Genes homeóticos para niños
Los genes homeóticos son genes que participan en el desarrollo de los organismos y que determinan la identidad de los segmentos o partes individuales del embrión en sus etapas iniciales. La función normal de los genes homeóticos consiste en conferir a la célula identidad espacial o posicional inequívoca en diferentes regiones a lo largo del eje anteroposterior del cuerpo. Estos genes indican a la célula si forma parte de la cabeza, del tórax o del torso del individuo.
Los genes homeóticos se activan posteriormente a la expresión de otros genes implicados en el desarrollo. En el caso de Drosophila melanogaster, en primer lugar se expresan los genes de polaridad del huevo, que determinan los ejes anteroposterior y dorsoventral del huevo; después lo hacen los genes de segmentación, que determinan el número y la organización de los segmentos del cuerpo. Los productos de estos genes activan a los genes homeóticos que determinan la identidad de cada segmento.
El término homeótico viene del griego homeo, que significa semejante. Los genes homeóticos reciben este nombre porque tras sufrir una mutación adquieren la capacidad de transformar un segmento de su cuerpo en una réplica de otro. Ejemplos típicos en Drosophila melanogaster son las mutaciones Antennapedia y Bithorax. La primera tiene como resultado la aparición de patas en lugar de las antenas; la segunda provoca la repetición del segmento del tórax, obteniendo dos tórax con sus respectivas alas y respectivos halterios.
Aunque inicialmente se descubrieron en Drosophila melanogaster, los genes homeóticos se han identificado en la mayoría de los seres vivos, incluidos los seres humanos. En estos, al igual que en el resto de los organismos, la mutaciones que afectan a estos genes son responsables de la aparición de alteraciones en el desarrollo corporal.
Los genes homeóticos codifican proteínas que se unen al ADN y cuya función es activar a otros genes. Todos contienen una secuencia muy conservada de 180 nucleótidos, llamada caja homeótica. Esta se traduce en una región de 60 aminoácidos dentro de la proteína que codifican, el llamado homeodominio, que permite la unión de esta proteína reguladora a la doble hélice del ADN. Los genes homeóticos presentan ligamiento físico, es decir, aparecen organizados en complejos o clusters dentro del mismo cromosoma. Muestran colinealidad espacial, es decir, el orden que muestran en el cromosoma corresponde al orden de expresión en el eje anteroposterior de animal. Los genes del extremo 3’ se expresan en la parte anterior del animal, mientras que los situados en el extremo 5’ lo hacen en la parte más posterior del mismo. Existe además colinealidad temporal: los genes de un extremo del complejo se activan en primer lugar y la expresión de los genes se inicia progresivamente a lo largo del cluster hasta que lo hacen los del extremo opuesto.
Hasta el momento se han identificado distintos tipos de genes con caja homeótica: los genes Hox, los genes ParaHox y los genes NK. En vegetales se han localizado genes homeóticos como los genes con cajas MADS de Arabidopsis que controlan el desarrollo floral.
Contenido
Aspectos históricos
Las mutaciones homeóticas se identificaron por primera vez en 1894 cuando William Bateson observó que en ocasiones las partes florales de las plantas aparecían en lugares equivocados. Encontró flores en las que los estambres crecían en el lugar donde solían hacerlo los pétalos.
En 1918 Harrison realizó trasplantes de fragmentos de mesodermo de néurulas de anfibios. Si se trasplantaba mesodermo de la región de los miembros anteriores, el receptor desarrollaba un miembro anterior supernumerario. Harrison observó que si bien el mesodermo tenía en esos embriones la apariencia de una capa uniforme, las células ya sabían de algún modo a qué parte del cuerpo pertenecían.
Tras Harrison numerosos investigadores establecieron con experimentos similares que el mesodermo constituye la capa celular crucial que especifica qué extremo del embrión es la cabeza y cuál es la cola. El mesodermo de la néurula de anfibios se cartografió o subdividió en campos morfogenéticos para varios órganos: branquias, balancines, miembros anteriores, miembros posteriores, cola, etc.
En 1923 Bridges y Morgan aislaron en Drosophila melanogaster un mutante con cuatro alas, llamado Bithorax, demostrando así que las transformaciones homeóticas tenían una base genética. En 1948 Edward B. Lewis descubrió que las transformaciones homeóticas podían deberse a mutaciones en genes individuales, aun cuando se hubieran necesitados cientos de genes activos para desarrollar las alas y las patas en su ubicación anormal. Por consiguiente, era razonable suponer que las mutaciones afectaban a genes rectores que dirigían la actividad de varios genes subordinados.
Lewis descubrió que el par extra de alas en los mutantes era debido a la duplicación de un segmento del cuerpo, el segundo segmento torácico. La inactividad del primer gen del complejo Bithorax en el segmento apropiado larvario hacía que otros genes homeóticos formaran alas en lugar de halterios.
A finales de la década de 1970 Nüsslein-Volhard y Wieschaus secuenciaron los genes homeóticos que controlan el desarrollo del cuerpo de la mosca de la fruta. Observaron que en cada uno de estos genes había una segmento de 180 pares de bases virtualmente idéntico. Esta secuencia proteica se une al ADN y activa el proceso de la transcripción. Mediante el control de la transcripción los genes homeóticos activan del crecimiento y desarrollo de las células.
En 1983 Gehring y William J. McGinnis descubrieron que el gen Antennapedia contenía una secuencia de ADN que se encontraba también en otro gen rector del desarrollo. Esta secuencia se utilizó como sonda para localizar otros genes que contuvieran la misma región aislando, de este modo, otros genes homeóticos. McGinnis descubrió que esta región conservada de ADN también se encuentra en otros invertebrados a la que se denominó homeobox o caja homeótica.
Lewis había observado en Drosophila que los genes homeóticos se encuentran ordenados en los cromosomas agrupados en complejos. Robb Krumlauf y Denis Duboule demostraron que estos genes están dispuestos en un orden preciso en el cromosoma y que este orden se corresponde con el lugar de expresión de los genes en el embrión. Los genes situados en un extremo se expresaban en las regiones anteriores del cuerpo mientras que los situados en el extremo opuesto lo hacían en la región posterior.
En 1995 Lewis, Nüsslein-Volhard y Wieschaus recibieron el premio Nobel por sus trabajos sobre los genes homeóticos.
Estructura y función de los genes homeóticos
Los genes homeóticos aparecen agrupados en complejos (clusters) y codifican proteínas reguladoras que se unen al ADN. Todos ellos tienen una secuencia constante de 180 nucleótidos que en su conjunto se denomina caja homeótica (homeobox). Estas secuencias también se han encontrado en genes de segmentación y en otros que regulan el desarrollo espacial.
Las proteínas que codifican estos genes tienen una región variable cuya secuencia de aminoácidos varía mucho de una especie a otra y una región altamente conservada a lo largo de la evolución en los organismos pluricelulares constituida por 60 aminoácidos y denominada homeodominio. Éste está codificado por la caja homeótica. Estas proteínas actúan como factores de transcripción y tienen la capacidad de unirse a secuencias reguladoras de otros genes como son los intensificadores o enhancers. Los homeodominios se estructuran en varios segmentos helicoidales, de los cuales uno de ellos, la hélice 3, se une al surco mayor del ADN.
Una característica importante de los genes homeóticos es su ligamiento físico. Suelen estar agrupados en el mismo cromosoma formando complejos. A lo largo de la evolución, estos genes han permanecido generalmente agrupados, ya que esta agrupación es esencial para el desarrollo. Estos genes muestran el fenómeno de la colinealidad espacial, es decir, que además de estar en el mismo cromosoma, su orden en el mismo corresponde al orden de expresión en el eje anteroposterior de animal. Los genes del extremo 5’ se expresan en la parte más posterior del animal, mientras que los del extremo 3’ lo hacen en la parte más anterior del animal. También existe una colinealidad temporal. En la mayoría de los animales, los genes de un extremo del complejo se activan en primer lugar y la expresión de los genes se inicia progresivamente a lo largo del complejo hasta que lo hacen los del extremo opuesto.
Los genes homeóticos se encuentran en todas las células del organismo pero solo se manifiestan en determinadas regiones del embrión. Cuando en una determinada zona no se expresa un gen, las células embrionarias experimentan una transformación homeótica, debida a que lo hace otro gen homeótico activo en esas células y que puede reemplazarle con su propia información posicional. Esto sucede, por ejemplo, en la mutación Bithorax de Drosophila. Las mutaciones que hacen que se exprese un gen homeótico en una posición incorrecta provocan también la aparición de transformaciones homeóticas. Así se originan la mutación antennapedia en las moscas adultas, cuando se activa este gen en la cabeza, lugar en el que este gen debe estar inactivo.
Genes homeóticos en plantas: las cajas MADS
Al igual que en los animales, los genes homeóticos también juegan un papel fundamental en el desarrollo de las plantas. Los cambios homeóticos fueron estudiadas en Arabidopsis por Meyerowitz y colaboradores quienes observaron mutaciones en estas plantas que afectaban a la estructura de la flor.
La forma silvestre de esta planta posee cuatro sépalos, cuatro pétalos blancos, seis estambres (cuatro largos y dos más cortos) y dos carpelos fusionados. Los mutantes de clase A tenían carpelos en lugar de sépalos y estambres en lugar de pétalos; los otros verticilos eran normales. Los mutantes de clase B tenían sépalos en el primero y segundo verticilo y carpelos en el tercero y el cuarto. El grupo C tenían sépalos y pétalos en su posición normal, y pétalos en el tercero y sépalos en el cuarto.
Meyerowitz y colaboradores concluyeron que cada clase de mutantes carecía del producto de un gen o de un grupo de genes necesarios para el desarrollo adecuado de la flor. Los mutantes de la clase A carecían de la actividad de los genes A; los de clase B de los genes B y los de clase C de los genes C. De modo semejante a como los genes homeóticos de los animales se expresaban en distintos segmentos, propusieron que los genes de clase A tenían actividad en el primer y el segundo verticilos, los B en el segundo y el tercero y los C en el tercero y el cuarto. Los productos de los genes A hacían que el primer verticilo se diferenciase a sépalos. Los productos de los genes de clase A junto con los B hacían que el segundo verticilo se diferenciara a pétalos. Los genes C y B inducían al tercer verticilo a formar estambres. Los genes C hacían que el cuarto verticilo formara carpelos.
En estudios posteriores se aislaron los genes de cada clase. Hay dos genes de clase A (APETALA 1 y APETALA 2), dos de clase B (APETALA 3 y PISCILATA) y uno de clase C (AGAMOUS). La clonación y secuenciación de estos genes demostró que son genes que funcionan como factores de transcripción cuyos productos afectan a la expresión de otros. Estos contienen unas secuencias específicas, las denominadas cajas MADS, que tienen un papel similar al de las cajas homeóticas de los animales, aunque ambos grupos de genes no son homólogos.
Los genes homeóticos de las plantas regulan el desarrollo de las estructuras de las flores, donde controlan la transición del crecimiento vegetativo al generativo y determinan la identidad del meristemo en la inflorescencia. Los productos de las distintas clases de genes homeóticos interactúan para determinar la formación de los cuatro verticilos que constituyen la flor completa.
Genes homeóticos en el ser humano. Enfermedades
En humanos existen 39 genes Hox localizados en cuatro clusters que se encuentran los cromosomas 2, 7, 12 y 17.
Véase también
En inglés: Hox gene Facts for Kids
