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Contenido principal

Genes homeóticos

Los genes homeóticos controlan el desarrollo de segmentos o estructuras completas del cuerpo. Cuando faltan o son demasiado activos, ¡pueden suceder cosas extrañas!

Puntos más importantes

  • Los genes homeóticos son genes reguladores maestros que dirigen el desarrollo de estructuras o segmentos particulares del cuerpo.
  • Cuando los genes homeóticos están sobreactivados o inactivados por mutaciones, pueden desarrollarse estructuras del cuerpo en el lugar equivocado, ¡a veces de forma dramática!
  • La mayoría de los genes homeóticos animales codifican factores de transcripción que contienen una región llamada homeodominio y se llaman genes Hox.
  • Los genes Hox se activan por una cascada de genes reguladores; las proteínas codificadas por los primeros genes regulan la expresión de los genes posteriores.
  • Los genes Hox se encuentran en muchos animales, como las moscas de la fruta, los ratones y los seres humanos. Mutaciones en genes Hox humanos pueden causar trastornos genéticos.

Introducción

¿Cuántas patas tiene una mosca de la fruta? Incluso si no estás particularmente interesado en las moscas de la fruta, tal vez sepas que los insectos suelen tener seis patas en total —en comparación con las ocho patas de las arañas, por ejemplo. Tal vez también hayas notado que las patas de una mosca generalmente crecen de la parte media de su cuerpo, su tórax, y no de su cabeza u otra parte.
Crédito de la imagen: versión modificada de Drosophila melanogaster, por Madboy74 (CC0/public domain)
¿De qué depende esta organización ordenada de las partes del cuerpo en algo tan minúsculo como una mosca? Resulta que hay un conjunto de genes reguladores maestros que se expresan en diferentes regiones del cuerpo de una mosca durante el desarrollo. Estos genes activan el "programa genético" adecuado para el desarrollo de cada sección del cuerpo. Se aseguran de que, por ejemplo, el tórax de la mosca lleve las patas y no su cabeza.
En este artículo, veremos de cerca estos y otros genes homeóticos, también llamados genes selectores. Por definición, estos son genes que "seleccionar" la identidad de segmentos o estructuras completas en los cuerpos de los organismos en desarrollo.

Mutaciones homeóticas en moscas de la fruta

Los genes homeóticos son responsables de determinar la identidad de segmentos o estructuras particulares del cuerpo. Por lo tanto, cuando los genes homeóticos se inactivan o se expresan en lugares inusuales debido a mutaciones, pueden causar que segmentos del cuerpo adopten nuevas —¡y a veces sorprendentes!— identidades.
Como ejemplo, veamos un gen homeótico llamado Antennapedia. Normalmente, Antennapedia se expresa en lo que será el segundo segmento del tórax de una mosca desde que la mosca es un embrión diminuto y persiste hasta que la mosca es adulta. Allí, el gen actúa como un regulador maestro activando el programa genético que produce el segundo par patas de la mosca y otras estructuras específicas del segmento.
Crédito de la imagen: versión modificada de Genes Hox de la mosca de la fruta, de PhiLiP, dominio público
Si Antennapedia se mantiene dónde debe estar y hace su trabajo, obtenemos una mosca bonita y normal en apariencia con todos sus apéndices en el lugar correcto. ¿Pero qué sucede si una mutación genética causa que la expresión del gen Antennapedia se expanda a la cabeza de la mosca? Este tipo de mutación ¡causa que crezcan patas en la cabeza de la mosca en lugar de antenas! En otras palabras, el gen activa su programa de desarrollo normal del patas en el segundo segmento, pero en la parte equivocada de la mosca.1
Crédito de la imagen: versión modificada de Mutación Antennapedia por toony, CC BY-SA 3.0. La imagen modificada se encuentra bajo una licencia CC BY-SA 3.0
Otro gen homeótico de la mosca con efectos dramáticos es el gen Ultrabithorax. Este gen se expresa fuertemente en el tercer segmento del tórax, que contiene el último par de patas de la mosca. La expresión de Ultrabithorax en esta región de la mosca comienza en etapas tempranas del desarrollo y continúa durante toda la vida de la mosca.
Crédito de la imagen: versión modificada de Genes Hox de la mosca de la fruta, de PhiLiP, dominio público
Las alas, por lo general, solo se forman en el segundo segmento del tórax, no en el tercero, donde en su lugar se forman pequeñas estructuras llamadas halterios que ayudan al equilibrio de la mosca. El trabajo de Ultrabithorax es reprimir la identidad del segundo segmento y la formación de alas en el tercer segmento. Cuando Ultrabithorax se inactiva en el tercer segmento durante el desarrollo debido a mutaciones, los halterios se convierten en un segundo conjunto de alas, ordenadamente colocadas detrás del par normal.1
Crédito de la imagen: versión modificada de Drosophila melanogaster, por Madboy74 (CC0/public domain); basada en una imagen similar de P. A. Otto2

Resumen sobre los genes Hox de la mosca de la fruta

Antennapedia y Ultrabithorax no son los únicos genes homeóticos en la mosca de la fruta. De hecho, hay un conjunto de genes homeóticos diferentes que actúa en diferentes regiones del cuerpo de la mosca, asegurando que cada segmento adopte su identidad correcta. Estos genes se suelen expresar en las regiones que regulan desde etapas tempranas del desarrollo embrionario y continúan expresándose en la mosca adulta.
El siguiente diagrama muestra ocho de los principales genes homeóticos en moscas. La parte superior del diagrama muestra dónde se expresa cada gen con más fuerza en la mosca adulta, mientras que la parte inferior del diagrama muestra dónde se encuentran los genes en el cromosoma. El orden de los genes en el cromosoma refleja su orden aproximado de expresión a lo largo del eje cabeza-cola de la mosca.
La marca de pausa (//) en el cromosoma indica que estos dos cúmulos de genes están separados por una larga región que los interrumpe y no se muestra. Crédito de la imagen: modificada de Genes Hox de la mosca de la fruta, por PhiLiP, dominio público
¿Qué son exactamente estos genes homeóticos? Cada gen codifica un factor de transcripción que se expresa en una región específica de la mosca desde las etapas tempranas en las que comienza su desarrollo como embrión. Los factores de transcripción cambian la expresión de genes blanco para activar el "programa" genético adecuado para cada segmento.
Los factores de transcripción homeóticos mostrados en el diagrama anterior contienen todos una región de proteína de unión al ADN llamada homeodominio, que es codificada por un segmento de ADN llamado homeobox. Debido a que contienen un homeobox, los genes homeóticos de esta clase a veces se llaman genes Hox por comodidad.

¿Cómo se encienden los genes Hox de una mosca?

Los genes Hox necesitan ser regulados cuidadosamente. Como aprendiste en párrafos anteriores, una regulación ligeramente descuidada puede resultar en cosas como alas extras o patas en lugar de antenas, ¡bastante malos ambos casos para la supervivencia de una mosca de la fruta en la naturaleza! Entonces, ¿cómo es que estos genes se expresan en la parte correcta del embrión en desarrollo?
Para responder esta pregunta, veamos rápidamente las primeras etapas del desarrollo de un embrión de mosca. Los patrones genéticos establecidos en el huevo de mosca —antes de que el embrión sea incluso un embrión— sientan las bases para la planeación del cuerpo de la mosca. Durante el desarrollo, el cuerpo de la mosca se esboza de forma muy general, comenzando con el extremo de la cabeza por aquí, el extremo de la cola por allá. Luego, la estructura se refina gradualmente, primero en sectores amplios, luego en secciones más pequeñas y finalmente en segmentos reales del cuerpo.
En este proceso participan diferentes tipos de genes con patrones de expresión cada vez más limitados y específicos. En términos generales, los grupos que actúan en etapas tempranas regulan los grupos que actúan en etapas más tardías en una especie de efecto dominó molecular. Los genes Hox se activan en lugares específicos durante la actividad de los genes en esta cascada.
Los genes de la cascada del desarrollo temprano incluyen los siguientes grupos:1,2
  • Genes de efecto materno, genes cuyo ARNm lo coloca la madre mosca en el óvulo antes de la fecundación. Algunos de los ARNm están "atados" al extremo de la cabeza o la cola del embrión y son los responsables de establecer la polaridad cabeza-cola. Los genes de efecto materno codifican reguladores de la transcripción o la traducción que se ejercen control entre sí y sobre otros genes.1
    Crédito de la imagen: versión modificada de Figura 6. Predicción de módulo dentro de la red de genes de segmentación por Mark D. Schroeder et al.3, CC BY 4.0
  • Genes gap nombrados apropiadamente —'gap', brecha. Si no hay genes gap presentes debido a una mutación, se produce una gran brecha en la larva de la mosca: le falta un pedazo grande de sus segmentos normales.1,4 Los genes gap se activan por interacciones con los productos proteicos de los genes de efecto materno y se regulan mutuamente. Estos genes son responsables de definir regiones grandes de varios segmentos en la mosca, los que faltan cuando el gen está mutado.
    Crédito de la imagen: versión modificada de Figura 6. Predicción de módulo dentro de la red de genes de segmentación por Mark D. Schroeder et al.3, CC BY 4.0
  • Genes de la regla par. Estos se activan por interacciones entre genes gap y sus patrones de expresión se ajustar al interactuar entre ellos. Aparecen en varias "franjas" a lo largo del embrión con patrones similares a los segmentos de la musca adulta, pero ligeramente desajustados.5 Cuando falta un gen de la regla par debido a mutación, hay una pérdida de estructuras en las regiones de segmentos donde el gen se expresa normalmente.
    Crédito de la imagen: versión modificada de Figura 6. Predicción de módulo dentro de la red de genes de segmentación por Mark D. Schroeder et al.3, CC BY 4.0
Entonces, ¿dónde entran los genes Hox? Los genes Hox se activan en patrones específicos por la acción de los productos proteicos de los genes gap y los genes de la regla par. Sus patrones de expresión se ajustan —por medio de los productos de estos genes y mediante interacciones con otras proteínas Hox— a medida que se desarrolla el embrión.
Crédito de la imagen: versión modificada de Figura 6. Predicción de módulo dentro de la red de genes de segmentación por Mark D. Schroeder et al.3, CC BY 4.0

Muchas especies animales tienen genes Hox.

Los genes Hox no son exclusivos de moscas de la fruta. De hecho, los genes Hox se encuentran en muchas especies de animales diferentes, entre ellos ratones y seres humanos. ¡Sí, tú tienes tus propios genes Hox! La presencia de genes Hox similares en diferentes especies refleja la existencia de ancestros comunes: es probable que un cúmulo de genes Hox ya estuviera presente en un ancestro común de ratones, moscas, seres humanos y otros grupos de animales.
No solo los genes Hox se encuentran en muchas especies animales diferentes, sino también tienden a estar en el mismo orden en el cromosoma en todas estas especies. Como en las moscas, este orden se correlaciona aproximadamente con las partes del cuerpo cuyo desarrollo controla cada gen. Debido a que esto sucede con tal consistencia, los científicos piensan que eso probablemente no es una coincidencia y que puede tener una importancia funcional.5
En vertebrados como ratones y seres humanos, los genes Hox se han duplicados durante la historia evolutiva y ahora existen como cuatro cúmulos de genes similares etiquetados de A a D:
Crédito de la imagen: versión modificada de Características del reino animal: Figura 4 por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0, Con ediciones basadas en Lappin et al.6
En general, los genes de diferentes cúmulos trabajan en conjunto para establecer la identidad de los segmentos del cuerpo a los largo del eje cabeza-cola. Es decir, los genes que están hacia el inicio del cúmulo —más cerca del uno en el diagrama— tienden a especificar estructuras en el extremo de la cabeza del organismo y los genes que están hacia el final del cúmulo —cerca del 13 en el diagrama— tienden a especificar estructuras cercanas al extremo de la cola.
Sin embargo, la duplicación de genes ha permitido que algunos genes Hox asuman roles más especializados. Por ejemplo, muchos genes Hox que están cerca del final del cúmulo actúan específicamente en el desarrollo de las extremidades de los vertebrados —brazos, piernas o alas— como se muestra en la figura de la mujer anterior. Mutaciones en HoxD13 en seres humanos pueden causar un trastorno genético llamado sinpolidactilia, en el que las personas nacen con dedos adicionales en manos o pies que también pueden ser fusionados.7
Crédito de la imagen: versión modificada de Sinpolidactilia por S. Malik, CC BY 2.0; originalmente de una publicación de Malik et al.3
El cúmulo Hox es un gran ejemplo de cómo los genes del desarrollo pueden ser tanto conservados como modificados con el paso de la evolución, en particular cuando se copian por una duplicación. Los genes Hox también muestran cuán poderoso puede ser un gen del desarrollo, especialmente cuando es un factor de transcripción que activa o desactiva muchos genes blanco para ejecutar un determinado "programa" genético.

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