BASE MOLECULAR DE LA ORGANIZACIN DEL PLAN DEL CUERPO DE LOS VERTEBRADOS.

En la actualidad, es importante la integracin de los aspectos moleculares y morfolgicos fundamentales de la organizacin y desarrollo del embrin, feto, recin nacido y adulto.

As, se ha determinado que existen familias importantes de molculas que dirigen el desarrollo embrionario. Los hallazgos importantes al respecto son:

La conservacin de genes que guan el desarrollo.

Los genes reguladores no tienen muchas diferencias entre las diferentes especies (gusano, Drosphila, hombre), por lo que ha sido posible identificar en los Mamferos zonas homlogas.

Un gen puede tener diferentes funciones en distintas fases del desarrollo.

Los genes especficos pueden expresarse en procesos normales y anormales.

Actualmente se investiga la formacin de genes mutantes en el cncer. Ej. Los protooncgenes que convierten las clulas normales en tumorales.

Su desarrollo est controlado genticamente de acuerdo a etapas del desarrollo.

Es importante sealar que, el marco fundamental para entender la base molecular del desarrollo embrionario humano, todava se base en gran medida en los estudios de la gentica del desarrollo de la Drosophila, este se encuentra bajo un estrecho control gentico.

En la Fig. 1 puede observarse la secuencia del control gentico desde los primeros estados de desarrollo embrionario de la Drosophila hasta su adultez, actuando secuencialmente los siguientes genes:

1. Genes efectores maternos: Realizan un estrecho control gnico en las primeras etapas de formacin de los ejes dorsoventral y antero posterior del cigote. Son 7 sus genes representativos y si hay mutacin pueden producir grandes alteraciones en la organizacin antero posterior

2. Genes comunicantes: Llamados tambin de segmentacin genes Gap, actan subdividiendo al embrin en 3 amplios dominios regionales, primeras segmentaciones. Tiene 5 genes representativos, por mutacin pueden producir prdida de segmentos adyacentes en una gran zona del cuerpo.3. Genes pares: (pair-rule-genes) segmentan al embrin en 7 pares de bandas a lo largo del eje craneocaudal del embrin. Posee 7 genes representativos, por mutacin se produce prdida parcial de un patrn de segmentos intercalados.4. Genes de polaridad de segmentos: Formados por 5 genes representativos, si hay mutacin, los segmentos son reemplazados por su imagen en espejo.5. Genes hometicos: Son los nicos que imparten caractersticas a los segmentos recin formados y determinan el carcter morfogentico de los segmentos corporales (antennapedia y bitorx) como ser cuerpo, antenas, alas, patas. Conformados por 3 genes representativos, su mutacin produce estructuras inapropiadas para un nivel segmentario dado.Secuencia de control gentico del desarrollo inicial en la Drosophila

Periodo de desarrolloTipo de genesFuncionesGenes representativosEfectos de la mutacin

Huevo o cigoteEfectores maternosEstablecen gradientes entre los polos anterior y posterior del huevoBicoide Swallow

Oskar

Caudal

Torso

TroncoGrandes alteraciones en la organizacin antero posterior

Embrin:

SegmentacinDe segmentacin cumunicantesDefinen regiones amplias en el cigotoEmpty spiracles

Hunch back

Krpel

Knirp

TaillesPrdida de segmentos adyacentes en una gran zona del cuerpo

Embrin

GastrulacinGenes ParesDefinen siete segmentosHairy

Even skipped

Runt

Fushi tarazu

Odd peiredOdd skipped

PairedPrdida parcial de un patrn de segmentos intercalados

Embrin

NeurulacinGenes de polaridad de segmentosDefinen 14 segmentosEngrailed

Gooseberry

Hedgehog

Patched

WinglessLos segmentos se reemplazan por su imagen en espejo

Adulto

DiferenciacinGenes hometicosDeterminan caractersticas regionalesComplejo

Antennapedia

Complejo bitoraxEstructuras inapropiadas para un nivel segmentario dado

Fig. 1.- Gentica del desarrollo precoz de la Drosophila

PROCESOS MOLECULARES FUNADMANTALES QUE GUIAN EL DESARROLLO EMBRIONARIOLas molculas que guan el desarrollo embrionario se agrupan en:

1. Factores de transcripcin o intracelulares: Son protenas poseedoras de dominios que se fijan al ADN de regiones promotoras o intensificadoras de genes especficos, y otros que interactan con la polimerasa II del ARN que regulan la cantidad de ARNm que el gen produce.

Clula

Factores de transcripcin (po) Se fijan al ADN en regiones Interacta con polimerasa II del ARNpromotoras o intensificadoras y regulan cantidad de ARNm que el de genes especficos gen produceFig. 2 Factores de transcripcin intracelularesSe conocen dos tipos de factores:

a. Factores de transcripcin generales (FTG): Actan en todas las clulas.

b. Factores de transcripcin especficos (FTE): Actan en cierto tipo de clulas y etapas del desarrollo; son importantes en la iniciacin de patrones de expresin gnica. Entre los principales tenemos:

Protena bsica hlice-asa-hlice: (helix-loop-helix) Formada por dos hlices ( separados por una asa de aminocidos y adyacentes a una regin bsica que permite la fijacin a secuencias especficas de ADN de la protena reguladora e interviene en la homodimerizacin o en la heterodimerizacin. Ej. Los factores reguladores biognicos)

Fig.2. Protena bsica hlice-asa-helice.

Protenas Zinc finger: (dedos de Zn) Los iones de Zn se unen a la cistena e histidina de una cadena polipptica (protena) con la finalidad de formar estructuras digitiformes a manera de dedos, los cuales se insertan en regiones especficas de la hlice del ADN. Ej. WT-1, Krox-20, factores de transcripcin de fijacin de esteroides)

Fig. 3 Proteina Zinc Finger. La unidades de Cis e His se unen por iones Zn a

polipptido y forma estructuras digitiformes que se insertan al ADN Ej. WT-1,

Krox-20, factores de fijacin de esteriodes. Protenas de homeodimio: Contienen 61 aminocidos que conforman la regin hlice-asa-hlice. Codifica 183 nucletidos llamados homeobox, debido a que se encuentran en los genes hometicos de los complejos antennapedia y bitrax de la Drosphila. Este complejo consta de ocho genes que contienen homeobox localizados en dos regiones en un cromosoma. Ej. Genes Hox.En los seres humanos poseen al menos 38 genes homeobox, llamados genes Hox. (Fig. 4)

Los genes Hox se distribuyen en 4 regiones de cromosomas diferentes, organizados en 13 grupos parlogos y estn fuertemente implicados en la segmentacin crneo-caudal del cuerpo.

DISTRIBUCIN DE GENES HoxCro-mososomaGenesGrupos parlogos

Regin ceflicaRegin torcicaRegin abdominalRegin posterior

7Hoxa (Hox-1)A1 A2 A3A4 A5 A6A7 -- A9A10 A11 -- A13

17Hoxb (Hox-2)B1 B2 B3B4 B5 B6B7 B8 B9 -- -- -- --

12Hoxc (Hox-3)-- -- --- C4 C5 C6-- C8 C9C10 C11 C12 C13

2Hoxd (Hox-4)D1 -- D3D4 -- ---- D8 D9D10 D11 D12D13

Fig. 3. Se presenta 38 genes homeobox en las 4 regiones del cuerpo

El desarrollo humano se produce bajo la regulacin gnica de los 4 cromosomas que se indican en el cuadro.

El desarrollo de la regin ceflica (cabeza y cuello) est regido por los cromosomas 7, 17 y 2 y regulados por los genes Hox-1, Hox-2 y Hox-4 y los grupos parlogos A1 A2 A3, B1 B2 B3 y D1 D3, respectivamente.

El desarrollo de la regin torcica est regido por los cromosomas 7, 17, 12 y 2 y regulados por los genes Hox-1, Hox-2, Hox-3 y Hox-4 y los grupos parlogos A4 A5 A6, B4 B5 B6, C4 C5 C6 y D4, respectivamente.

El desarrollo de la regin abdominal est regido por los cromosomas 7, 17, 12 y 2 y regulados por los genes Hox-1, Hox-3 y Hox-4 y los grupos parlogos A7 A9, B7 B8 B9, C8 C9 y D8 D9, respectivamente.

El desarrollo de la regin posterior est regido por los cromosomas 7, 12 y 2 y regulados por los genes Hox-1, Hox-2 y Hox-3 y los grupos parlogos A10 A11 A13, C10 C11 C12 C13 y D10 D11 D12 D13, respectivamente.

Estos genes se activan y expresan siguiendo la secuencia 3 5 del ADN. Los que se activan primero son los genes 3 situados anteriormente y se siguen hasta 5. Las mutaciones de los genes Hox, producen transformaciones morfolgicas anmalas de estructuras segmentarias normales. Cuando las mutaciones son por prdida de funcin hay transformacin de posterior a anterior (Ej. Dedos en pinza de langosta), o por ganancia hay transformacin de anterior a posterior (Ej. Expansin caudal del rombencfalo).

La activacin selectiva de los genes Hox anteriores estara dado por el Factor de Transformacin del Crecimiento (TGF-) y los Hox posteriores por el Factor de Crecimiento de los Fibroblastos (FGF).

El cido retinoico (agente teratgeno poderoso) puede causar posteriorizacin de la expresin de los genes Hox con las aberraciones morfolgicas consecuentes. (Fig. 4) Engrailed y Lim: Familia de genes reducida.

POU y Paired (Pax): Grandes familias de genes que expresan muchas estructuras de desarrollo:

Familia de genes POU: Las siglas de POU provienen de Pit-1 (gen que se expresa solo en la pituitaria) Oct-1 y Oct-2 (gen que fija el octmero ATTTGCAT al ADN) y Unc (gen expresado en Namtodos).

Los genes POU contienen, adems de un homeobox, una regin que codifica 75 aminocidos que tambin se unen al ADN mediante la estructura hlice-asa-hlice (helix-loop-helix).

- Familia de genes Pax: Consta de nueve miembros conocidos, intervienen en aspectos del desarrollo de Mamferos. Todas las Pax protenas contienen un dominio par de 128 aminocidos que se fija al ADN y algunos miembros del grupo contienen, adems, dominios parciales o completos de homeobox y una secuencia conservada de un octapptido.

Fig. 4. La p homeodimio codifica 183 nucleticos Homeobox (genes hox) Engrailed y Lim familia reducida. Familia de genes POU contienen Homeobox y 75 aminocidos Familia de genes Pax contienen 128 aminocidos2. Molculas de activacin o seales intercelulares: Salen de la clula y producen efectos en otras vecinas o a distancia, para lo cual deben unirse a sus molculas receptoras las protenas transmembrana las que forman complejos con molculas de activacin que desencadenan la transduccin de seales al ncleo de clula diana influyendo en la naturaleza de los productos gnicos que sta produce y a menudo en el futuro desarrollo. Forman parte de los factores de crecimiento.

Fig. 5.- Molculas de activacin intercelularesSon mediadores en la mayora de las interacciones tales como las inducciones dadas entre grupo de clulas embrionarias. Muchas de ellas son factores peptdicos (Ej. El factor de crecimiento neural, el primero que se investig, y que estimula el crecimiento de neuronas sensoriales y simpticas); otras son importantes en el desarrollo embrionario. Se conocen tres grandes familias:

Familia TGF- : Forman parte de sta familia: TGF- 1 a TGF- 5 los que constan de un gran nmero de molculas (hasta 30 genes) que actan en la embriognesis y vida postnatal, tales como la induccin mesodrmica, proliferacin mioblstica, invasin de la gelatina cardiaca por clulas endoteliales A-V; la activina que induce a la proliferacin de clulas de la granulosa y al mesodermo; la inhibina que inhibe la secrecin de gonadotropinas hipofisiarias; la sustancia antimlleriana que produce regresin de los conductos de Mller; el decapentapljico que emite seales para el desarrollo de los miembros; el Vg1 que produce induccin mesodrmica; las protenas morfogenticas seas del 1 al 9 intervienen en la formacin de la placa neural, diferenciacin esqueltica y otras interacciones inductivas; el Nodal que forma la lnea primitiva y el eje izquierda derecha del embrin, y, el factor nuerotrfico glial que induce al crecimiento de la yema ureteral.

Familia FGF: (FGF1 a FGF2), cumplen funciones en la embriognesis, desde proliferacin de clulas mesenquimales hasta induccin de elongacin de las yemas de las extremidades y estimula el crecimiento de capilares y supervivencia de ciertas neuronas.

Familia de protenas hedgehog: Una de las principales es sonic hedgehog como organizadora de diversos centros del embrin, sufre autodivisin proteoltica originando:

El pptido de 19KDa con N-terminal, que produce un enlace covalente con colesterol durante el procesamiento proteoltico e incorpora la mayora de propiedades de activacin de la molcula.

El pptido de 17 kDa con C-terminal

Existen tres formas de protenas hedgehog, derivadas de 3 genes diferentes:

Hedgehog sonic Hedgehog India y Hedgehog desert, las que se une a una molcula receptora en clula diana y la estimula a producir nuevos productos gnicos o nuevas diferenciaciones.

2. Molculas receptoras: Para que las molculas intercelulares de seal ejerzan un efecto en la clula diana, tienen que interactuar normalmente con los receptores de dichas clulas.

En su gran mayora se localizan en la superficie celular, son protenas transmembrana con dominios extracelulares, transmembranosas y citoplasmticas.; unas pocas son intracelulares (Ej. Molculas de esteroides, retinoico y hormonas tiroideas) y otras son de dominio extracelular, en las que se unen a ligandos. (Ej. Hormonas, citosina, factor de crecimiento), cuando se une al receptor produce un cambio en el dominio citoplasmtico de molcula receptora. (Fig. 5)Existen dos tipos de receptores de superficie celular:

Con actividad intrnseca de proteincinasa: (Ej. Familia receptora para los FGF en los cuales el dominio citoplasmtico posee actividad de tirosinasa, superfamilia de los TGF- en los cuales el dominio citoplasmtico posee serina / treoninacinasa. Con uso de sistema de segundo mensajero para activar las protenas citoplasmticas: Aqu la actividad de la proteincinasa est separada de la molcula misma del receptor, el que es activado por el ligando (Ej. Neurotransmisores, hormonas peptdicas, factores de crecimiento) mediante una serie de pasos intermedios.3. Transduccin de seales: Es el proceso por el cual la seal enviada por el primer mensajero se expresa como respuesta intracelular. (Ej. Factor de crecimiento o molcula de activacin).La seal de transduccin se inicia cuando el primer mensajero o ligando se une a un receptor y cambia su conformacin. En caso de los receptores que no poseen actividad intrnseca de las proteinasas, la unin del ligando al receptor estimula una reaccin en cadena o cascada que conduce a la produccin de un segundo mensajero.

Pasos de una cascada:

Receptor activado: Protena G

Proteinas que ligan trifosfato de guanosina y difosfato de guanosina.

Enzima efectora: convierte las molculas precursoras en segundos mensajeros

(monofosfato cclico de adenosina y trifosfato de inosina + diacilglicerol)

Ej. Adenilciclasa)

Activa las proteinasas citoplasmticas

Fosforilan (aaden grupos fosfato) las protenas diana

Activndolas Desactivndolas

Varios pasos que implican a otras cinasas

Translocacin de las molculas activadas hacia el ncleo

Modificacin la transcripcin del ADN

Cascada de transduccin lleva a una respuesta celular

En desarrollo embrionario

Transformacin de un tipo celular durante la diferenciacin o la

produccin de un producto especfico por parte de la clula diana.

4. Molculas y morfologa: La morfologa se construye sobre un patrn molecular, el que puede ser de amplio alcance (gen Hox en la segmentacin del eje corporal) o de dominio muy restringido (Ej. Induccin de la crnea por el cristalino).Fig. 6. Principales genes que intervienen en la gastrulacin y en la induccin neural

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