regu regula lattoria oria
A P(a) GENES GEN ES REG REGULA ULADORE DORES: S: Productos
funcionan en el núcleo sobre otro gen. Codifican factores de transcripción
B P(b)
GENE GE NES S
Aquello loss BLAN BL ANCO CO:: Aquel
cuya cuya funció fu nción n depend depende e del product producto o de otr otro o gen.
GENES INTERRUPTORES ó CONMUTADORES: Aquellos que dirigen una
serie de procesos bajo una sola señal
C P( c ) D
Producto de un gen regulatorio Actúan como
1. 2. 3. 4. 5.
Factor de tr transcripci pción Cof Cofacto actorr de tran transc scrripc ipción ión Repr epresor esor de tran transc scrripc ipción ión Acti Activvador ador del del in inte tens nsiific ficador ador Sile Silenc ncia iado dorr del del gen bla blanc nco o
FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN •
Dominios unión al DNA (diferen (diferentes tes clases) Motivo dedo de zinc
Motivo cremallera de leucina
Motivo hélice-giro-hélice
Presente en procariotas y eucariotas
Proteína homeodominio: Es un tipo de FT que contiene homeodomino con elevado grado de conservación de 60 aas, estructura hélice vuelta hélice 180 nucleotidos que codifican a homeod homeodomi ominio nio = homose homosecue cuenci nciaa u homeob homeobox ox
FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN GENES HOX
•
GENE GE NES S PAX
•
GENES NOTCH
•
GENES WNT
•
GENE GE NES S HE HEDG DGEH EHOG OG
•
GENES SMAD
•
GENES HOX Presentes Presentes en animales de simetría bilateral bilateral Contiene homeos homeosecu ecuenc encias ias de 180 180 pb 4 Familias : HOX1 HOX 4 (HOXA-HOXD) C7p,17q,12q y 2 q –
GEN HOX Implicados en: - Segme Segment ntaci ación ón cefa cefalo loca caud udal al (o anteroposterior) -
Desar esarrrollo ollo de apén apénd dices ices(( ext extrremid emidad ades es)) Genitales externos e internos Riñones / células sanguíneas
Proteína HOX: homeodominio: H-a-H 60 aa
Unión al ADN
Conservación Conserva ción evolutiv evolutivaa de los genes homeóticos homeóticos (Ho (Hox) x)
Mutaciones: Ganancia de función alteraciones
anteroposteriores
Sindactilia Sindactilia en individuos individuos mutantes mutantes para para gen Hox 13 por expansión de 7-14 Ala (ganancia (ganancia de función) Heterocigoto Heterocigoto
Homocigoto (mano y pie)
El Síndrome mano-pie-genital por efecto de mutaciones en HOXA13 , caracteriza por hipoplasia del del quinto dedo de manos y pie pies y malf alformac macione ones
GENES PAX •
•
•
•
Compuesto por nueve miembros Son homólogos a los genes paired (pair rule ) de Drosophila
Codifica un dominio dominio Pair Paired ed bo box. x. 128 128 aa se une al ADN Identificados 9 PAX en humanos y ratones
LOCALIZACIÓN CROMOSÓMICA DE LOS GENES PAX HUMANOS
GEN PAX Función en el desarrollo de: de : Órganos de los sentidos Órganos Sistema nerviosos Diferenciación celular: transición de epitelio Diferenciación mesenquimatosas Proteínas PAX pueden actuar: - Ligándose a promot motores - Inte Intera ract ctua uarr con con prot proteí eína nass intr intrac acel elul ular ares es - Fo Forma rmarr comp complej lejo o pro proteí teínic nicos os repr represo esore ress o activ activado adore ress •
•
exones representado en ADNc PAX 3: extiende por + de 30kb. Presenta 8 exones
FUNCIONES FUNCIONES DEL GEN PAX3 Resumen de las funciones del PAX 3
SE EXPRESA EN DESARROLLO TEMPRANO: NEUROEPITELIO DERMOMIOTOMAS CRESTA CRESTA NEURAL N EURAL
Pax Pax 3 EXON EXON 2
Sindrome Sindrome Waardenbur Waardenburgg
MUTTACIONES MU ACIONES DEL DEL GEN PAX GEN PAX 2
LOCI CROMOSOMA 10q24
ANOMALIA EN DESARROLLO
PAX 3 PAX6 PAX 8
2q35 11p13 2q12
Síndrome renal coloboma (alteraciones (alteraciones renales, retina y nervio óptico) S. de Waardenburg tipo 1 Aniridia (a (ausencia de iris) Gd. Tiroides ausente o ectópica
PAX 9
14q12
Oligodoncia
Síndrome WAGR Wills-aniridia-genitalWills-aniridia-genital- Retraso Retraso mental mental
Sordera sindrómica hereditaria, asimetría bilateral, despigmentación
GEN PAX PAX 6 Y SÍNDROME SÍNDROME WAGR Deleciones detectadas detectadas al microscopio, microscopio, fluorescencia fluorescencia
GENE GENES HMG BOX BOX TIPO TIPO SRY SRY ó SOX SOX Constituyen Constituyen familia con mas de 50 miembros Tienen dominio en común: HMG (grupo de movilidad alta) 79 aa Actúa junto con otros FT para modificar la expresión expresión de genes diana • •
•
C17 SOX 9regula gen: Colágeno tipo II en tejido esquelético. Crestas genitales y gónadas iniciales C22 SOX10 S. Waarenbu Waarenburng rng rar raro o C3 SOX2 anoft anoftalmía almía o microftalm microftalmía ía atresia esofágica esofágica e hipoplasia genital Mutación en gen SOX 9 causa de reversión sexual
Otros factores de transcripción Genes POU
Genes Lim
Genes T-Box
Genes Dlx
Deriva de: - Gen Gen PitPit-1 1 exp exp.. hipófisis - Oct Oct .1 Oct Octa -2 - Ho Home meos osec ecue uenc ncia ia y región que codifica 75 aa aa que se unen unen a H-bucle-H Función: estadios iniciales de segmentación
Participan en fase de formación de totalidad del cuerpo Falla Falla Lim da embriones sin cabeza
Tiene región conservada T box actú actúaa FT Participa: inducción de capa mesodérmica mesodérmica y especificación de miembros anteriores y posteriores
Altamente conservado establece patrón corporal, corporal, (esbozos de los miembros), Actúan en pareja, muestran asociación estrecha con Hox. También ambién en morfogénesis de maxilares y oído interno
TGF-β •
•
•
Dímero unido por enlaces S-S Sintetizado como precursor de 390 aa Precursor glucosilado: región NH ter, prorregión, zona de separación y región CooH
112 aa
FAMILIA TGF-β
Factor de crecimiento de fibroblastos EGF pépti éptido do de 53 aa con puen uentes S-S S-S funda undame men ntal par para unió unión n con con su rece recept ptor or Funció Función: n: Divisi División, ón, Migra Migració ción n , Difere Diferenci nciaci ación ón celula celularr
FGFR GEN
LOCI CROMOSOMA 8p11
FGFR 1
FGFR 2
10q25 Mutación Mutación seg. inter inter IgII y IgIII exón exón 7 sustitución sustitución ser x trp( S252w); pro x Arg (P253R)
SÍNDROME Pfeiffer patrón AD y causa dos tipos de mutaciones, la que afecta al gen FGFR1 situado en Apert AD vía paterna paterna Mutaciones de Novo vía paterna Pfeiffer
Mutación Mutación Cis x tir tir (C342Y) (C342Y) Crouzon FGFR 3 4p16 mutación Ala 391Glu Displasias esqueléticas 4p16.3 GlyArg FGFR 3 Mutación en TM
Acondroplasia Hipocondroplasia
ANOMALIA EN DESARROLLO
Acrocefalosindanctilias: anomalías desarrollo cráneo, fusión de algunos dedos y dedo gordo del pie y pulgar anormalmente anchos. Otras alteraciones: hidrocefalia, exoftalmos. exoftalmos. Cierre prematuro prematuro de suturas suturas craneales = cabeza puntiaguda Deformación de cara Sindactilia Sindactilia de manos manos y pies pies Miembros Miembros normales normales Pulgares anómalos
Fusión de vértebras (C2-C3-C5-C6), hidrocefalia, labio hendido Extremidades cortas, cabeza grande.
Mutación Gen FGFR 3
Activ ctivid idad ad cons onstitu tituttiva iva y prema ematu turra de vía vía STAT que produ oduce proteína ína stat 1 la que que acti activva a FT que provocan detención ión prematu turra de divis visión cel celular del condrocito. Resultado crecimiento óseo inapropiado o fallado .por consigu iguiente muerte prematura de RN por porque que caja caja to torrácic ácicaa no se expan xpand de al respi espirrar
Gen erizo sónico o sónico Hedgehog SHH Tres genes Erizo sónico SHH tejidos y órganos Erizo indico desarrollo cartílago - hueso Erizo del desierto célu célula la de sert sertol olii - neur neuron onaa Gen humano 7p36 Producto : prot proteí eína na 462 462 aa auto autoccatál atális isis is Peptido 20 kDa morfógeno Pepti eptido do 25 kD kDA actividad de clivaje y transferasa de colesterol Participa Participa en la transducción de señales •
•
•
VIAS DE SEÑALIZACION VÍA DE SEÑALIZACION DE SONIC HEDGEHOG A. Ante Ante ause ausenc ncia ia de prot proteí eína na hedgehog hedgehog , la proteína proteína Ci esta unida a microtúbulos por proteínas proteínas Cos2, y Fused, lo que permite de PKA y Slimb segmente segmente a Ci este este actúe como represor B. He Hedg dgeh ehog og se une une a pat patched ched,, smoothened smoothened activa activa secuestr secuestraa a PKA y slimb slimb Ci es liberad liberadaa de microtúbul microtúbulos os ingresa ingresa al núcleo y activa transcripción transcripción
Importante : Diferenciación neuronal y de extremidades
VIA DE SEÑALIZACION WNT
Regulación del patrón de las extremidades Desarrollo mesencéfalo Diferenciación de somitos Diferenciación urogenital
VIA DELTA NOTCH INHIBICION INHIBICI ON LATERAL LATERAL Y RECPTOR NOTCH Según su posición la célula crece de forma dominante
La célula emite señales inhibitorias laterales
Célula seleccionada diferencia a un tipo celular diferente a adyacentes
Diferenciación secundaria. glias
LAS EXTREMIDADES COMO MODELO DE DESARROLLO En el desarrollo de extremidades se reconocen 4 fases - Inic Inicia iaci ción ón y Esp Espec ecif ific icac ació ión n - Dif Diferen erenci ciac ació ión n tisul tisular ar y crec crecim imie ient nto o
- INICIACIÓN Y ESPECIFICACIÓN
Mecanismo de formación del eje izquierda derecha por el flujo nodal Kineseinaa KIF3 Kinesein KIF3A A+ dineina
DIFERENCIACION Y CRECIMIENTO
Esbozo o yema de un miembro en el embrión de: 5ta Semana de desarrollo, con las regiones especializadas REA: repliegue ectodérmico apical ZMP: Zona mesenquimatosa mesenquimatosa de progreso progreso ZAP: ZAP: Zona de actividad polarizada 6ta semana: surcos radiales interdigitales
ZONA DE ACTIVIDAD POLARIZANTE Y VIA SHH-PTCH-GLI
Mecanismo Señal de posterioridad a las células del esbozo esbozo La activación de SHH dependen de FGF sintetizado sintetizado por La REA SHH se expresa: expresa: ZAP Notocorda Encéfalo
INTERACCION REA Y ZAP (ZONA DE ACTIVIDAD POLARIZANTE ) Asociación de los inductores de los ejes Proximal distal REA Antero-posteriorZAP mantienen el desarrollo
Inductores
ALTERACIONES DE LA VIA SHH-PTCH-GLI Delecione Delecioness SHH 7q36 7q36
Mutación PTCH 9q22
Mutación SMO 7q31
Mutación GLI 7p13
MUTACIÓN EN GLI 3
b. Polidactilia Polidactilia postaxial postaxial por mutación mutación de GLI3 mantiene mantiene constitutivamen constitutivamente te represión de gen c. Polidactilia preaxial producto producto de sobre expresión expresión de SHH
DESARROLLO DESARROLLO DE LAS EXTREMIDADES : COORDINACION DE LOS TRES EJES 1. Establ Estableci ecimie mient nto o de de la ZAP ZAP por la REA por FGF8 2. Inducc Inducción ión de FGF FGF (REA) (REA) por SHH (ZAP) Bloqueo de BMP que inhibiría a FGF 3. Man Mante tenim nimien iento to de SHH por Wnt7a 4. Bloq Bloque ueo o de SHH SHH de de GLI3 GLI3 hacia su gradiente gradiente represor Wnt Wnt eje dorso ventral ventral La defi defici cien enci ciaa de Wnt Wnt caus causaa transformaciones transformaciones eje dorsal a ventral de regiones de extremidad en ratones
FUENTES SOLARI CARLSON LODISH-ALBERTS Scott Glibert Novo Villaverde(U.Navarra)
PARA REPASAR 1. La totip totipot otencial encialidad idad se demuest demuestra ra cuando: a. Las mutaciones mutaciones en genes homeoticos homeoticos producen el desarrollo de apéndices ubicados en sitios anómalos b. Una célula aislada se transforma en adulto c. Célula embrionaria embrion aria se divide y diferencia d. La sustitución del núcleo de un ovulo de un núcleo no fertilizado por el de la célula intestinal e. Los órganos específicos de un segmento se gmento se desarrolla a lo largo de un eje.
2. La diferenciación diferenciación celular siempre implica. a. La producción producción de prot proteínas eínas especific especificas as del tejido b. El movimient movimiento o de las células células c. La transc transcripció ripción n del del gen gen myo myoD D d. La perdida perdida selectiva selectiva de ciertos ciertos genes del del genoma e. La sensibilidad sensibilidad de la célula a factor factores es ambientales como luz o calor
3. Cual de los siguientes es un factor factor de transcripción: a. El factor factor de crecimient crecimiento o de fibroblast fibroblastos os b. Pax c. El factor factor de crecimient crecimiento o transf transformant ormantee d. Not Notch e. Wnt
4. ¿En qué centro señalizador se produce sonic hedgehog? a. En la la noto notoco cord rdaa b. En los extremos extremos inte intestin stinales ales c. En la plac placaa del suelo suelo del tubo tubo neur neural al d. En la zona zona de la actividad actividad de polarización polarización en el el esbozo de los miembros e. Todas las anter anteriore ioress
5. ¿Cuál es la clase de moléculas cuyos miembros muestran de forma característica disposiciones en dedos de zinc o en hélice lazo hélice? a. Los proon prooncog cogene eness b. Las moléculas moléculas señalizador señalizadoras as c. Los Los rec recep epto tore ress d. Los factor factores es de transcripc transcripción ión e. Ninguna Ninguna de de las ant anterior eriores es
