Microbiología

Desarrollo embrionario: Primeros pasos

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Escote Patrones Diferenciación Crecimiento El problema La solución Xenopus Drosophila Bicoid Nanos El caracol de barro ¿Que viene despues?

En los animales, por lo general se pueden distinguir 4 etapas del desarrollo embrionario.

• Escote
• Patrones
• Diferenciación
• Crecimiento

Escote

Mitosis y citocinesis del cigoto , una célula inusualmente grande, produce un número creciente de células más pequeñas, cada una con una copia exacta del genoma presente en el cigoto. Sin embargo, los genes del cigoto no se expresan al principio. Las primeras actividades de la división son controladas por el genoma de la madre; es decir, por mRNAs y proteínas depositó en el huevo no fertilizado. En los seres humanos, la conmutación se produce después de que se han producido 4-8 células; en las ranas no hasta que se han producido miles de células. La escisión termina con la formación de una blástula .

Más acerca de la escisión (con ilustraciones)

Patrones

Durante esta fase, las células producidas mediante la escisión se organizan en capas y masas, un proceso llamado gastrulación . El patrón del futuro animal parece:

• delante a atrás (el anterior-posterior del eje)
• parte trasera y laterales del vientre (su dorsal-ventral del eje)
• izquierdo y derecho lados.

Hay poco visible la diferenciación de las células en las diversas capas, pero las sondas para las proteínas de células específicas revelan que diferentes grupos de células ya han comenzado en rutas específicas de desarrollo futuro.
Gastrulación forma tres grandes " capas germinales ": ectodermo , mesodermo y endodermo . Por la gastrulación, los genes del genoma del cigoto se están expresando.

Ver estas etapas a medida que ocurren en los anfibios como Xenopus laevis , el sudafricano rana de uñas.

Diferenciación

Con el tiempo, las células del embrión se diferencian para formar las estructuras y las funciones especializadas que tendrán en el adulto. Forman neuronas, células sanguíneas, células de la piel, células musculares, etc., etc. Estos se organizan en tejidos, los tejidos en los órganos, los órganos en los sistemas.

Crecimiento

Después se forman todos los sistemas, la mayoría de los animales pasan por un período de crecimiento. El crecimiento se produce por la formación de nuevas células y más matriz extracelular .

El problema

El genoma del cigoto contiene todos los genes necesarios para que los cientos de diferentes tipos de células que componen el animal completo. Hay dos categorías principales de estos genes:

• Genes "limpieza" = los que codifican los ARN y proteínas que necesita todo tipo de células. Ejemplos:
  • genes para ARNt, ARNr
  • genes que codifican las enzimas de la glucólisis .
• genes específicos de tejido = esos mRNAs que codifican las proteínas y por lo tanto que son utilizados por uno o unos pocos tipos específicos de células.Ejemplos:
  • genes de hemoglobina expresan en los precursores de las células rojas de la sangre
  • el gen de la insulina expresa en las células beta de los islotes de Langerhans

Sin embargo, cada célula descendiente de el cigoto se ha producido por la mitosis y por lo tanto contiene la completa del genoma del organismo (con muy pocas excepciones).
Dos piezas de evidencia:

• Dolly . Dolly es la oveja que se formó mediante la inserción de un núcleo de una sola célula de un adulto ovejas en un huevo enucleado ovejas. Ella demuestra que la célula del adulto había perdido ninguno de los genes necesarios para construir todos los tejidos de una oveja.

  ¿Cómo se hizo Dolly

• Experimentos de huevo para empatar de Spemann. Muchos años antes, el embriólogo alemán Hans Spemann demostró la misma verdad. Utilizó mechones de pelo del bebé para atar lazos alrededor de los huevos de salamandra fertilizados. Aunque el medio de huevo con el núcleo comenzó escindir normalmente, el otro lado no comenzó hasta que la escisión de un núcleo finalmente se deslizó a través del nudo. En tanto que el huevo estaba atado de modo que las dos mitades contenían algo de la media luna gris , la segunda mitad comenzó hendidura normal y en última instancia produjo una segunda renacuajo (derecha). Incluso después de 5 división mitótica del núcleo del cigoto (la etapa de 32 células), la totalidad del genoma aún estaba disponible en cada núcleo descendiente.

Así cómo vienen las diversas células diferenciadas para expresar el subconjunto apropiado de genes específicos de tejido y no todos los genes del genoma?
Experimentos de huevo para empatar de Spemann proporcionado una pista.
Cuando repitió sus experimentos con el óvulo fecundado constreñida por lo que toda la media luna gris yacía en una mitad, los resultados finales fueron muy diferentes de lo que vimos anteriormente. El medio que carece de la media luna gris, pero que contiene el núcleo comenzó la escisión de inmediato, sin embargo, nunca se desarrolló más allá de una masa desorganizada de intestino, el hígado y otras células abdominales (izquierda).La otra mitad, a pesar de que no consiguió un núcleo hasta la cuarta división mitótica en el lado de escisión, pasó a formar un embrión perfectamente normal. Este fue de nuevo la prueba de que los núcleos, aquí, en la etapa de 16 células, no habían perdido ningún gen. Pero ¿por qué, entonces, realizó un embrión normal deja de desarrollar en el lado con el núcleo del cigoto original?
La distribución de los contenidos citoplásmicos - mitocondrias, ARN, ribosomas, yema de huevo, etc. - en el huevo anfibio no es uniforme. Poco después de la fecundación, algunos de los componentes citoplasmáticos emigran y forman la media luna gris. En el primer experimento de Spemann, cada mitad del huevo contenía todos los componentes del huevo normales debido a la constricción longitudinal era perpendicular a la media luna gris. Sin embargo, en el segundo experimento, el hemisferio que carecen de la media luna gris debe haber faltado algunos materiales citoplasmáticos esenciales. Así que su trabajo proporciona un indicio temprano de que las potencialidades de un núcleo puede lograr son regulados por el medio ambiente frente al citoplasma en el que se encuentra. Ahora vamos a llevar la historia hasta a la fecha.

La solución

1. Un huevo fertilizado es mucho más grande que las células normales del cuerpo de un animal. Algunos (por ejemplo, un huevo de gallina) son realmente enormes. El huevo de rana tiene un volumen de 1,6 millones de veces más grande que una celda de rana típico. La foto (cortesía de LM Beidler) es de una rana embrión de 16 células. Esta masa de células no es más grande que el huevo originales.Los huevos de mamíferos son más pequeñas, pero incluso son más grandes que sus células serán descendientes.
2. El citoplasma del óvulo fecundado es no homogénea . Contiene gradientes de ARNm y proteínas. Estos son los productos de los genes de la madre y se depositaron en el huevo por ella.
3. La escisión de las particiones de huevos fertilizados en miles de células de tamaño normal. Cada uno contiene un núcleo descendido desde el núcleo del cigoto.
4. Pero cada núcleo se encuentra repartió fuera en el citoplasma que contiene una mezcla particular de mRNAs y proteínas.
5. Cuando la blástula rana ha producido algunos 4.000 células, la transcripción y la traducción de sus genes nucleares comienza (y moléculas de ARNm de la madre, que hasta ahora han sido la fuente de toda la síntesis de proteínas, son destruidos - Enlace ).
6. Los genes que se expresan por el núcleo de una célula dada están regulados por las moléculas, en su mayoría proteínas factores de transcripción y microRNAs(miRNAs), que se encuentran en el citoplasma que rodea ese núcleo.
7. Una vez que se puso en marcha un patrón específico de la célula de la expresión génica, esa celda puede liberar moléculas que regulan los genes de las células cercanas.
8. De esta manera, se sientan las bases para la construcción de un organismo con cientos de tipos de células diferenciadas - cada uno en su ubicación correcta y el ejercicio de sus funciones correctas.

Primer ejemplo: Xenopus

• Durante la formación del huevo, las moléculas de mRNA que codifican la proteína Vegt se depositan en el polo vegetal de la célula.
• Las células que se forman allí durante la escisión del ARNm se traducen en el Vegt proteína.
• Vegt es un factor de transcripción que activa genes que producen los miembros del factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) de la familia (por ejemplo,activina ).
• Se necesitan Estas proteínas para que las células comienzan por el camino de convertirse en mesodermo .
• Algunas de esas células, a su vez, convertirse en el organizador de Spemann .
• Más tarde, el organizador de Spemann se secretar moléculas que inducen las células ectodérmicas por encima de ellos para desarrollar en los tejidos del cerebro y la médula espinal.

Una demostración

La foto de la izquierda (cortesía de Douglas Melton, en cuyo laboratorio se realizó el trabajo) muestra el renacuajo que se desarrolló a partir de un embrión de rana que habían sido inyectados con ARNm para activina . En la fase de 32 células de la escisión, una sola célula - que normalmente habría pasado a formar parte de la panza del animal - se le inyectó ARNm activina. Un renacuajo de dos cabezas resultado (flecha). (Un renacuajo normal se muestra a la derecha para la comparación.)
La madre también es responsable de hacer ectodermo . Durante la formación del huevo, deposita los ARNm que codifica ectodermin en el polo animal del huevo. Ectodermin interfiere con la señalización SMAD y por lo tanto evita que las proteínas TGF-β la formación de mesodermo en el polo animal.

Segundo ejemplo: Drosophila

En Drosophila y otros insectos, la escisión implica la mitosis repitió pero sin citocinesis (formando un sincitio ). Así que los núcleos hijos permanecen suspendidas en el compartimiento de huevo sola. Después se han formado varios miles de núcleos, emigran a los márgenes del huevo. Sólo entonces las membranas plasmáticas se forman alrededor de la formación de células verdaderas núcleo. Pero, como de Xenopus, los genes que se expresan por esas células están reguladas por los constituyentes citoplasmáticos que encontraron rodeados por. Y eso, de nuevo como Xenopus, se determina por el lugar donde esas moléculas terminan en el huevo.

Bicoid

Por ejemplo, los huevos de Drosophila tienen un gradiente de ARNm transcrito a partir de un gen designado bicoid ( bcd ). Las transcripciones se depositan en el huevo por las células "enfermera" que lo rodean. Una vez dentro del huevo, son transportados (a lo largo de los microtúbulos ) hacia la parte anterior. El resultado es un gradiente de concentración de mRNA bicoides que se extienden desde un nivel alto en la parte anterior del huevo a un nivel bajo en la posterior.
Después de la fecundación, los ARNm se traducen en proteínas bicoid . Los altos niveles de la proteína conducen a la formación de la cabeza de la larva .

Nanos

Por el contrario, la parte posterior del huevo tiene una alta concentración de mRNA que codifica la proteína nanos, que es necesaria para formar las estructuras de la cola de la larva.

Tres manifestaciones:

1.

Retire parte del citoplasma bicoid-rico de la parte anterior del óvulo fecundado y reemplazarlo con nanos ricos citoplasma de otro huevo. El resultado: una larva (inviable) con una cola en cada extremo.

2.

Inyectar el anterior del óvulo fecundado con nanos ARNm. El resultado: otra larva doble posterior.

3.

Hacer moscas de la fruta hembra que son transgénicos para un gen recombinante que contiene:

• el gen para nanos
• acoplado a la señal anterior-3'dirigir bicoid del gen.

Esto hace que nanos mRNA, en lugar de mRNA bicoid, que se depositará en la parte anterior de sus huevos. El resultado: más larvas de doble posterior (a la izquierda).

Una larva normal se muestra a la derecha. El objeto brillante en el extremo derecho de la larva normal y en ambos extremos de la larva doble posterior es la punta de la cola. Estas micrografías son cortesía de Elizabeth Gavis y Ruth Lehmann, en cuyo laboratorio se realizó la tercera manifestación.

Tercer ejemplo: El caracol de barro

El caracol de barro, Ilyanassa obsoleta , es un pequeño gasterópodo que vive en pisos de barro a lo largo de la costa atlántica.
Al igual que otros protostomes , escisión del cigoto produce células hijas que ya se han comprometido a su suerte. En otras palabras, incluso ya en la etapa de dos células, las células ya no son totipotentes . A diferencia de los seres humanos y otros deuterostomes , a continuación, los gemelos idénticos no pueden formar.
En la edición de 12 de diciembre 2002 Naturaleza , J. David Lambert y Lisa Nagy informaron otro mecanismo por el cual dos células hijas se comprometan a diferentes destinos a pesar de haber heredado el mismo genoma.
Se trazaron la distribución en las células de embriones tempranos de los ARN mensajeros (ARNm) que codifica 3 proteínas que se sabe que son importantes en el desarrollo de otros animales tales como Xenopus y Drosophila.

• IoEve , que es lo lyanassa o la versión de bsoleta de even-omitido ( víspera ) en Drosophila;
• IoDpp , que es la versión del caracol de
  • decapentaplegic ( DPP ) en Drosophila y los genes que codifican
  • b uno m orphogenic p roteins ( BMP2 y BMP4 ) en los vertebrados
• IoTld , que codifica la versión del caracol de una proteína llamada tolloid en Drosophila.

Uno de los primeros eventos cuando una célula animal se prepara para dividirse por mitosis es la duplicación de su centrosoma y la separación de los duplicados. [ Enlace a la discusión. ]
Lambert y encontraron que Nagy

• en la interfase de los ARN mensajeros fueron distribuidos difusamente por todo el citosol, pero
• como la célula se preparó para la escisión, los mRNAs recogen en un único del par de ahora centrosomas.Fueron recogidos en ellos, viajando a lo largo de los microtúbulos que irradian desde el centrosoma.
• Como la escisión continuó, los ARNm se trasladó desde el centrosoma a un punto en la superficie interna de la membrana plasmática. Ellos llegaron allí, viajando a lo largo de actina filamentos.
• En la citocinesis , este parche de mRNAs acumulado fue incorporada exclusivamente en la célula hija menor.

Clasificación Centrosoma (de las proteínas en este caso) también desempeña un papel en la determinación de si las células embrionarias de Caenorhabditis elegans permanecen en la línea germinal o se convierten en los somáticascélulas del gusano. [ Enlace a la discusión. ]

¿Que viene despues?

Desarrollo en Xenopus y Drosophila pasa por tres (aunque a menudo se superponen) fases bien diferenciadas:

• el establecimiento de los ejes principales (anterior-posterior, dorsal-ventral; izquierda-derecha). Esto se realiza mediante gradientes de ARNm y las proteínas codificadas por los genes de la madre y se coloca en el huevo por ella. Se ha discutido aquí.
• el establecimiento de las principales partes del cuerpo tales como el sistema nervioso notocorda y central en vertebrados.

La organización del Embrión: El Sistema Nervioso Central

En el desarrollo embrionario de un cigoto, gradientes de ARNm y proteínas, depositados en el óvulo de la madre como ella formó, dar lugar a células de diversos destinos a pesar de sus genomas idénticos.

Para un análisis de la evidencia que lleva a esta importante conclusión, examinar Desarrollo embrionario: Introducción .

Pero está el embrión totalmente modelada en el huevo fertilizado? Es difícil imaginar que los relativamente simples gradientes en el huevo podría ser responsable de todo el complejo de la migración y diferenciación de las células durante el desarrollo embrionario. Y, de hecho, la respuesta es no. Sin embargo, una vez que estos gradientes han enviado ciertas células a lo largo de un camino particular de la expresión génica, el escenario está listo para esas células para comenzar a influir en las células cercanas a convertirse cada vez más diversificada.
En otras palabras,

• señales de células intrínseca (establecen entre un núcleo y el medio ambiente frente al citoplasma de particular que la escisión ha colocado en) sentar las bases para
• interacciones célula-célula para guiar aún más las células del embrión a asumir su posición correcta en el embrión y de diferenciarse en su forma especializada final y función.Interacciones célula-célula podrían - y probablemente no - ocurrir de varias maneras:
  
  • la difusión de una molécula de señalización fuera de una célula y en otras células en la zona;
  • difusión de una molécula de señalización de una célula en una célula adyacente que segrega a continuación, la misma molécula se difunda a la siguiente celda y así sucesivamente (un mecanismo de "célula-relay");
  • extensión de las proyecciones de la membrana plasmática de una célula hasta que hagan contacto directo con las células cercanas. Esto permite que las proteínas embebidas en la membrana plasmática para servir como moléculas de señalización.

El Spemann organizador

En 1924, el Ph.D. estudiante Hilde Mangold trabaja en el laboratorio de embriólogo alemán Hans Spemann realizó un experimento que

• demostró que el patrón de desarrollo de las células está influida por las actividades de otras células y
• estimulado una búsqueda, que continúa hasta nuestros días, para las señales en el trabajo.

Spemann y Mangold sabían que las células que se desarrollan en la región de la media luna gris migran en el embrión durante la gastrulación y forman la notocorda (la columna vertebral futuro; hecha demesodermo ).Cortó un trozo de tejido de la región media luna gris de una gástrula tritón y se trasplanta en la parte ventral de un segundo gástrula tritón. Para que sea más fácil seguir la suerte del trasplante, ella usó el embrión de una variedad de tritón como donante y una segunda variedad como el destinatario.
Los resultados notables:

• el tejido trasplantado desarrollado en un segundo notocorda
• pliegues neurales desarrollados por encima de la notocorda adicional
• éstos pasaron a formar un segundo sistema nervioso central (porciones del cerebro y la médula espinal) y, finalmente,
• un renacuajo de dos cabezas.

Pero el hallazgo más notable de todo fue que los pliegues neurales se construyeron a partir de células receptoras, y no las células del donante . En otras palabras, el trasplante se había alterado el destino de las células que recubren (que normalmente habría acabado formando piel [epidermis] en el lado del animal) para que produjeran una segunda cabeza en su lugar!
Spemann y Mangold utilizaron el término inducción de la capacidad de un grupo de células para influir en el destino de otro. Y debido a la potencia inductiva notable de las celdas de media luna gris, llamaron a esta región del organizador .

Enlace a otra demostración de la inducción realizada por Spemann.

Desde entonces, se han realizado búsquedas enérgicas para identificar las moléculas liberadas por el organizador que inducen que recubre las células para convertirse en el tejido nervioso. Uno de los candidatos tras otro ha sido presentado y luego encontró a no ser responsable. Parte del problema ha sido que no hasta hace poco ha que quedado claro que el organizador

• no NO inducir el sistema nervioso central, pero, en cambio,
• que evita que las señales procedentes de la parte ventral de la blástula de la piel (epidermis induciendo) allí.

Así es como funciona:

• Las células en la ventral lateral de la blástula secretan una variedad de proteínas tales como b uno m orphogenetic p rotein-4 ( BMP-4)
• Estos inducen el ectodermo de arriba para convertirse epidermis .
• Si su acción se bloquea, las células ectodérmicas se les permite seguir su ruta por defecto , que es convertirse en el tejido nervioso del cerebro y la médula espinal.
• Los Spemann bloques organizador la acción de BMP-4 por secretar moléculas de las proteínas
  • chordin y
  • vaso
• Ambos se unen físicamente a BMP-4 moléculas en el espacio extracelular y evitar así BMP-4 de la unión a receptores en la superficie de las células del ectodermo suprayacente.
• Esto permite que las células ectodérmicas a seguir su camino intrínseco a la formación de pliegues neurales y, eventualmente, el cerebro y la médula espinal.

En el experimento de Spemann / Mangold, el trasplante de un organizador hacia el lado ventral proporcionó una segunda fuente de chordin.Este bloqueado BMP-4 unión al ectodermo suprayacente y por lo tanto cambia el destino de las células a la formación de un segundo sistema nervioso central en lugar de la piel.

Lo organiza el organizador?

La síntesis de proteínas por las células del organizador requiere la transcripción de los genes pertinentes (por ejemplo, chordin ). La expresión de los genes del organizador depende en primer lugar los factores de transcripción de Wnt . Sus ARN mensajeros fueron depositados por la madre en el polo vegetal del huevo . Después de la fecundación y la formación de la media luna gris , que

• emigrado a la región media luna gris (destinado a convertirse en el organizador) donde estaban
• traducido en proteína Wnt.

Su acumulación en la cara dorsal del embrión da rienda suelta a la actividad de Nodal - miembro del factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) de la familia. Nodal induce estas células dorsales para comenzar expresando las proteínas de organizador de Spemann.

Un organizador de la cola

Una de las características distintivas de los vertebrados es su cola, que se extiende hacia fuera detrás del ano.
Investigadores franceses han informado (en la edición de 24 de julio 2003 Naturaleza ) su descubrimiento de una cola "organizador", es decir, un grupo de células en el embrión que induce a las células cercanas para contribuir a la formación de la cola.
Ellos trabajaron con el pez cebra , Danio rerio (que también tiene un organizador de cabeza como la de tritones).
Se quitaron pequeños grupos de células desde la parte ventral de la blástula (una región más o menos enfrente de donde la Spemann-como formas organizador) y trasplantado esto en una región del embrión de acogida que normalmente formaría flanco.
El resultado: una segunda cola.
El uso de un marcador fluorescente, fueron capaces de demostrar que la cola adicional se hizo no sólo de descendientes de las células trasplantadas, sino también a partir de células anfitrionas que normalmente habrían hecho flanco.
Tres proteínas son esenciales:

• una proteína Wnt (establece el eje antero-posterior en todos los bilaterales )
• BMP (establece el eje dorsal-ventral en todos los bilaterales)
• Nodal (establece el eje izquierda-derecha en todos los bilaterales)

Patrón del sistema nervioso central en Drosophila

Sorprendentemente, resulta que las proteínas similares en estructura a las proteínas morfogenéticas del hueso y también para chordin se encuentran en Drosophila .

• El papel de la BMP-4 es tomado por una proteína relacionada codificada por el decapentaplegic gen ( DPP ).
• El papel de chordin es tomada por una proteína relacionada llamada SOG codificada por el gen llamado corto gastrulación .

De hecho, estas proteínas y sus mRNAs son completamente intercambiables !

• una inyección de los mRNAs para BMP-4 o Chordin en el blastodermo de la Drosophila embrión puede reemplazar la función de DPP y SOG respectivamente, y
• Por el contrario, las inyecciones de ARNm para DPP o SOG en los Xenopus embrión imita las funciones de BMP-4 y chordin respectivamente.

Una selección de pares antagónicos de proteínas que guían el patrón del embrión.

Xenopus	B uno M orphogenetic P rotein-4 ( BMP-4 )	bloqueada por chordin
		y también por bocha
Drosophila	Decapentaplegic ( DPP )	bloqueada por corto gastrulación ( SOG )
		y también por un homólogo noggin?

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Dorsal vs cordones nerviosos ventrales

Aunque sus acciones son similares, la distribución de estas proteínas en Drosophila difiere de la de Xenopus (así como en los mamíferos y otros vertebrados).
En Drosophila,

• DPP se produce en el dorsal región del embrión y
• SOG se produce en la ventral región.

Sin embargo, sus acciones sobre las células que recubren son los mismos que en Xenopus; es decir, la proteína SOG impide que la proteína DPP de bloqueo de la formación del sistema nervioso central.El resultado en Drosophila es que sus formas del sistema nervioso central en la ventral lateral del embrión, no en la dorsal! Y, usted puede recordar que uno de los rasgos distintivos de todos los artrópodos(insectos, crustáceos, arácnidos), así como muchos otros invertebrados, como los gusanos anélidos , es un cordón nervioso ventral . cordados , incluyendo todos los vertebrados, tienen un dorsal ( la médula espinal del nervio).

La organización del Embrión: Segmentación

Los insectos , al igual que todos los artrópodos , son segmentado. El cuerpo de Drosophila melanogaster se construye a partir de 14 segmentos:

• 3 segmentos forman la cabeza con sus partes antenas y la boca.
• 3 segmentos forman el tórax . Cada segmento torácico tiene un par de patas (insectos son las criaturas de seis patas). En Drosophila (y otras moscas), el segmento torácico medio lleva un solo par de alas; el segmento posterior de un par de halteres .
• 8 segmentos abdominales .

Lo que indica la formación segmento guía?
El proceso comienza con los gradientes de ARN mensajero (ARNm) que la madre deposita en su huevo antes de que se fertilizó.

Para los detalles, consulte el Desarrollo embrionario: Primeros pasos

Poco después de la fecundación, estos se traducen en sus proteínas con

• un gradiente de bicoid disminución de anterior a posterior y
• un gradiente de nanos decrecientes de posterior a anterior.

• Bicoid proteína es un factor de transcripción . Se une al promotor de un gen llamado jorobado ( hb ), convirtiéndolo en ON (flecha roja).

  Enlace a una discusión general de los promotores eucariotas y los factores de transcripción que se unen a ellos.

• Nanos proteína se une a Jorobado ARNm, inhibiendo su traducción (barra azul).
• Estos efectos se combinan para producir un alto nivel de proteína de joroba en la parte anterior del embrión; con un corte brusco hacia el posterior.
• La proteína jorobado es también un factor de transcripción (como veremos).
• Estos gradientes de concentración regulan el encendido y apagado de otros genes en regiones de gran nitidez del embrión.
• Estos establecen los distintos segmentos del cuerpo.

Un ejemplo: la raya vísperas 2

El gen aun-omitido ( víspera ) se expresa en 7 bandas o rayas que corresponde a 7 ​​de 14 segmentos de Drosophila (saltarse los números pares queridos). La foto (cortesía de Peter A. Lawrence y Blackwell Scientific Publications) muestra los 7 rayas de vísperas de activación.

Al principio, el gen se expresa en zonas bastante amplios, pero con el tiempo su expresión se restringe a rayas cada vez más estrechas. El mecanismo por el cual esto ocurre es conocida para la segunda franja.
La víspera promotor ha emplazamientos para las proteínas codificadas por la unión bicoid ( BCD ) jorobado ( hb ) gigante ( gt ) Krüppel ( Kr )

• La unión de bicoid y jorobadas proteínas estimula la transcripción de la víspera .
• La unión de gigante y Krüppel reprime la transcripción.

Atrapado en un valle entre altos niveles de proteínas y el gigante Krüppel, la expresión de la víspera en el segundo raya finalmente se convierte limitada a una banda de las células sólo una célula de espesor. (Un conjunto diferente de los sitios de promotor se utiliza en la tercera franja vísperas de modo expresión no es reprimida allí.) En principio, entonces, un sistema de interactuar gradientes de factores de transcripción tales podría actuar como interruptores de encendido y apagado, que en la partición vez que el embrión en sus segmentos futuras. Desarrollo embrionario: El poner en los toques finales Insectos ( Drosophila ) y la rana ( Xenopus ) pasa el desarrollo a través de tres en lugar diferente (aunque a menudo se superponen) fases: el establecimiento de los ejes principales (dorsal-ventral; anterior-posterior, de izquierda a derecha). Esto se realiza mediante gradientes de ARNm y las proteínas codificadas por los genes de la madre y se coloca en el huevo por ella. Ver el Desarrollo embrionario: Primeros pasos el establecimiento de las principales partes del cuerpo como la notocorda y del sistema nervioso central en vertebrados ver Organización del Embrión: El Sistema Nervioso Central y los segmentos en Drosophila ver Organización del Embrión: Segmentación Estos están a cargo de los genes de la propia cigoto. Ahora echemos un vistazo en busca de pistas sobre cómo se realiza el trabajo final del embrión. Examinaremos cuatro ejemplos: la formación de las alas (en Drosophila) la formación de las piernas (también en Drosophila) la formación de los huesos ( radio y cúbito ) de la extremidad delantera en mamíferos (ratones) la formación de los ojos (probablemente en todos los animales!) Alas El plan corporal de insectos consiste en cabeza , tórax y abdomen . El tórax se construye a partir de tres segmentos , T1 , T2 , y T3 . Cada uno lleva un par de patas; por lo tanto, los insectos son criaturas de seis patas. En la mayoría de los órdenes de insectos, T2 y T3 llevan cada uno un par de alas (la abeja melífera es un ejemplo). Sin embargo, las moscas pertenecen al orden de insectos dípteros ; que tienen sólo un único par de alas (en T2). El tercer segmento torácico, T3, lleva en su lugar un par de equilibrio de órganos llamados halteres . En Drosophila, un gen llamado Ultrabithorax ( Ubx ) actúa dentro de las células de T3 para suprimir la formación de alas. Mediante la creación de una doble mutación en el Ultrabithorax gen (en sus intrones, como se vio después), el profesor EB Lewis de Caltech fue capaz de producir moscas en el que los halterios habían sido reemplazados por un segundo par de alas . Ultrabithorax ( Ubx ) es un ejemplo de un " gen selector ". Selector genes son los genes que regulan (Encender o apagar) la expresión de otros genes. Por lo tanto los genes selectores actúan como " interruptores maestros "en el desarrollo. Alas y todas sus estructuras asociadas son complicadas piezas de maquinaria. Sin embargo, las mutaciones en un solo gen , fueron capaces de causar la reprogramación de la construcción de T3 (y priva a las moscas de su capacidad de volar). Selector de genes codifican factores de transcripción . Ultrabithorax codifica un factor de transcripción que normalmente se expresa en altos niveles en T3 (así como en el primer segmento abdominal) de Drosophila. Estas fotografías fueron tomadas por y amablemente proporcionados por el profesor Lewis. Ha desarrollado toda su carrera estudiando genes selectores en Drosophila . El trabajo de su vida fue honrado cuando compartió el Premio Nobel 1995 de Fisiología y Medicina. Piernas Otro gen selector, llamado Antennapedia ( Antp ), es normalmente convertido en "on" (expresado) en el tórax y convertido en "off" (reprimida) en las células de la cabeza. [ Mecanismo ] Sin embargo, las mutaciones en Antp pueden causar que se encienda en la cabeza y forman un par de patas, donde las antenas normalmente sería.Si tenemos en cuenta los muchos genes que deben estar involucrados en la construcción de una estructura compleja como una pierna de insectos (o ala), es notable que un solo gen puede cambiar a todos en.También está claro que una vez que un gen selector gira "sobre" en ciertas células del embrión, sigue siendo "on" en todas las células derivadas de esas células. Esas células se vuelven irrevocablemente comprometido con llevar a cabo el programa genético que conduce a la formación de una pierna o ala. La mayoría de los genes selectores, incluyendo Antp y Ubx , son homeobox genes Antp , Ubx , y un número de otros genes selectores se han clonado y secuenciado. Todos ellos contienen dentro de sus regiones de codificación de una secuencia de unos 180 nucleótidos llamados unhomeobox . Los aproximadamente 60 aminoácidos codificados por el homeobox se llaman un homeodominio . Se interviene en el ADN vinculante de estas proteínas. Muchas proteínas que contienen homeodomains han demostrado ser factores de transcripción; Probablemente todos lo son. La tabla muestra la secuencia de 60 aminoácidos en el homeodominio de la proteína codificada por el gen homeobox Drosophila Antennapedia ( Antp ) en comparación con el homeodominio codificada por el gen de ratón HoxB7 ; por bicoid ( BCD ), otro gen homeobox en Drosophila; por goosecoid , un gen homeobox en Xenopus ; y por mab-5 , un gen homeobox en el gusano redondo Caenorhabditis elegans. Un guión indica que el aminoácido en esa posición es idéntica a la de la Antennapedia dominio homeobox. [Enlace al código de una sola letra para los aminoácidos .] Tenga en cuenta que la homeobox ratón en HoxB7 difiere de la Antp homeobox por sólo dos aminoácidos (a pesar de que han pasado unos 700 millones de años ya que estos animales comparten un ancestro común). HoxB6 , utilizados en el experimento descrito en la siguiente sección, se diferencia de Antp en sólo 4 aminoácidos. El Hox Cluster Antp y Ubx son dos de 8 genes homeobox que están vinculados en un clúster en un cromosoma de Drosophila. Todos ellos: codifican factores de transcripción cada uno con un homeodominio de unión a DNA actuar en zonas secuenciales del embrión en el mismo orden en que se producen en el cromosoma! El cluster entero se designa HOM-C con laboratorio , Pb , DFD , SCR , y Antp perteneciente a la ANT-C complejo y Ubx , Abd-A , y Abd-B designan el BX-C complejo. Todos los animales que han sido examinados tienen al menos un Hox cluster. Sus genes muestran una fuerte homología con los genes de Drosophila. Los ratones y los seres humanos tienen 4 Hox grupos (un total de 39 genes en los seres humanos), ubicado en cuatro cromosomas diferentes. En los ratones: HoxA , HoxB (en la imagen), HoxC , HoxD En los seres humanos: HOXA , Hoxb , Hoxc , HOXD Al igual que en Drosophila, que actúan a lo largo del embrión en desarrollo en la misma secuencia que ocupan en el cromosoma.Todos los genes en los mamíferos Hox agrupaciones muestran cierta homología de secuencia entre sí (especialmente en su homeobox) pero muy fuerte homología de secuencia con los genes equivalentes en Drosophila. HoxB7 difiere de Antp en sólo dos aminoácidos, HoxB6 a las cuatro. De hecho, cuando el ratón HoxB6 se inserta génica en Drosophila, que puede sustituir a Antennapedia y producir las piernas en lugar de antenas así como mutantes antp genes hacen.Este resultado indica claramente que fascinante estos genes selectores han conservado, a través de millones de años de evolución, su función de asignar posiciones particulares en el embrión, pero las estructuras construidas en realidad dependen de un conjunto diferente de genes específicos de una especie en particular. El esqueleto de los mamíferos La pata delantera del ratón y el brazo de los seres humanos contienen un solo hueso superior, el húmero, y dos huesos inferiores, el radio y el cúbito. La construcción de todo el brazo, incluyendo huesos del carpo y las falanges de los dedos, es controlado por Hox genes de racimo. Cuando los ratones fueron criados con mutaciones homocigóticas para ambos HOXA11 y HoxD11 , que nacieron ni radio ni el cúbito en las extremidades anteriores. Aquí, entonces, es otro ejemplo del poder de los genes selectores para iniciar todo un programa, tal vez la participación de cientos de otros genes, para formar una estructura tan compleja como un miembro anterior. Los ratones que son homocigotos para mutante HoxA10 , C10 y D10 genes no logran formar una región lumbar y sacro en su columna vertebral ("backbone"). En lugar de estas vértebras se desarrollan costillas como las vértebras torácicas por encima de ellos. Sin embargo, si alguno de estos 6 Hox alelos es normal, los ratones son mucho menos severamente afectados. Esto muestra el alto grado de redundancia de estos Hox genes. Ojos El ojo compuesto de Drosophila [ enlace a la discusión ilustrada ] es una maravilla de elementos estructurales precisamente organizados. Nadie sabe cuántos genes que se necesita para hacer que el ojo, pero debe haber un gran número. Sin embargo, un solo gen de selección , sin ojos ( ey ) (nombre, como suele ser el caso, por su fenotipo mutante) puede servir como un interruptor maestro de encender toda la cascada de genes necesarios para construir el ojo. A través de la manipulación genética, es posible recibir el gen sin ojos que se expresa en los tejidos donde se expresa normalmente no. Cuando eyeless está activada en células destinadas a formar antenas del insecto, forman los ojos en las antenas alas, forman ojos adicionales en las alas piernas, se forman en las piernas ojos. Los ratones tienen un gen, ojos pequeños ( Sey ; también conocidos como Pax6 ) que es similar en secuencia a la Drosophila eyeless gen. Como su nombre lo indica, también está implicado en la formación de los ojos (a pesar de que la estructura del ojo del ratón es completamente diferente desde el ojo compuesto de Drosophila). Sin embargo, las secuencias del ratón ojos pequeños gen y las de Drosophila sin ojos genes son tan similares que el gen del ratón puede sustituir sin ojos cuando se introduce en Drosophila. Así, al igual que los genes de los Hox agrupaciones, Drosophila sin ojos y ratón ojos pequeños han conservado, a través de millones de años de evolución independiente, su función de asignar posiciones particulares en el embrión en ciertas estructuras deben construirse, pero las estructuras construidas en realidad dependen de un conjunto diferente de genes específicos de una especie en particular. Los seres humanos también tienen un gen que es homólogo a los ojos pequeños y sin ojos : se llama aniridia . Aquellos humanos raros que heredan una sola versión mutante de aniridia carecen de iris en los ojos.