14.6: Genes Homeobox

El desarrollo de insectos (Drosophila) y ranas (Xenopus) pasa por tres fases bastante diferentes (aunque a menudo superpuestas): (1) estableciendo los ejes principales (dorsal-ventral; anterior-posterior; izquierda-derecha). Esto se hace mediante gradientes de ARNm y proteínas codificadas por los genes de la madre y colocadas en el óvulo por ella. (2) Establecer las partes principales del cuerpo como la notocorda y el sistema nervioso central en vertebrados y los segmentos en Drosophila Estos están dirigidos por genes del propio cigoto.

Ahora busquemos pistas sobre cómo se hace el trabajo final del embrión. Examinaremos cuatro ejemplos:

1. la formación de alas (en Drosophila)
2. la formación de piernas (también en Drosophila)
3. la formación de los huesos (radio y cúbito) de la extremidad frontal en mamíferos (ratones)
4. la formación de ojos (probablemente en todos los animales)

Alas

El plano corporal del insecto consiste en cabeza, tórax y abdomen. El tórax se construye a partir de tres segmentos, T1, T2 y T3. Cada uno lleva un par de patas; de ahí que los insectos sean criaturas de seis patas. En la mayoría de los órdenes de insectos, T2 y T3 llevan cada uno un par de alas (la abeja es un ejemplo). Sin embargo, las moscas pertenecen al orden de los insectos dípteros; tienen solo un par de alas (en T2). El tercer segmento torácico, T3, lleva en cambio un par de órganos equilibrantes llamados halteres.

Figura 14.6.1 Moscas con haltere Fig.14.6.2 Moscas con haltere reemplazadas por un segundo par de alas

En Drosophila, un gen llamado Ultrabithorax (Ubx) actúa dentro de las células de T3 para suprimir la formación de alas. Al crear una doble mutación en el gen Ultrabithorax (en sus intrones, como resultó), el profesor E. B. Lewis de Caltech pudo producir moscas en las que los halteres habían sido reemplazados por un segundo par de alas. Ultrabithorax (Ubx) es un ejemplo de un "gen selector”. Los genes selectores son genes que regulan (encienden o apagan) la expresión de otros genes. Así, los genes selectores actúan como "interruptores maestros" en el desarrollo.

Las alas y todas sus estructuras asociadas son piezas complicadas de maquinaria. Sin embargo, las mutaciones en un solo gen, fueron capaces de provocar la reprogramación de la construcción de T3 (y privaron a las moscas de su capacidad para volar). Los genes selectores codifican factores de transcripción. Ultrabithorax codifica un factor de transcripción que normalmente se expresa a niveles altos en T3 (así como en el primer segmento abdominal) de Drosophila.

Estas fotografías fueron tomadas por, y amablemente suministradas por, el profesor Lewis. Ha pasado toda su carrera estudiando genes selectores en Drosophila. La obra de su vida fue honrada cuando compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 1995.

Piernas

Otro gen selector, llamado Antennapedia (Antp), normalmente se enciende (expresa) en el tórax y se “apaga” (reprime) en las células de la cabeza. Sin embargo, las mutaciones en Antp pueden hacer que se encienda en la cabeza y forme un par de patas donde normalmente estarían las antenas.

Cuando se consideran los muchos genes que deben estar involucrados en la construcción de una estructura compleja como una pata (o ala) de un insecto, es notable que un solo gen pueda encenderlos a todos. También es claro que una vez que un gen selector se “enciende” en ciertas células del embrión, permanece “encendido” en todas las células derivadas de esas células. Esas células se comprometen irrevocablemente a llevar a cabo el programa genético que conduzca a la formación de una pierna o ala.

Homeobox Genes

La mayoría de los genes selectores, incluidos Antp y Ubx, son genes homeobox

Antp, Ubx y varios otros genes selectores han sido clonados y secuenciados. Todos ellos contienen dentro de sus regiones codificantes una secuencia de unos 180 nucleótidos llamada homeobox. Los aproximadamente 60 aminoácidos codificados por la homeobox se denominan homeodominio. Se media en la unión de ADN por estas proteínas. Muchas proteínas que contienen homeodominios han demostrado ser factores de transcripción; probablemente todas lo son.

Figura 14.6.3: Homeodominios

La tabla muestra la secuencia de 60 aminoácidos en el homeodominio de la proteína codificada por el gen homeobox de Drosophila Antennapedia (Antp) en comparación con el homeodominio codificado por el gen de ratón HoxB7; por bicoide (bcd), otro gen homeobox en Drosophila; por goosecoide, un gen homeobox en Xenopus; y por mab-5, un gen homeobox en la lombriz intestinal Caenorhabditis elegans. Un guión indica que el aminoácido en esa posición es idéntico al del dominio homeobox de Antennapedia. Tenga en cuenta que la homeobox de ratón en HoxB7 difiere de la homeobox Antp por solo dos aminoácidos (a pesar de que han pasado unos 700 millones de años desde que estos animales compartieron un ancestro común). HoxB6, utilizado en el experimento descrito en la siguiente sección, difiere de Antp en solo 4 aminoácidos.

El Clúster Hox

Antp y Ubx son dos de los 8 genes homeobox que están unidos en un grupo en un cromosoma de Drosophila. Todos ellos codifican factores de transcripción, cada uno con un homeodominio de unión a ADN y actúan en zonas secuenciales del embrión en el mismo orden en que ocurren en el cromosoma! Todo el grupo se designa HOM-C con laboratorio, Pb, Dfd, Scr y Antp pertenecientes al complejo ANT-C y Ubx, Abd-A y Abd-B designados BX-C complejo, Todos los animales que han sido examinados tienen al menos un racimo de Hox. Sus genes muestran una fuerte homología con los genes en Drosophila. Ratones y humanos tienen 4 cúmulos de Hox (un total de 39 genes en humanos) ubicados en cuatro cromosomas diferentes.

• En ratones: HoxA, HoxB (mostrado aquí), HoxC, HoxD
• En humanos: HOXA, HOXB, HOXC, HOXD

Al igual que en Drosophila, actúan a lo largo del embrión en desarrollo en la misma secuencia que ocupan en el cromosoma. Todos los genes en los grupos de Hox de mamíferos muestran cierta homología de secuencia entre sí (especialmente en su homeobox) pero una homología de secuencia muy fuerte con los genes equivalentes en Drosophila. HoxB7 difiere de Antp en solo dos aminoácidos, HoxB6 en cuatro. De hecho, cuando el gen HoxB6 de ratón se inserta en Drosophila, puede sustituir a Antennapedia y producir patas en lugar de antenas tal como lo hacen los genes Antp mutantes. Este fascinante resultado indica claramente que estos genes selectores han conservado, a través de millones de años de evolución, su función de asignar posiciones particulares en el embrión, pero las estructuras realmente construidas dependen de un conjunto diferente de genes específicos para una especie en particular.

Figura 14.6.4 HOX

El esqueleto de los mamíferos

La pata delantera del ratón y el brazo de los humanos contienen un solo hueso superior, el húmero, y dos huesos inferiores, el radio y el cúbito. La construcción de todo el brazo, incluyendo los carpos y las falanges de los dedos, está controlada por genes de cúmulos Hox.

Cuando los ratones fueron criados con mutaciones homocigóticas tanto para HoxA11 como para HoxD11, nacieron sin radio ni cúbito en las extremidades anteriores. Aquí, entonces, hay otro ejemplo del poder de los genes selectores para iniciar todo un programa, quizás involucrando cientos de otros genes, para formar una estructura tan compleja como una extremidad anterior. Los ratones que son homocigotos para los genes mutantes HoxA10, C10 y D10 no logran formar una región lumbar y sacro en su columna vertebral (“columna vertebral”). En cambio, estas vértebras desarrollan costillas como las vértebras torácicas por encima de ellas. Sin embargo, si alguno de estos 6 alelos Hox es normal, los ratones se ven mucho menos gravemente afectados. Esto muestra el alto grado de redundancia de estos genes Hox.

Ojos

El ojo compuesto de Drosophila es una maravilla de elementos estructurales organizados con precisión. Nadie sabe cuántos genes se necesitan para hacer el ojo, pero debe ser un gran número. Sin embargo, un solo gen selector, sin ojos (ey) (llamado, como suele ser el caso, por su fenotipo mutante) puede servir como interruptor maestro que enciende toda la cascada de genes necesarios para construir el ojo. A través de la manipulación genética, es posible lograr que el gen sin ojos se exprese en tejidos donde normalmente no se expresa. Cuando la falta de ojos se enciende en celdas destinadas a formar

• las antenas del insecto, los ojos se forman en las antenas
• alas, ojos adicionales se forman en las alas
• piernas, ojos se forman en las piernas.

Los ratones tienen un gen, ojos pequeños (Sey; también conocido como Pax6) que es similar en secuencia al gen sin ojos de Drosophila. Como su nombre indica, también está involucrado en la formación del ojo (aunque la estructura del ojo del ratón es completamente diferente del ojo compuesto de Drosophila).

Sin embargo, las secuencias del gen de ojos pequeños de ratón y los genes sin ojos de Drosophila son tan similares que el gen de ratón puede sustituir al sin ojos cuando se introduce en Drosophila. Entonces, al igual que los genes de los cúmulos de Hox, Drosophila sin ojos y pequeños ojos de ratón han conservado, a través de millones de años de evolución independiente, su función de asignar posiciones particulares en el embrión donde deberían estar ciertas estructuras construido, pero las estructuras realmente construidas dependen de un conjunto diferente de genes específicos para una especie en particular.

Los humanos también tienen un gen que es homólogo a ojos pequeños y sin ojos: se llama aniridia. Aquellos raros humanos que heredan una sola versión mutante de aniridia carecen de lirios en sus ojos.