jueves, 14 de mayo de 2009

Genes homeóticos

Genes homeóticos y "homeoboxes"

Como hemos visto hasta aquí, durante las divisiones celulares que se dan después de la fertilización, las células toman diferentes formas, tamaños, funciones y potenciales, así como relaciones espaciales unas respecto a otras. Todos estos eventos se dan según factores definidos de tiempo. En algunas especies como el ratón las células que se forman en las primeras divisiones poseen todas el mismo potencial. A medida que la división celular procede, las células diferentes se orientan hacia la formación de solo un número limitado de tipos celulares adultos, por eso se dice son "determinadas". Las células determinadas están destinadas a diferenciarse en una forma específica y sus células hijas heredan este programa. La determinación viene seguida de una diferenciación, adquisición de diferentes fenotipos, ya sea a nivel morfológico o de propiedades bioquímicas. Al final es posible diferenciar más de 200 tipos celulares en diferentes en vertebrados. Hay evidencias como para indicar que existe un mecanismo de expresión génica diferencial, tanto en el tiempo como en el espacio, que determina el desarrollo y diferenciación, una de las metas al aproximarnos a este hecho a nivel molecular y de comprender la determinación y diferenciación es como de correlacionar los cambios espaciales y temporales con la expresión génica diferencial.

Genes homeóticos
Esta aproximación ha sido exitosa en Drosophila melanogaster, principalmente por que es posible la obtención de mutantes con defectos en estadios morfológicos tempranos. Los segmentos que se observan tanto en moscas en desarrollo como adultas se encuentran normalmente asociados con caracteres morfológicos específicos como el ojo, antenas, alas y patas. La genética clásica identificó un grupo de mutantes en Drosophila (antenapedia, bithorax, etc.), en los que los caracteres morfológicos particulares se desarrollan en posiciones anormales. En antenapedia por ejemplo aparecen patas donde deberían encontrase antenas. Los genes que están involucrados en este tipo de transformaciones morfológicas son denominados grupalmente como genes homeóticos, y las consecuencias de mutaciones homeóticas específicas están localizadas hacia uno o más segmentos. El descubrimiento de mutantes homeóticos permitió realizar ingeniosos experimentos que demuestran que el cuerpo de la mosca normal esta formado por un conjunto de regiones discretas, cada una de las cuales expresa un conjunto diferente de genes selectores homeóticos. Los productos de estos genes actúan como marcadores moleculares de dirección, equipando a las células con una especificación general de su valor posicional, por lo tanto, un mutante homeótico hace que un grupo completo de células estén desinformadas de su localización y por ello produzcan una estructura apropiada para otra región.
Los genes homeóticos controlan el desarrollo del sistema nervioso central así como también de estructuras musculares que se forman entre los segmentos. Estos genes no determinan el número de segmentos sino solamente el desarrollo morfológico.

Existen dos grandes regiones en el cromosoma 3 en Drosophila, cada una con 250 kb o más, que presentan los genes "antenapedia" o "bithorax". Dentro de estas regiones se encuentran lugares relacionados con la manifestación de dichas características. Algunos de estos lugares parecen regular la de las regiones en su totalidad, por ejemplo, la región ubx para los genes bithorax.

El funcionamiento de genes homeóticos particulares actúa en segmentos específicos al menos en parte de la transcripción específica. Los productos de estos genes son proteínas que poseen afinidad por determinadas secuencias de ADN y específicas en la regulación de otros genes. En conjunto estos experimentos demuestran que, así como la especificidad bioquímica el desarrollo morfológico esta controlado por un mecanismo de expresión génica diferencial.
También se han encontrado genes que se expresan en momentos específicos del desarrollo en organismos tan diversos como el maíz, nemátodes, erizos de mar, ranas y ratones. Se están utilizando bibliotecas de cDNA preparadas a partir de células que se encuentran en determinados estadios de desarrollo con el objeto de obtener clones que presenten RNAm en ese estadio particular. No obstante el potencial de obtener progreso rápido con la mayoría de los organismos no es alto, principalmente por que no es posible obtener información genética más rudimentaria. El nemátode Caenorhabditis elegans constituye una excepción ; no sólo porque se ha realizado un exhaustivo análisis genético, sino que ha sido posible determinar la línea que han seguido todas sus 959 células a lo largo del proceso de desarrollo a partir del cigote hasta el animal adulto. Entre los mamíferos el ratón es el animal más prometedor en cuanto a estos estudios, ya que existe abundante información y se conocen varias mutaciones que ocurren en el. Además es posible la obtención de células en estadios tempranos de desarrollo. En ratones y en algunos otros mamíferos, también es posible obtener líneas de desarrollo a partir de técnicas de cultivo a partir de embriones jóvenes.
Secuencias "homeobox"

Un gran número de genes conocidos que están involucrados en la regulación de la variedad de procesos en el desarrollo de casi todos los organismos eucariotas presentan una secuencia característica de 180 pb dentro de la región codificadora de la proteína correspondiente conocida como el "homeobox" por que fue identificada por primera vez en los genes homeóticos de Drosophila. La expresión de estos genes, que especifican la identidad de los segmentos que darán lugar a la cabeza, tórax y abdomen, se da luego de la expresión del cigote, pero antes de la diferenciación de cada célula en su segmento correspondiente . Desde que estas secuencias fueron descubiertas, han sido observadas en varios otros genes de Drosophila, en especial en aquellos genes que orientan a la células ha seguir determinadas en estadios tempranos del embrión. Virtualmente, cada uno de los genes presenta esta secuencia en Drosophila se expresa en un grupo particular de células embrionarias, y cada grupo de células presenta una combinación única de los productos de estos genes, algunos de estos genes parecen codificar factores reguladores de la transcripción que influyen en la expresión de otros grupos de genes "homeobox" así como de otras proteínas estructurales no reguladoras. De este modo el embrión se divide en un primer momento, gracias a la expresión de genes homeobox, en dos porciones : anterior y posterior , cada una con diferente potencial de desarrollo.

Donde quiera que se encuentre esta secuencia de 180 pb especifica una secuencia de 60 aminoácidos conocida como el homeodominio, actualmente considerado como un elemento que tiene alta afinidad por el ADN. Además de su localización casi invariable dentro de la proteína en la que se encuentran, es destacable resaltar su capacidad de formar estructuras helicoidales.
El análisis de varias secuencias de estas proteínas sugieren que existen similitudes y algunas diferencias entre vertebrados y Drosophila.

Existe suficiente evidencia como para asegurar que los homeodominios tienen una función importante en la unión de estas proteínas al ADN. La aparición de mutaciones puntuales en estas regiones disminuyen drásticamente el grado de afinidad de la proteína al ADN, mientras que alteraciones en otras regiones no afectan su afinidad. Una importante características de ciertas homeoproteínas es su habilidad de unirse a secuencias de ADN diferentes pero relacionadas, aunque con diferentes afinidades. Así esta especificidad diferencial permitiría que una homeoproteína regule la transcripción de uno o más genes.
Con respecto a la forma de unión de los homeodominios al ADN, se ha propuesto que la estructura helicoidal es crucial en la especificidad. Otras características de la proteína también podrían influir, pero en menor grado. En consecuencia, las propiedades reguladoras de la transcripción y/o unión al ADN están moduladas por pequeñas moléculas. Estas proteínas poseen regiones que las permite interactuar con otras proteínas de modo que podrían formarse complejos proteicos que actuarían como entidades funcionales. Una vez unidad al ADN, las homeoproteínas influyen en la transcripción desde sus correspondientes promotores blanco.

De acuerdo a los estudios realizados en los patrones de expresión de los genes homeóticos se puede ver al embrión de vertebrados como subdividido en campos anteroposteriores de células con diferentes capacidades de desarrollo, esta subdivisión del cuerpo embriónico precede a la formación de órganos o estructuras específicas. Aunque los homeodominios codificados por diferentes genes homeobox son muy similares entre si, las diferencias características en sus secuencias pueden ser utilizadas para identificarlos. Algunos homeodominios de mamíferos se asemejan fuertemente a aquellos producidos por genes de la mosca de la fruta.

Cuando los patrones de expresión de para muchos genes homeobox en embriones de ratón fueron analizados se realizaron importantes observaciones, se mostró que tanto en vertebrados como en invertebrados, los genes homeobox se agrupan en complejos o grupos en un cromosoma. En otras palabras. los genes homeobox están arreglados en un orden preciso, de izquierda a derecha, en la molécula lineal del ADN que forma un cromosoma. Además se descubrió que en ratón el orden de los genes homeobox en un grupo corresponde directamente a donde se expresa los genes. Los homeogenes localizados cerca del final izquierdo de un complejo son expresados en la parte posterior del cuerpo y los genes a la derecha son expresados mas cerca de la cabeza.

Todos los vertebrados tienen cuatro complejos homeobox , cada uno localizado en cromosomas separados. Estos complejos homeobox probablemente aparecieron durante la evolución a través de las duplicaciones de un grupo simple de genes homeobox en invertebrados. Consecuentemente cada humano por ejemplo, tiene cuatro genes que asemejan al gen Abdominal - B de Drosophila y otro que asemeja a Deformed.

Evolución de los genes con homeobox
Los genes con homeobox se encuentran alineados en complejos o "clusters" dentro de un mismo cromosoma. El "cluster" es el producto de la duplicación en tandem de un gen primordial, en un proceso denominado recombinación o crossing-over desigual. En Drosophila se encuentra presente el cluster primordial, el que se ha dividido en dos, los "clusters" o complejos Antennapedia y Bithorax.
Este complejo se ha cuadruplicado, debido a la duplicación de determinadas regiones del cromosoma, lo que ha transformado los dos complejos de Drosophila en cuatro grupos de este
tipo de genes en mamíferos. En ratón y humanos encontramos el mismo número de genes, dispuestos en el mismo orden (Fig. 2) en cuatro complejos diferentes. La alineación vertical de estos cuatro grupos permite definir los genes parálogos. Estos genes ocupan la misma posición en cada complejo, han evolucionado del mismo gen primordial, tienen una secuencia similar y a menudo presentan un patrón de expresión similar durante el desarrollo, es decir durante el desarrollo del embrión se expresan en las mismas regiones y en los mismos momentos.

Figura 2. La ilustración muestra los dos complejos de Drosophila, que en ratón y humanos se ha transformado en cuatro complejos diferentes. La alineación vertical de estos cuatro grupos permite definir los genes parálogos. Estos genes ocupan la misma posición en cada complejo, han evolucionado del mismo gen primordial, un patrón de expresión similar durante el desarrollo, es decir durante el desarrollo del embrión se expresan en las mismas regiones y en los mismos momentos.







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