La Célula

IV° electivo

Unidad 1: Integración célula – organismo.

Temática 1: Diferenciación celular.

Preguntas guiadoras de la unidad:

• ¿Qué significa la definición del plan corporal y la diferenciación celular a nivel molecular?

• ¿Cómo se relacionan los eventos que ocurren en la superficie celular con las respuestas rápidas de las células y con la transcripción génica que ocurre en el núcleo?

• ¿Cómo interaccionan las células con la matriz extracelular y con otras células en la formación de tejidos y órganos?

Objetivo

• Comprender que durante el desarrollo ocurre un amplio proceso de diferenciación celular.

• Relacionar la función de genes con el desarrollo embrionario.

A) Neuronas de la corteza cerebral. B) Células musculares esqueléticas vistas longitudinalmente. C)

Células vegetales de una hoja. Se puede ver la diferencia entre las células parenquimáticas, grandes y

alargadas, y las de la epidermis, en la parte superior, pequeñas e irregulares. D) Distintos tipos

celulares del tracto digestivo. Las células más violetas de la parte superior son epiteliales, las

alargadas pálidas de abajo son músculo liso y las verdosas situadas entre ambas son células del

tejido conectivo.

Diversidad Celular

Relación Genes - Fenotipo

• Ecuación fundamental de la genética:

Fenotipo = Genotipo + Ambiente

Fenotipo: expresión del genotipo en

función de un determinado ambiente.

Los rasgos fenotípicos cuentan con

rasgos tanto físicos como

conductuales. Es importante destacar

que el fenotipo no puede definirse

como la "manifestación visible" del

genotipo, pues a veces las

características que se estudian no son

visibles en el individuo, como es el

caso de la presencia de una enzima.

Relación Genes - Fenotipo

• A veces son mayormente determinantes los genes:

Relación Genes - Fenotipo

• A veces es mayormente determinante el ambiente:

Fenilcetonuria (PKU): Error congénito del metabolismo causado por la carencia de la

enzima “fenilalanina hidroxilasa”, lo que se traduce en la incapacidad de metabolizar el

aminoácido tirosina a partir de fenilalanina en el hígado. Como consecuencia, la fenilalanina

se acumula y resulta tóxica para el sistema nervioso central, ocasionando daño cerebral. Es

una enfermedad congénita con un patrón de herencia recesivo.

ácido fenilacético + cloruro férrico coloración verde

Fenilalanina

Genes maestros Es aquel gen(es) que actúa como factor clave controlando otros genes. Su acción

determina el comportamiento de estos genes y dirige sus funciones.

• Ejemplos:

• Gen Sex-lethal (Sxl) en determinación del sexo en Drosophila melanogaster.

• Gen SRY (Sex-determining Region Y) Determinación sexual en los mamíferos marsupiales placentarios., se encuentra en el brazo corto del cromosoma Y

¡Viva la diferencia! HOMBRES Y MUJERES son tan parecidos, pero a la vez tan diferentes. Las

diferencias físicas entre hombres y mujeres son obvias, pero durante mucho

tiempo, los biólogos tenían sólo vagas ideas acerca de las bases genéticas de

esas diferencias. Hace menos de un siglo que Theophilus Painter descubrió el

cromosoma Y. Varias décadas transcurrieron antes de que se aceptara de manera

general que el cromosoma Y determina la naturaleza masculina de los hombres y

de otros mamíferos. Pero, ¿cómo?

Una hipótesis sería que los genes en el cromosoma Y codifican la información de

los genitales masculinos, de manera que fue posible predecir que cualquiera que

tuviera un cromosoma Y tendría testículos y un pene.

Pero los hombres también tienen todos los otros cromosomas que tienen las

mujeres (aunque los hombres tienen sólo un cromosoma X, en vez de los dos que

tienen las

mujeres). ¿Por qué entonces los niños no desarrollan genitales masculinos y

femeninos?

Más aún, la mayoría de los genes necesarios para producir las características

sexuales masculinas, incluidos los genitales, no están en el cromosoma Y. Las

niñas poseen estos genes, entonces, ¿por qué no desarrollan genitales

masculinos además de los femeninos?

En los varones, la acción de un solo gen localizado en el cromosoma Y activa el

desarrollo masculino y desactiva el desarrollo femenino. Sin este gen todos seriamos

seres físicamente femeninos. ¿Cómo es posible que un sólo gen determine algo tan

complejo como el sexo de un ser humano?

Así como la información en un libro permanece oculta hasta que alguien lo abre y lee

el texto, así también la información en los genes se utiliza o no en diferentes

organismos, en las diversas células de un organismo individual y varias veces

durante la vida de éste.

¡Viva la diferencia! (2) ¿Cómo nos ayuda el conocimiento acerca de la transcripción y la traducción a

comprender las diferencias físicas entre hombres y mujeres? En la década de

1930 los biólogos sabían que uno o más genes en el cromosoma Y eran

esenciales para determinar si un mamífero se desarrollaría

como macho o como hembra. En 1990 la investigación al respecto condujo al

descubrimiento del gen SRY, siglas de "sexdetermining región on the Y

chromosome“ (región determinante del sexo en el cromosoma Y). El gen SRY se

encuentra en todos los machos de los mamíferos, incluidos los seres humanos.

Experimentos con ratones han demostrado su importancia en la determinación

del sexo. Si un embrión de ratón con dos cromosomas X recibe una copia del

SRY pero no el resto del cromosoma Y, el embrión desarrolla características de un

macho: tendrá testículos y un pene y se comportará como un ratón macho. (Sin

embargo, estos ratones macho XX son estériles porque otros genes localizados

en el cromosoma Y son necesarios para la produción de esperma funcional.) Los

embriones de ratón que carecen del gen SRY se desarrollan como hembras, sin

importar si tienen dos cromosomas X, o uno X y uno Y.

La conclusión: los mamíferos macho (XY) tienen todos los genes necesarios

para ser hembras, pero no son tales porque poseen un gen SRY. Asimismo, las

hembras de los mamíferos (XX) tienen todos los genes necesarios para ser

machos, pero como no poseen el gen SRY, se desarrollan como hembras.

¿Cómo logra el gen SRY ejercer tal enorme efecto en las características de un

mamífero?

SRY codifica un factor de transcripción. El gen SRY se transcribe sólo por

un breve lapso durante el desarrollo embrionario, y sólo en las células que se

convertirán en testículos. Después se vuelve activo durante el resto de la vida del

animal.

Sin embargo, en el breve lapso en el que se produce, el factor de transcripción

que el gen SRY se encarga de codificar estimula la expresión de muchos otros

genes, cuyos productos proteicos son esenciales para el desarrollo de los

testículos. Una vez formados, los testículos en el embrión secretan testosterona,

que se une a los receptores de andrógenos y activa otros genes, lo que conduce

al desarrollo del pene y el escroto.

La expresión física del género, por consiguiente, depende de la expresión

cuidadosamente regulada de muchos genes, entre los cuales, uno sólo el SRY,

sirve como el interruptor inicial que activa el desarrollo de un macho.

Piensa en esto… Hemos descrito brevemente dos diferentes formas en las que

una persona con cromosomas sexuales XY pueden desarrollarse como mujeres: el

cromosoma Y podría tener un gen defectuoso SRY, o el cromosoma X podría tener

un gen del receptor de andrógenos defectuoso. Supongamos que una chica de 16

años está acongojada y aterrada porque nunca ha menstruado, y le pregunta a su

médico qué sucede. El médico ordena una prueba de cromosomas y quizá también

un perfil de hormonas; al analizar los resultados, descubre que, de hecho, la

paciente tiene cromosomas X y Y, pero tiene insensibilidad a bs andrógenos, o bien,

carece de un gen SRY funcional. ¿Qué debería decirle el médico?

Desde luego, se le tendrá que decir que no tiene útero, que no menstruará nunca

y que jamás podrá tener hijos. Pero, más allá de eso, ¿qué? Para la mayoría de la

gente, una persona con dos cromosomas X es una mujer, y una con un cromosoma

X y uno Y es un hombre, y eso es todo. ¿El médico debería decirle que es

genéticamente hombre aunque fisiológicamente es mujer?

¿Qué provocaría esto en la imagen y la salud psicológica de la paciente? ¿Qué

harías tú en el lugar del médico?

Audesirk. Biología: La vida en la Tierra (extractos)

Control

1 - ¿Qué es fenotipo?. Explica con tus palabras. Entrega un ejemplo que sirva para fundamentar tu propuesta.

2 - ¿Qué es un gen maestro?, da un ejemplo.

Genes Homeóticos

Son genes que participan en el desarrollo de los

organismos y que determinan la identidad de los

segmentos o partes individuales del embrión en sus

etapas iniciales. La función normal de los genes

homeóticos consiste en conferir a la célula identidad

espacial o posicional inequívoca en diferentes regiones a

lo largo del eje anteroposterior del cuerpo. Estos genes

indican a la célula si forma parte de la cabeza, del tórax o

del abdomen del individuo.

Los genes homeóticos se activan

posteriormente a la expresión de otros

genes implicados en el desarrollo. En

el caso de Drosophila melanogaster,

en primer lugar se expresan los genes

de polaridad del huevo, que

determinan los ejes anteroposterior y

dorsoventral del huevo; después lo

hacen los genes de segmentación,

que determinan el número y la

organización de los segmentos del

cuerpo. Los productos de estos genes

activan a los genes homeóticos que

determinan la identidad de cada

segmento.

Genes Homeóticos

Genes Homeóticos

• Los genes homeóticos definen el plan corporal en el eje antero-posterior (cabeza-cola)

Genes Homeóticos

• ¿Qué tipo de proteínas codifican los genes homeóticos? El producto de los genes homeóticos son proteínas reguladoras de genes. Los genes homeóticos tienen una secuencia muy conservada llamada caja homeótica, que en la proteína da origen a una región llamada homeodominio, cuya función consiste en reconocer y unirse a secuencias de DNA en los genes subordinados. Las proteínas con homeodominios activan o reprimen la expresión de los genes subordinados.

Genes Homeóticos

• Los genes homeóticos inicialmente identificados en la drosófila han sido encontrados posteriormente en vertebrados y en numerosos otros invertebrados. Cuando se comparan los genes homeóticos de la mosca con los del ratón se encuentran grandes homologías de secuencias. Esto hace pensar que durante la evolución los insectos y los vertebrados heredaron genes homeóticos desde un ancestro común. Esto explicaría el patrón de organización ampliamente difundido que se observa en un gran número de especies, donde los órganos y los aparatos principales aparecen distribuidos en tres ejes de polaridad: el eje antero-posterior, el eje dorso-ventral y el eje derecha izquierda. Esta organización es compartida por todos los vertebrados: aves, anfibios, reptiles, y mamíferos. El hecho que estos genes compartan una secuencia llamada caja homeótica (homeobox) sugiere que el mecanismo que determina la cabeza, el tronco y la cola pueden haber surgido una sola vez en la evolución.

Genes Homeóticos

Por lo tanto…

• Durante el desarrollo se establece primero un esquema que define las principales regiones del cuerpo (cabeza, tronco, cola) y luego se produce una diferenciación en las células del embrión, generándose una gran variedad de fenotipos celulares con formas y estructuras especializadas en distintas funciones. La definición del plan corporal y la diferenciación celular ocurre por la expresión de distintos genes como resultado de un complejo programa de desarrollo.

Algunos fenotipos celulares

Algunos fenotipos celulares

¿Cuál será el fundamento molecular

que sustenta estos fenotipos?

¿Cómo se producen si

todas las células poseen el mismo genoma?

Recordando…

La detección de RNA transcritos muestra diferencias en la expresión génica en distintos tipos de células

Núcleos aislados de células hepáticas, células renales y neuronas se incubaron con 32P-UTP y los RNA resultantes de la transcripción se hibridaron contra cDNAs correspondientes a proteínas que se expresan en hígado (albúmina, transferrina, etc.). Se muestra una autorradiografía con los resultados.