Genética de especificación del eje en Drosophila

melanogaster

Leidy Carolina Guevara Camilo Rubiano HenaoNicolás Cotrino Vaquiro

HUNT MORGAN

fue un genetista estadounidense. Estudió la historia natural, zoología, y macromutación en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster

Sus contribuciones científicas más importantes fueron en el campo de la Genética Fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1933 por la demostración de que los cromosomas son portadores de los genes, lo que se conoce como la teoría cromosómica de Sutton y Boveri. Gracias a su trabajo, Drosophila melanogaster se convirtió en uno de los principalesorganismos modelo en Genética.

DROSOPHILA MELANOGASTER

Modelo biológico ya que es:•Fácil de criar•resistente •Prolífica•Tolerante a diversas condiciones •Los cromosomas politenicos de sus larvas son fácil de identificar •Técnica de cría e identificación de mutante es fácil de aprender• los mutantes son propiedad de la comunidad científica

JACK SCHULTZ intento relacionar la genética al desarrollo embrionario de la mosca pero los embriones demostraron ser complejos ya que no son suficientemente grande para observar

La biología molecular permitió manipular e identificar los genes y ARN de insectos que su genética no se interrelacionaba con su desarrollo.

DESARROLLO TEMPRANO

Las membranas celulares que se forman durante la segmentacioestablecen la region de citoplasma incorporada en cada blasomera y los determinantes morfogenicos incorporados a continuacion dirigen la expresion diferencial del gen en cada una de las blastomera

En Drosophila la membrana celular no se forma hasta despues del decimo tercero ciclo de division nuclear todos con un citoplasma comun y el material puede difundirse a traves del embrion.

La especificación de los tipos celulares a lo largo de los ejes anteroposterior y dorsoventral es llevada a cabo por las interacciones de materiales citoplasmático dentro de la única célula multinucleada.

El comienzo de la diferenciacio anteroposterior y dorsoposterior son controlada por la posicion del huevo dentro del ovario

SEGMENTACION

Durante estos estadios el embrion se llama BLASTODERMO SINCITIAL donde todos los nucleos segmentados estan contenidos dentro de un citoplasma comun.

ENERGIDAS: cuando alcanzan el decimo ciclo de division cada uno llega a rodearse de microtubulos y microfilamento, y se llama así a los nucleos y sus islas asociadas

Involucra una delicada interaccion entre los microtubulos y microfilamentos

La primera fase de celularizacion del blastodermo esta caracterizada por la invaginacion de la membrana celular y su red de microfilamento de actina subyacente en los regiones entre los nucleos para formar los canales del surco

TRANSICIÓN A BLÁSTULA MEDIA

GASTRULACION

Comienza en el momento de transcripcion a gastrula media. Los primeros movimientos de gastrulacion segrega: MESODERMO ENDODERMO Y ECTOTERMO presuntivos

Mientras la banda germinal esta extendida se producen procesos morfogenicos como:•Organogenesis•Segmentacion •Segregacion de discos marginales•Se forma el sistema nervioso desde dos regiones de ectodermo ventral

PLAN CORPORAL

Es el mismo en el embrion, larva y adultos , cada uno con cabeza bien diferenciada y cola bien definida, tres de los segmentos forman el torax los otros ocho forman abdomen, en cada segmento hay una propiedad de identidad .

segmento propiedad

1 Solo patas

2 Patas y alas

3 Patas y balancines

PATRÓN DE SEGMENTACIÓN

Los ejes anteroposterior y dorsoventral de drosophila se forman en angulos rectos entre si y son determinados por la posicion del ovocito dentro de las celulas foliculares del ovario

ORIGEN DE LA POLARIDAD ANTEROPOSTERIOR DEL EMBRION

Tiene origen en la polaridad anteroposterior del gameto femenino los genes efectores maternos expresados en el ovario producen RNAm que son colocados en diferentes regiones del gameto, estos codifican proteinas reguladoras de la transcripcion y traduccion que difunden a traves del blastodermo sincitial y activa o reprimen la expresion de genes cigoticos.

•Bicoid y Hunchback

•Nanos y caudal

Los genes regulados por estos son genes GAP que son expresados en dominios extensos y superpuestos, esta entre los primero genes transcriptos del embrion

Las diferentes concentraciones de las proteinas del gen GAP causan la transcripcion de los genes PAIR- RULE que dividen el embrion en unidades periodicas.

•Las proteinas de estos dos activan la transcripcion de los genes de polaridad de segmentos cuyos productos de RNAm y proteinas dividen el embrion en 14 unidades segmentarias estableciendo periocidad del embrion.

•Los productos proteicos del gap y pair-rule y polaridad de segmento interactuan para regular genes selectores homeoticos cuya transcripcion determina el destino de desarrollo de cada segmento.

MODELO MOLECULAR GRADIENTE DE PROTEÍNA

Hallaron genes que codifican caracteres morfogenicos para la parte anterior del embrión y otros responsables de la posterior

•El patron del eje anteroposterior de drosophila se establece antes de que los nuclos comiencen a funcionar. Hay cuatro RNAm criticos para la formacion de este eje

* RNAm de BICOID y HUNCHBACK: formacion cabeza y torax

* RNAm de NANOS y CAUDAL : segmentos abdominales

Las distribuciones son llevadas a cabo en el ovocito por los microtubulos

En los microtubulos la proteina GURKEN indica a las celulas foliculares terminales diferenciacion.

•Celulas foliculares posteriores responden mediante el envio de una señal que activa para proteina cinasa A en la membrana del ovocito

• esto permite que cambie la orientacion de los microtubulos

•En la fecundacion los RNAm son traducidos a proteinas donde bicoid y nanos forman un gradiente en los extremos, uniendose a hunchback y estimulando su transcripcionn se obtienen cuatro gradientes de proteinas en el embrion temprano:

*gradiente anterior- posterior de la prote bicoid

* gradiente anterior- posterior prote hunchback

* gradiente posterior-anterior nanos

* gradiente posterior- anterior caudal

GRADIENTE BICOID

Bicoid es contralado por exuperantia y swallow unen el RNAm a la dineina ATPasa sobre los microtubulos, permitiendo que el RNAm viaje sobre los microtubulos hacia la corteza anterior cuando no estan ubicados se difunde mas lejos y el gradiente es menos pronunciado.

Cuando faltan los mutantes sin estructura anteriores y boca y boca y región torácica mas extensa .

Bicoid decisiva para inicio a la formacion de la cabeza y del torax

Por tanto puede determinar el eje anteroposterior ya que actua de dos formas

1.Como represor para formacion posterior

2. como factor de transcripcion

Se requieren altas concentraciones de bicoid se predijo que los promotores de un gen gap especifico de la cabeza deberian tener sitios de union de baja afinidad para bicoid pudiendo ser activado solo a concentraciones altas de bicoid.

Experimento: agregado de mRNA de bicoid a los embriones y sus resultados.

GRADIENTE NANOS

El RNA de nanos es producido por las células nodrizas que luego es transportado a la región posterior del huevo. RNAm de nanos se une al citoesqueleto en la región posterior del ovocito a través del 3UTR y se asocia con los productos de varios genes.

nanos, oskar, valois, vasa, Staufen y tudor.Si cualquiera de estos genes de efecto materno están ausentes en la madre, no se forma el abdomen en el embrión.

Nanos funciona mediante la inactivación de la traducción del RNAm de hunchback. La combinación de las proteínas Bicoid y Nanos causa un gradiente de hunchback a través del huevo. Bicoid activa la transcripción del gen hunchback en la parte anterior, mientras que nanos inhibe la traducción del RNAm de hunchback en la parte posterior del embrión.

Gradiente de BicoidEl gradiente en la punta anterior del embrión después de la fecundación.

Gradiente de NanosEl gradiente en la punta posterior del embrión después de la fecundación.

Modo de acción de Hucnback y nanos como activadores e inhibidores.

EL GRUPO DEL GEN TERMINAL

Existe un tercer grupo de genes maternos cuyas proteínas generan las extremidades no segmentadas del eje antero-posterior Acron (Cabeza) y el Telson (Cola). Las mutaciones en estos genes terminales dan como resultado la perdida del acron o de los segmentos anteriores de la cabeza así como del telson y de los segmentos abdominales mas posteriores.

El gen critico es Torso un gen que codifica un receptor de tirosina cinasa. Se encuentra distribuido a lo largo de la membrana plasmatica. La activación se da gracias la proteína Tipo Torso activa partes posterior y anterior del embrión. Los limites del acron y del telson tambien son definidos por el gen torso, que es activado en los dos extremos.

Acción de Torso y la proteína de Groucho siendo el inhibidor de transcripción de la parte anterior y posterior.

LOS GENES DE SEGMENTACIÓN

Se separa en dos pasos

-Especificación

-Determinación

La determinación esta dada por los genes de segmentación estos producen los parasegmentos que son 14, incluyen la parte posterior de un segmento anterior y un anterior de una parte posterior. Los parasegementos son la unidad basica de construcción para larvas y adultos.

- Genes gap- Genes pair-rule- Genes de polaridad de segmento

Afectación de una mutación en el gen fushi tarazu (pair-rule)

GENES GAP

Los genes gap codifican factores de transcripción en un embrión en desarrollo, controlando su subdivisión en partes anterior, media y posterior. Cada dominio es el progenitor de segmentos continuos. Entre los genes gap se pueden nombrar a los Krüppel, knirps, hunchback, giant y tailless,

Expresión de los diferentes tipos de genes gap

LOS GENES PAIR-RULE

Los patrones de transcripción de estos genes se basan en que ellos dividen al embrión en áreas que son precursoras del plan segmentario del cuerpo. Es una banda vertical de núcleos expresan el gen pair-rule, la siguiente banda de núcleos no lo expresa y a continuación la siguiente banda lo expresa nuevamente.

Los defectos observados en la mutación del gen fushi taraza. Con una microfotografía electrónica.

Diagrama de una segmentación embrionaria en un tipo salvaje.

Regiones promotoras especificas del gen even-skipped (eve) controla bandas de transcripción embrionaria.

LOS GENES DE POLARIDAD DE SEGMENTO

Codifican proteinas que son constituyentes de las vias de traduccion de la señal de wingless y heygehog.

En primer lugar, refuerzan la periodicidad parasegmentaria establecida por los factores de transcripcion tempranosy a traves de esta señalizacion celula-celula se define los destinos celulares dentro de cada segmento. El desarrollo correcto es que solo una hilera de celulas en cada parasegmentose le permita expresar la proteina Hedgehog y solo una hilera en cada parasegmento se le permita expresar la proteina Wingless. Laclave de este patron es la activacion del gen engrailed en las celulas que van a expresar la proteina Hedgehog.

El gen engrailed es activado en las celulas que tiene altos niveles de los factores de transcripcion Even-skipped, Fushi-Tarazu o Paired. Ademas, este es reprimido en las celulas que reciben altos niveles de las proteinas Odd-Skipped, Runt. Es decir se manifiesta en 14 bandas anteroposteiores del embrión.

La primera hilera de células consiste en puntas grandes y pigmentadas denominadas denticulas. La segunda hilera produce una cutícula epidérmica lisa. Las dos hileras siguientes son el tercero producen pelos pequeños y gruesos y estos son seguidos por varias hileras de células el cuarto destino producen pelos delgados.

Tres tipos de mutación de los genes de segmentación.

Principales genes que afectan el patrón de segmentación en Drosophila.

Patrones de expresión del gen homeotico

las estructuras características de cada segmento son especificas (genes selectores homeoticos)

Región del cromosoma tres tienes dos complejos:

1)Complejo antennapedia: •genes labial y deformed : especifican los segmentos de la cabeza•Sex combs reduced y antennapedia: identidades a los segmentos torácicos•Probosipedia (pb) actúa solo en adultos, pero puede que en algunas casos hay ausencia.

2)Complejo bithorax: codifica las proteínas

Ultrabithorax(ubx) identidad del 3 segmento torácico

abdominal A y B responsables de las identidades abdominales

Mutaciones de la Drosophila

Mutaciones de la mosca llevan a fenotipos estrambóticos

William Bateson denomino a estos organismos mutantes homeoticos

Ejemplo: la mosca normal, contiene 3 segmentos torácicos

1 segmento no produce otro apéndice

2 segmento produce un par de las además de sus patas

3 segmento produce un par de balanceadores llamados halterios.

Genes realizadores

• Genes homeoticos: función mediante la activación de genes realizadores, aquellos genes de interés de proteínas, funciona para formar tejidos específicos y los primordios de la función de los órganos.

• Antennapedia: formación de 2 segmento torácico

La proteína se une y reprime a potenciadores de dos genes:

Humothorax y eyeless, que ellas codifican factores de transcripción que son críticos para la formación de la antena y el ojo

Proteínas del homeodominio

Características•Familia de factores de transcripción caracterizada por un dominio de 60 aminoácidos donde se une a ciertas regiones del DNA (fue descubierto en las proteínas, cuya regulación causaron transformación homeoticas de los segmentos de Drosophila

•Son importantes en la determinación de los ejes anteros posterior de los invertebrados y vertebrados, en las Drosophila es importante para la determinación de neuronas especificas

Cascada de la señal (desde el núcleo del

ovocito hacia las células foliculares)

Intercambio entre células polares

conclusión

• La deficiencia materna de torpedo causa la ventilación del embrión, el gen torpedo es activo en las células foliculares del ovario, no en el embrión

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