DIFERENCIACIÓN CELULAR Y DESARROLLO.

Una de las cosas que más maravilla a la mente humana es cómo surge una nueva vida; cómo desde la unión entre dos células surge un organismo completo, con las características de sus progenitores o progenitor, en el caso de la reproducción asexual. La rama de la Biología que se ocupa de entender y profundizar en los fenómenos o procesos que involucran la formación de un individuo es la Biología del Desarrollo o, como se conocía anteriormente, la Embriología.Entenderemos por desarrollo al proceso por el cual un huevo fecundado se transforma en un organismo adulto, pero lo más interesante es llegar a comprender cómo las células se diferencian en un tipo especializado que forma los distintos tejidos del organismo, los cuales en su conjunto forman los órganos, que se organizan en los sistemas necesarios para la existencia del individuo, entonces podemos decir que un organismo adulto es un arreglo ordenado de tipos celulares específicos.El proceso de diferenciación celular está controlado genéticamente. Dado esto, debe existir una expresión diferencial de genes por medio de reguladores maestros que determinan tipos celulares y regiones anatómicas específicas.

DIFERENCIACIÓN CELULAR: EXPRESIÓN DIFERENCIAL DE GENES.

Como ya se estableció, un organismo es un conjunto ordenado de tipos celulares (células nerviosas, musculares, epiteliales, etc.), para que surja esta especialización existe un control de una serie de proteínas específicas que deben ser producidas por una cierta cantidad de genes, por tanto, para que estas proteínas especificas se sinteticen, un grupo de genes tienen que estar prendidos y otro grupo de genes debe estar apagado o reprimidos.Se ha comprobado que ciertos genes codificaban factores de transcripción que actuarían sobre otros genes, es decir, que inducirían la diferenciación celular mediante la regulación de una segunda línea de genes específicos. Por esta razón, a esos factores de transcripción se les dio el nombre de reguladores maestros y, a los genes que los codifican, el de genes maestros. Tal como una llave maestra de una cañería cierra el paso a muchas otras válvulas subsidiarias, los reguladores maestros controlan la expresión de numerosos genes subalternos.En ausencia de reguladores maestros funcionales, se reprime la expresión de numerosos genes subalternos mientras que si el regulador maestro está presente, estos genes subalternos son forzados a expresarse.En conclusión, la clave por la que se generan distintos tipos celulares reside, entonces, en que distintas células contienen diferentes proteínas reguladoras específicas.

GENES HOMEÓTICOS.

Los genes homeóticos son genes maestros que no determinan tipos celulares, sino regiones anatómicas completas, por ejemplo, segmentos. Cada gen homeótico dirige el desarrollo de un segmento o grupo de segmentos en particular mediante la regulación de infinidad de genes subalternos.Se demostró que los genes homeóticos no se expresan en una única célula sino en bloques de células que coinciden con segmentos o grupos de segmentos y que, efectivamente, regulan la expresión de otros genes. Sus productos –los reguladores maestros– son factores de transcripción.Cuando uno de estos genes homeóticos es activado fuera de su dominio normal de acción, activa sus genes subalternos en el lugar que ha invadido, forzando la aparición de características anatómicas propias de su dominio de origen.

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Los genes maestros que gobiernan regiones anatómicas se llaman selectores. Los genes homeóticos reciben pues el nombre de selectores homeóticos. Por otra parte, un grupo de células que expresan un selector particular se define como compartimiento.Es posible que se produzcan divisiones celulares en las que las células hijas sean diferentes de la célula progenitora. Células inicialmente equivalentes pueden ser conducidas a expresar selectores distintos por comunicación entre las células. Como todas las células del organismo derivan, en última instancia, del huevo fertilizado, en algún momento deben producirse divisiones que produzcan dos células diferentes: una con un regulador maestro y otra sin éste; son divisiones asimétricas.Existen varios mecanismos que generan células o poblaciones de células diferentes a partir de una célula. En uno de estos mecanismos, una célula puede tener una distribución asimétrica de moléculas en su citoplasma. Por ejemplo, un extremo puede contener el RNA mensajero correspondiente a un regulador maestro, y el otro extremo carecer de él. Si una división celular separa estas dos fracciones de citoplasma en dos células hijas, se produce una división asimétrica y se obtienen, naturalmente, dos células diferentes. Este mecanismo simple recibe el nombre de segregación de factores citoplasmáticos. Las divisiones celulares asimétricas son aquellas en las cuales las dos células hijas son diferentes –en su estructura o en sus propiedades biológicas– de la célula progenitora.Existen varios mecanismos que dan como resultado divisiones celulares asimétricas:

a) Segregación de factores citoplasmáticos: La célula madre contiene ciertas sustancias distribuidas asimétricamente en su citoplasma. Al producirse la citocinesis, cada célula hija (A y B) lleva sustancias diferentes. Éstas pueden ser factores de transcripción o moléculas de mRNA que codifican factores de transcripción. En consecuencia, cada célula hija expresará un grupo diferente de genes.

b) Comunicación celular: Las células hijas pueden ser idénticas en un principio y distinguirse luego (en células C y D, por ejemplo) por la acción de sustancias químicas que actúan como señales exógenas.

En la figura, en un primer momento, la célula de color gris está rodeada por dos células, azul y roja. La célula gris se divide y da dos células hijas iguales (grises). La célula hija de la izquierda recibe de su vecina (azul una señal química. En principio, las dos células hijas grises son capaces de responder a la señal, pero sólo lo hará aquella que se encuentre físicamente cerca de la fuente de la señal química y pueda así entrar en contacto con esa señal. Las señales exógenas pueden ser producidas por otras células o por el medio circundante, como la matriz

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celular de tejidos vecinos. c) Detalle del mecanismo celular que traduce una señal externa en una respuesta interna. La señal es una molécula con una estructura tridimensional específica. La membrana de la célula ubicada a la derecha posee un receptor, una proteína con una porción extracelular y otra intracelular. La porción extracelular posee afinidad específica por la señal (similar a la afinidad de una enzima por su sustrato). Cuando el receptor se une a la señal, se operan cambios en la porción intracelular, la cual es entonces capaz de activar la expresión de un gen maestro que redundará en la síntesis de un regulador maestro.Por otra parte, una división o serie de divisiones celulares puede producir un conjunto de células idénticas, que luego sean estimuladas diferencialmente por su entorno. El entorno de las células hijas puede ser diferente, por ejemplo, por tener distintas células vecinas. Las células en principio idénticas reciben distintas señales del exterior que provocan la activación o inactivación de un regulador maestro específico. A este mecanismo, muchas veces llamado inducción, también se lo denomina comunicación celular.

Cuestionario:De acuerdo a la información entregada, responde las siguientes preguntas:

a) ¿Cuál es el papel que desempeñan los factores de transcripción en el desarrollo de un organismo?

b) Establezca la importancia de determinar una región anatómica en los organismos en desarrollo.

c) ¿Qué efectos tendría una mutación en un gen maestro? Fundamente su respuesta.d) Usted desea comprobar si la diferenciación celular está influenciada por un

cierto tipo celular, para ello extrae una porción de tejido que forma la copa óptica (forma no diferenciada del ojo) de un embrión y la transplanta en la zona toráxica de otro embrión. Detalle cuáles serían los resultados esperados con su respectiva fundamentación.

e) Se conoce que los genes homeóticos determinan la posición anteroposterior del embrión, también se sabe que estos genes se encuentran en la gran mayoría de los vertebrados e invertebrados. Los genes homeóticos de distintas especies animales ¿Son distintos o son iguales? En el caso que fueran distintos, ¿Qué sucedería si insertáramos un gen homeótico distinto a un individuo? Y en el caso que fuesen iguales ¿Qué efectos esperaría si cambiara un gen homeótico homólogo entre especies? Fundamente su respuesta con una búsqueda bibliográfica.

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