Capítulo 18. Desarrollo: la ejecución de un programa genético

El desarrollo es el proceso por el cual un huevo fecundado se transforma en un organismo adulto. Este proceso está controlado genéticamente, como lo indican su reproducibilidad a través de las generaciones y la existencia de mutaciones que interrumpen pasos específicos.

Un organismo adulto puede entenderse como un arreglo ordenado de tipos celulares específicos. Los distintos tipos celulares aparecen durante el desarrollo a través del proceso de diferenciación celular, el cual implica la expresión diferencial de genes específicos.

La expresión diferencial de genes se logra a través de la regulación diferencial de esos genes por proteínas llamadas reguladores maestros. Estas proteínas pueden regular genes específicos de tipos celulares (músculo, glóbulos rojos, piel) o pueden definir regiones anatómicas mayores como los segmentos de los insectos.

Los reguladores maestros que definen regiones específicas se denominan selectores; un grupo de células contiguas que expresan un mismo selector constituyen un compartimiento.

A medida que las células de un embrión se dividen, generalmente el número de compartimientos aumenta, es decir, aparecen nuevas poblaciones de células que expresan selectores específicos. Para que esto suceda, es necesario que se produzcan divisiones asimétricas: divisiones en las que las células hijas son diferentes de la célula progenitora.

En el desarrollo coherente de un organismo, a medida que las poblaciones de células se vuelven más heterogéneas, es decir, a medida que aparecen más y más compartimientos, la ubicación espacial de estas regiones es clave. Existen varios mecanismos que permiten la coordinación del desarrollo.

El proceso básico del desarrollo embrionario temprano en la mosca D. melanogaster reside en el establecimiento de la expresión de selectores -los genes maestros- que definen su plan anatómico fundamental. Existen sólo cuatro rutas principales relativamente independientes por las que se establece el plan anatómico en Drosophila. En estas rutas, ciertos factores inician una cascada de eventos regulatorios, activando genes cuyos productos regulan, a su vez, otra serie de genes, y así se van estableciendo, en el embrión compartimientos cada vez más pequeños en un patrón más detallado. La cascada culmina con el establecimiento correcto de los patrones de expresión de los selectores clave. El desarrollo de las diferentes estructuras es promovida por morfógenos en función de su concentración. Mediante el establecimiento de gradientes de concentración de morfógenos es posible la coordinación armoniosa de las estructuras anatómicas.

La coordinación del desarrollo también puede darse por medio de inducciones sucesivas. Una célula o grupo de células emite una señal química que induce un cambio en las células vecinas. Éstas, como respuesta a la señal, producen una segunda señal que induce otro cambio en un tercer conjunto de células. Esta cascada de inducciones también puede garantizar el correcto ordenamiento de estructuras en el desarrollo. La embriogénesis de vertebrados ilustra muy bien ese mecanismo, de la misma manera que lo hace la formación de la vulva del gusano C. elegans.

El estudio de los genes del desarrollo en diversos organismos ha conducido al descubrimiento de semejanzas entre grupos diversos hasta el momento soslayadas. Muchos de los genes del desarrollo están tan conservados que pueden ser transplantados de un organismo a otro sin perjuicio para el desarrollo del organismo receptor. Esto conduce a preguntarse qué cambios fueron los que operaron durante la evolución en la Tierra, modificaron los programas de desarrollo y generaron la diversidad anatómica observable.

El desarrollo de las plantas es significativamente distinto del de los animales, debido fundamentalmente a su carácter sésil. Se han encontrado numerosos genes que controlan el crecimiento vegetal.

Uno de los aspectos mejor conocidos del desarrollo vegetal es la serie de mecanismos que determinan la identidad de los órganos florales.

La diferenciación: la expresión diferencial de genes

En el organismo adulto existen arreglos ordenado de tipos de células específicas. Cada tipo celular está caracterizado por la acción diferencial de no una, sino muchas proteínas específicas; para que esas proteínas se sinteticen, ciertos conjuntos de genes deberían encenderse concurrentemente mientras que otros estarían reprimidos.

Muchos de los experimentos iniciales sobre expresión diferencial se realizaron en líneas celulares -poblaciones homogéneas de células que se mantienen vivan fuera del animal en medios de cultivo-. Existen líneas celulares de distintas identidades, como las musculares. Inicialmente se observó que ciertos genes, entre ellos myoD y myf5, estaban activos exclusivamente en líneas celulares musculares. Cuando se forzó experimentalmente la expresión de estos genes en líneas celulares no musculares, esas células se diferenciaron en músculo. Se comprobó que esos 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 el ejemplo de la figura siguiente, el tipo celular 1 está caracterizado por la presencia de los productos de los genes A y B. El tipo celular 2 está caracterizado por la presencia de los productos de los genes C y D. Ambos tipos celulares contienen copias de todos los genes. El Regulador Maestro 1 (RM1) se une a los sitios "U" y activa los genes que contienen ese sitio en su región promotora. El Regulador Maestro 2 (RM2) se une a los sitios "N". Las células de tipo 1 contienen el regulador RM1 (una proteína). Por lo tanto, todos los genes con sitios promotores "U" son activados. Como carecen de la proteína reguladora RM2, los genes con regiones promotoras con sitios "N" no son activados. Para el tipo celular 2 se produce la situación inversa.

La diferenciación celular es el resultado de la expresión diferencial de genes bajo el control de reguladores maestros.

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.

Selectores y compartimientos

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.

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. Por ejemplo, las células que forman una pata en las moscas, expresan un selector homeótico característico del primer segmento torácico (en los insectos, las patas se insertan en el tórax).

En la siguiente figura se pueden observar los efectos de las mutaciones en dos grupos de genes homeóticos de Drosophila.

A la izquierda, mosquita normal con un par de alas y un par de balancines y a la derecha, mosquita mutante con dos pares de alas y sin balancines

Dos estrategias que generan células diferentes

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:

Mecanismos por los cuales se producen 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 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.

La coordinación de los procesos de desarrollo

En el desarrollo coherente de un organismo, es fundamental la coordinación de los procesos de desarrollo y la ubicación espacial de compartimientos.Existen varios mecanismos que permiten la coordinación del desarrollo.

Es posible analizar cómo se produce esta coordinación en algunos organismos en los que se han producido grandes avances en el estudio de su genética; esto ha permitido identificar los procesos clave.

Un ejemplo es el de Caenorhabditis elegans, un gusano cilíndrico que pertenece al grupo de los nematodos. Las ventajas experimentales de este organismo incluyen su pequeño tamaño, su ciclo de vida corto, su fácil manejo, y el hecho de que su cuerpo es transparente. Esta última característica permite el examen directo del proceso de desarrollo.

Los nematodos tienen otra característica curiosa: el número de núcleos somáticos del adulto es invariable y característico de la especie: por ejemplo, C. elegans tiene 959 núcleos somáticos. Además, las posiciones relativas de las células durante el desarrollo también es invariable de individuo a individuo, de modo que todo el proceso de desarrollo, desde el cigoto al adulto, puede esquematizarse como un árbol genealógico celular.

El árbol genealógico de las células de C. elegans se conoce en forma completa.

En el árbol de la figura, cada bifurcación representa una división celular. No todas las divisiones se muestran. Los globos de color rosa denotan conjuntos celulares.

El estudio del desarrollo de C. elegans permitió seguir el camino de cada una de sus células a través de las sucesivas divisiones celulares, desde la primera hasta la número 962 y así trazar su "árbol genealógico celular".

En C. elegans, esta cadena de divisiones mitóticas tan finamente coreografiada se inicia con el huevo fecundado, que se encuentra dentro de una dura cáscara externa. Las tres primeras divisiones producen un embrión de cuatro células, cada una con un destino embriológico determinado. En la primera división se produce la segregación de factores citoplasmáticos que mencionamos recientemente y se obtiene, por lo tanto, dos células con contenidos distintos. Una de ellas, la célula P, dará lugar al polo posterior del embrión, mientras que la otra, la célula AB, dará lugar al polo anterior.

En el desarrollo temprano de C. elegans, la complejidad celular aumenta a través de varios mecanismos

El gameto femenino de C. elegans contiene una cubierta muy dura que limitará los movimientos de las células que se formarán en su interior luego de la fecundación.
a) El espermatozoide penetra por un agujero a través de la cáscara y se produce la fecundación .
b) En el punto de entrada del espermatozoide, se organiza un eje de división celular y se concentran unos gránulos oscuros llamados "gránulos P". Los gránulos P promueven el desarrollo de estructuras posteriores.
c) La primera división celular conlleva la segregación de factores citoplasmáticos y produce dos células distintas: la célula P (que contiene gránulos P) y que genera las estructuras posteriores, y la célula AB, que produce las estructuras anteriores. Esta primera división, por lo tanto, define el eje antero-posterior del animal.
d) La célula P se divide en dos células distintas llamadas EMS y P2. La célula AB se divide en dos células equivalentes pero, debido al espacio limitado dentro de la cáscara del huevo, sólo una de ellas estará físicamente en contacto con la célula P2. Esta última produce una señal (representada por una flecha) que permanece adherida a su membrana citoplasmática y promueve cambios en su célula vecina.

Así, una célula descendiente de AB queda en contacto con la célula P2 y pasa a convertirse en la célula ABp. La otra célula que deriva de AB es la célula ABa que no tiene contacto con P2. ABa y ABp dan lugar a estructuras diferentes; sus destinos dependen de la señal producida por P2. ABp define la región dorsal del embrión, por lo que este proceso de comunicación celular también define, en parte, el eje dorso-ventral del animal.

La célula P también se divide asimétricamente por segregación de factores citoplasmáticos. La célula AB, sin embargo, da lugar a células con potencialidades idénticas pero que pronto adquieren identidades distintas al recibir señales de su entorno. Las limitaciones de espacio dentro de la dura cáscara del huevo obligan a estas células a ocupar determinadas posiciones con respecto a las demás. Las células se encuentran, por lo tanto, expuestas a diferentes señales químicas y, en consecuencia, asumen identidades y destinos embriológicos diferentes. Este es un claro ejemplo de división asimétrica por comunicación celular.

Es notable que, las diferentes células del embrión de C. elegans tienen destinos embriológicos específicos desde temprano. Si cualquiera de estas células es destruida, ninguna de las otras podrá generar las estructuras que éstas hubieran generado. Esto contrasta con lo que sucede en los embriones de muchos otros organismos, los cuales producen poblaciones de células equivalentes que adquieren un destino embriológico más tarde en su desarrollo; en esos casos, la destrucción de una célula es compensada por sus vecinas. El desarrollo temprano del gusano C. elegans está dado, entonces, por dos factores. Por un lado, las limitaciones de espacio impuestas por la cáscara del huevo obligan a las células a ocupar posiciones determinadas unas con respecto a otras por lo que cada una recibe distintas señales químicas. Por otro lado, las divisiones celulares asimétricas asignan un destino determinado a cada célula en cada posición.

El desarrollo de la vulva del gusano C. elegans comienza cuando el embrión ya está compuesto por numerosas células e ilustra otro mecanismo por el cual se genera una coherencia espacial en la disposición de las células. La vulva de C. elegans es un órgano sencillo: un pequeño orificio por donde entra el esperma y salen los huevos. Está compuesta por dos tipos celulares específicos: el tipo 1 que conecta la gónada con el exterior, y el tipo 2, que brinda protección al primer tipo. En total son 22 células, derivadas en principio de un conjunto de tan sólo tres células ubicadas en el lado ventral del gusano. Para que el órgano se desarrolle con su estructura correcta, las células precursoras deben tener una disposición que denominaremos 2-1-2 (una célula precursora del tipo 1 rodeada, a cada lado, por una célula precursora del tipo 2). Esta sencilla disposición se establece por un sistema de comunicación de señales entre células.

Los dos tipos celulares mencionados derivan de un conjunto de células epidérmicas equivalentes, todas con el potencial de diferenciarse en tipos 1 ó 2. El desarrollo de la vulva es gatillado por una célula que no formará parte de ese órgano conocida como célula ancla.

Si la célula ancla es destruida, por ejemplo, por ablación con láser, la vulva no se forma en absoluto.
La célula ancla produce una proteína señal que es liberada al medio extracelular por exocitosis. La célula epidérmica más cercana a la célula ancla adquirirá, por acción de la proteína señal, la identidad de tipo 1. Esta célula, a su vez, producirá una segunda señal, que difundirá desde la célula tipo 1, induciendo a sus dos vecinas a convertirse en células del tipo 2. El resultado de esta concatenación en el tiempo de señales de acción a corta distancia es el patrón 2-1-2 de la vulva.

La vulva de C. elegans presenta un patrón de tipos celulares que surge como consecuencia de comunicaciones celulares sucesivas.

a. En el epitelio ventral existe un conjunto de células con la capacidad de diferenciarse en todos los tipos celulares presentes en la vulva. Esta capacidad se expresa en la presencia de receptores en sus membranas. Todas las células contienen un tipo de receptor proteico para una señal (señal 1, representada por círculos) producida por la célula ancla. Esta señal difunde libremente en el espacio intercelular y su concentración va disminuyendo con la distancia a la fuente donde se produce esa señal. La célula epitelial más cercana a la célula ancla estará expuesta a concentraciones suficientemente altas de la señal como para que ésta pueda interactuar con su receptor de membrana específico y activarlo. Cuando el receptor es activado, promueve la actividad de un regulador maestro específico de células tipo 1. Entonces, los genes característicos de este tipo celular son activados, y los del tipo 2 son reprimidos o no son activados.

b. Entre los genes activados, se encuentra uno que codifica una segunda señal (señal 2, representada por cuadradros), la cual es transportada hacia la membrana y liberada por exocitosis. Entre los genes reprimidos se encuentra el que codifica un receptor para esa señal, por lo que la célula de tipo 1 produce una señal química pero ella misma es incapaz de responder a esa señal. La señal producida por la célula tipo 1 migra por difusión, disminuyendo su concentración, de modo que sólo las dos células adyacentes encuentran una concentración de señal suficientemente alta como para que se pueda activar el receptor específico. En estas células, la activación del receptor de tipo 2 conduce a la acción del regulador maestro específico del tipo celular 2. Este regulador maestro no es activado en la célula 1 porque ésta carece del receptor capaz de interactuar con la señal.

c. Mediante la producción sucesiva de señales entre células, se consigue el patrón 2-1-2 que permitirá el desarrollo armonioso de la vulva. Este es un ejemplo sencillo de cómo la diferenciación celular es coordinada en el espacio y produce así un conjunto coherente.

La respuesta a una señal no es necesariamente de inducción de un tipo celular: también hay señales inhibitorias, y en abundancia. Es posible, a veces, que entre los precursores de la vulva de C. elegans, dos células lleguen a adquirir la identidad de tipo 1. Cuando esto sucede, comienza una competencia entre las dos por la supremacía mediante la producción de señales inhibitorias. Este mecanismo también garantiza la organización 2-1-2, impidiendo situaciones del tipo 2-1-1-2 y, además, ilustra el hecho de que no todas las señales son estimulatorias, sino que la inhibición también juega un papel importante en el desarrollo.

Cómo "se construye" una mosca: cascadas genéticas en Drosophila

En los últimos veinte años, la mosca de la fruta, D. melanogaster se ha convertido en el organismo modelo para el estudio genético del desarrollo.

El proceso básico del desarrollo embrionario temprano reside en el establecimiento de la expresión de los selectores -los genes maestros- que definen el plan anatómico fundamental de la mosca. Estos selectores son muchos pero el estudio del desarrollo temprano permitió comprender que existen sólo cuatro rutas principales relativamente independientes por las que se establece el plan anatómico de la mosca. En cada una de estas rutas, un pequeño grupo de factores inician una cascada de eventos regulatorios, activando una serie de genes maestros; los productos de estos genes regulan, a su vez, otra serie de genes maestros, cuyos productos actúan sobre otra serie de genes subalternos. En cada paso, se establecen, en el embrión, compartimientos cada vez más pequeños en un patrón más detallado. La cascada culmina con el establecimiento correcto de los patrones de expresión de los selectores clave.

Existen tres rutas de desarrollo a lo largo del eje antero-posterior: dos de ellas interactúan de modo que dan forma a la región central, segmentada, del embrión, mientras que la tercera define los extremos no segmentados, tanto anterior como posterior. La cuarta ruta de desarrollo define las diferencias a lo largo del eje dorso-ventral.

Las dos primeras cascadas de activación de genes mencionadas coordinan la formación de la región central del embrión de Drosophila. Esta región se caracteriza por estar dividida en segmentos. Los segmentos tienen un diseño básico común, pero que presenta variaciones de un segmento a otro. Un conjunto de genes es responsable de generar el patrón reiterativo, es decir segmental, del cuerpo de Drosophila. Este conjunto de genes recibe el nombre de genes de polaridad de segmento. Son los responsables de mantener los límites entre los segmentos y son también necesarios para establecer los patrones estructurales comunes a todos los segmentos. Cuando un gen de polaridad de segmento muta, sobreviene un defecto que se repite en cada segmento. Algunos de los genes de polaridad de segmento, pero no todos, son factores de transcripción. Otro conjunto de genes es responsable de las variaciones que diferencian un segmento del otro. Estos son los selectores homeóticos. Cuando un selector homeótico muta, el resultado fenotípico es que un segmento asume el aspecto de otro.

Antes de ser fertilizado, un gameto femenino de Drosophila, como los de posiblemente todas las especies, contiene abundante material citoplasmático provisto por la madre. Entre estas moléculas se encuentran también una serie de moléculas de mRNA que encierran las primeras instrucciones del desarrollo del embrión. Esta circunstancia implica que los primeros pasos del desarrollo de una mosca no están dirigidos por sus propios genes, sino por los genes de su madre. Genes con este tipo de efecto reciben el nombre de genes de efecto materno.

Los productos proteicos de ciertos genes maternos, denominados morfógenos, se encuentran asimétricamente distribuidos en el citoplasma del huevo. Hacia el extremo que luego será el anterior, existen altas concentraciones de una proteína llamada Bicoid. Hacia el extremo posterior, hay altas concentraciones de una proteína llamada Nanos. La concentración de ambas proteínas decrece al alejarse de los extremos, formando gradientes de concentración.

La acción de los morfógenos y su traducción en un patrón de expresión génica nos da un ejemplo concreto de cómo la activación localizada de reguladores maestros puede coordinarse en el espacio y, así, dar un todo coherente. Los morfógenos Bicoid y Nanos esencialmente crean un sistema de coordenadas con valores precisos de concentraciones en el eje antero-posterior. Estos valores son leídos por sistemas que expanden y elaboran las diferencias iniciales, pero la polaridad está dada desde el principio por el gradiente de concentraciones, y es ésta la que establece la coordinación de la anatomía del organismo.

Otra observación importante es la organización jerárquica de los procesos del desarrollo. En la cúspide de la jerarquía que analizamos anteriormente se encuentran los dos morfógenos Bicoid y Nanos, le siguen los genes gap, los pair-rule, los selectores homeóticos y los genes de polaridad de segmento. Esta organización jerárquica sigue extendiéndose hacia abajo. No podemos saber hasta dónde se extiende la cascada regulatoria, pero sí sabemos que en el nivel más bajo se encuentra el conjunto de genes estructurales como los que codifican para proteínas como la actina, la queratina y la hemoglobina. Estos genes ejecutan la diferenciación celular, dándole a cada célula y tejido las propiedades físicas, químicas y biológicas que los caracterizan.

Cascada de regulación génica en la embriogénesis del eje antero-posterior de Drosophila .

El plan anatómico de los insectos se caracteriza, en el eje antero-posterior, por estar dividido en segmentos (dependientes de la actividad de los genes de polaridad de segmento). Cada segmento muestra especializaciones propias que dependen de la acción de los selectores homeóticos.

El establecimiento del plan anatómico es el resultado de una cascada de reguladores génicos, organizados jerárquicamente. Al tope de la jerarquía se encuentran los morfógenos depositados por los tejidos de la madre. Los genes que codifican estos morfógenos, y muchos otros genes maternos necesarios para la acción de los primeros, reciben el nombre colectivo de genes de coordenadas maternos. Estos genes son necesarios para la correcta expresión de los genes gap, los cuales se expresan en bloques o dominios contiguos a lo largo del embrión.

A su vez, combinaciones de proteínas codificadas por genes gap y por los genes de coordenadas maternos, promueven la expresión de genes pair-rule en siete bandas discretas. Los genes pair-rule son numerosos y sus productos de expresión se solapan. Combinaciones particulares de proteínas pair-rule promueven la expresión de genes de polaridad de segmento.

Los selectores homeóticos son activados en sus dominios específicos por la acción combinada de los productos de todos los demás genes. Muchos de estos genes, además, regulan a otros dentro de la misma categoría, incluso a sí mismos (autorregulación).

Desarrollo temprano en vertebrados: inducciones sucesivas

La mayor parte de los experimentos llevados a cabo en vertebrados han sido realizados en anfibios porque sus huevos son grandes, no tienen cáscara y son de fácil manipulación. En aves, reptiles y mamíferos, en cambio, el embrión se encuentra inaccesible dentro de la cáscara o del útero.

El desarrollo de un anfibio comienza antes de la fecundación. El gameto femenino tiene una distribución asimétrica de sustancias, la cual es incluso visualmente evidente: una mitad es incolora y la otra contiene un pigmento oscuro.

Poco después de la fertilización aparece, en la zona donde las mitades se juntan, pero sólo en un costado, una tercera zona: una delgada franja llamada medialuna gris. Las tres zonas contienen diferentes sustancias que incluyen mRNA específicos. Al producirse las primeras divisiones celulares, se producen células diferentes debido al mecanismo de segregación de factores citoplasmáticos.

Cada una de las zonas establecidas en el gameto femenino dará lugar a diferentes estructuras del embrión. Las células que reciben el material incluido en la medialuna gris son especiales: ellas no contribuirán físicamente a muchas estructuras, pero su presencia es indispensable para el desarrollo de muchas de las partes del embrión.

El material de la medialuna gris es capaz de inducir el desarrollo de muchas de las estructuras anatómicas, a pesar de que las células que lo contienen no forman parte en sí de esas estructuras.

Experimento que demuestra la importancia del citoplasma de la media luna gris en el desarrollo.

La importancia del citoplasma de la media luna gris en el desarrollo fue demostrada al separar las dos células formadas por la primera segmentación del huevo. Cuando el huevo de la izquierda se dividió, la mitad del citoplasma de la media luna gris pasó a cada una de las dos células nuevas. Cuando estas células fueron separadas una de otra, cada una formó un embrión completo. La primera segmentación del huevo de la derecha dio como resultado que todo el citoplasma de la media luna gris quedara en una célula. Cuando estas células fueron separadas, la que no tenía media luna no se desarrolló.

Las células que contienen el material de la medialuna gris -que forman el centro de Nieuwkoop- producen ciertas señales químicas que promueven cambios en sus vecinas. Como resultado de esos cambios, un conjunto de células -que forman el organizador de Spemann - comienza a expresar ciertos genes entre los que se encuentran aquellos que codifican una segunda generación de señales y "organizan" así a las células vecinas en un embrión casi completo.

Experimento que muestra la actividad del organizador.

La actividad del organizador se puede comprobar en el sigyuiente experimento: a) El labio dorsal del blastoporo de un embrión de anfibio se injerta en otro embrión. b) El labio dorsal injertado induce la formación de un segundo blastoporo, a través del cual el tejido injertado se mueve al interior del embrión durante la gastrulación. c) A medida que prosigue el desarrollo, se forman dos conjuntos de estructuras embrionarias, y d) se produce un embrión doble.

La señal emitida por las células del organizador de Spemann tiene efectos variados dependiendo de qué células la reciban. La epidermis que recibe la señal del organizador sufre cambios espectaculares, generando una estructura en forma de tubo, la cual posteriormente formará la médula espinal del sistema nervioso. Como este tubo -el tubo neural- es obviamente más largo que ancho, define un eje: uno de sus extremos define la cabeza y el otro la cola del embrión. Su posición también define el lado dorsal del embrión. Así, la posición del organizador y de las moléculas que produce establecen la polaridad en dos ejes en el embrión.

Parte de las células del organizador forman más tarde la notocorda, una masa apretada de células de forma cilíndrica que corre a lo largo del eje antero-posterior, justo por debajo del tubo neural. La notocorda también produce señales. Estas señales inducen cambios en la parte ventral del tubo neural, la cual, a su vez, produce otras señales que inducen cambios en algunas células de la parte dorsal del tubo neural. Mediante estos procesos, el tubo neural es dividido en varias zonas con propiedades y destinos distintos. La cascada continúa y, en cada paso, un conjunto de células es dividido en varios conjuntos con identidades distintas, posicionados en el lugar adecuado con respecto a las demás estructuras. Cada zona expresa reguladores maestros distintos y constituye, entonces, un compartimiento. El mecanismo que garantiza la coordinación espacial de las estructuras está basado fundamentalmente en la emisión de señales químicas que actúan a cortas distancias.

El proceso de desarrollo de los vertebrados puede ser descripto de manera simplificada como una cascada de inducciones jerárquicas en la que, a cada paso, se aumenta el número de reguladores maestros encendidos. La diferencia inicial es una distribución asimétrica de factores citoplasmáticos.

Conservación y evolución en los genes del desarrollo

La morfología final de un organismo es el resultado de la ejecución de su programa genético de desarrollo. Los cambios en la morfología que vemos en distintas especies se deben a cambios en ese programa de desarrollo. Entender la genética del desarrollo significa dar luz a una de las áreas más intrigantes de la biología evolutiva que plantea numerosos interrogantes: ¿Cómo surgieron las diferentes estructuras anatómicas que vemos hoy? ¿Qué cambios en el desarrollo pueden hacer que un miembro crezca como una pata y no como una aleta? ¿Qué genes sufrieron mutaciones o qué relaciones entre genes se modificaron en el curso de la evolución y dieron lugar a un ala, una mandíbula o un ojo? La investigación de la evolución a nivel morfológico ha tenido un enorme impulso por parte de la genética del desarrollo en los últimos años; una de sus metas más ambiciosas es entender el surgimiento de las llamadas novedades anatómicas.

La organización jerárquica de los programas genéticos de desarrollo es sumamente atractiva en el sentido que sugiere que mutaciones puntuales pueden conducir a reordenamientos profundos del plan anatómico de un organismo. Es suficiente con que mute un gen regulador maestro en lo alto de la jerarquía para que una multitud de genes subalternos modifique su acción. Las mutaciones homeóticas fueron siempre favoritas entre los biólogos por su posible efecto pleiotrópico sobre muchos otros genes. Para establecer cómo han cambiado los programas genéticos en el curso de la evolución, es necesario realizar estudios comparativos de esos programas en distintos organismos. Esta tarea no es sencilla, por el simple hecho de que, para entender el programa genético es necesario estudiar cientos de genes, y el estudio de cada uno de ellos requiere un enorme esfuerzo. Esta es la razón por la cual sólo unos pocos organismos son conocidos con cierto detalle a nivel genético. Afortunadamente, la biología molecular nos da una mano allí donde la genética encuentra su límite.

Uno de los primeros estudios del desarrollo a nivel molecular, ahora paradigmático, fue el realizado a principios de la década de 1980. Se sabía entonces que los selectores homeóticos se encontraban agrupados en paquetes en un cromosoma de Drosophila.

Mediante hibridaciones con sondas moleculares, los investigadores encontraron una corta secuencia de DNA que se repetía, casi sin variación en todos los selectores homeóticos; la llamaron homeobox. Se descubrió más tarde que el homeobox expresa una secuencia de aminoácidos capaz de unirse al DNA y así regular la transcripción.

No sólo todos los animales contienen gran variedad de genes con secuencias homeobox, sino que todos ellos tienen selectores homeóticos. Los estudios genéticos en ratón, el gusano C. elegans, e insectos demuestra que la función de los selectores homeóticos de establecer regiones en el eje antero-posterior está fabulosamente conservada a lo largo de la evolución.

Si muchos de los genes que componen los programas genéticos son los mismos en distintas especies, ¿qué hace diferentes a estos programas de manera que produzcan formas tan disímiles? En primer lugar, el hecho de que muchos genes estén conservados no significa que todos los estén. En segundo lugar, hay evidencias que parecen indicar que las diferencias entre los programas genéticos de desarrollo no yacen fundamentalmente en los elementos de esos programas (los genes) sino en cómo éstos interactúan unos con otros. Un factor clave parece ser cuándo y dónde se expresan los genes del desarrollo. Por ejemplo, todos los artrópodos tienen los mismos ocho selectores homeóticos, pero los crustáceos y los insectos difieren en cuanto a cuáles y cuántos segmentos expresan determinados selectores homeóticos. Es posible que buena parte de la evolución morfológica, cuyo resultado es la variedad de formas que vemos a nuestro alrededor, sea el resultado de mutaciones en las regiones promotoras (regulatorias) de los genes y no en los genes mismos.

Desarrollo de plantas

Así como ocurrió en el caso de los animales, los investigadores de la genética del reino vegetal se han dedicado al estudio de algunos organismos modelo en los cuales se concentra la mayor parte de las preguntas. Uno de los modelos más estudiados es una pequeña planta llamada Arabidopsis thaliana, escogida por su pequeño genoma y su fácil cultivo. Sin embargo, por razones comerciales, se utilizan también otros modelos tradicionales como el maíz y el tabaco.

El cigoto de Arabidopsis se divide varias veces hasta formar un embrión con dos polos: uno dará origen al meristema del tallo y otro al de la raíz. El embrión tiene, además, otras estructuras como los cotiledones, que son las primeras hojas con las que la plántula obtendrá su energía del Sol. Ya la primera división celular de Arabidopsis es asimétrica, tanto en lo que se refiere a la morfología de sus células como a los genes que expresan, pero no se conocen cuáles son los mecanismos que establecen estas asimetrías. Se han identificado a varios genes que participan en el desarrollo embrionario.

Los meristemas son los grandes arquitectos de la estructura de las plantas. Cuando las células de un meristema de tallo se dividen, algunas de las células hijas se diferencian en estructuras particulares, mientras que otras permanecen indiferenciadas.

Los meristemas de tallos y raíces no son los únicos meristemas existentes. En Arabidopsis, en cierto momento de su desarrollo, se produce un meristema de inflorescencia, el cual genera hojas de morfología particular, y una serie de meristemas de inflorescencia secundarios. Los meristemas de inflorescencia, tarde o temprano, adquieren una nueva identidad y dan lugar a flores en lugar de hojas y internudos, como ocurre en el crecimiento vegetativo. Cuando esto sucede se los llama, naturalmente, meristemas florales. La transición de un tipo de meristema a otro está mediada por distintos genes que controlan la identidad del meristema.

Genes homeóticos de las plantas que establecen la identidad de los órganos florales.

Existen cuatro órganos florales en forma de anillos concéntricos, de afuera hacia adentro: sépalos, pétalos, estambres y carpelo. La identidad de cada pieza está establecida por combinaciones de reguladores maestros. Las células que sólo expresan el gen Apetala2 se desarrollan en forma de sépalos. Las células que acumulan los productos de los genes Apetala2 y Apetala3 siguen la ruta del desarrollo que culmina en pétalo. Aquellas que combinan Apetala3 con Agamous se desarrollan como estambres y, las que sólo contienen el regulador maestro codificado por el gen Agamous forman el carpelo. Si alguno de estos patrones de expresión cambia, también cambiarán las células que expresan ciertas combinaciones y sobrevendrán transformaciones homeóticas.