Generación de formas y patrones durante el desarrollo de las

Generación de formas y patrones durante
el desarrollo de las plantas y los animales
Mariana Benítez Keinrad
Instituto de Ecología, UNAM
C3, Centro de Ciencias de la Complejidad
¿Cómo se surgen y evolucionan
las formas de los seres vivos?
¿Cómo se surgen y evolucionan
las formas de los seres vivos?
¿Cuáles son los mecanismos mediante los
cuales la interacción entre factores
moleculares, celulares, organísimicos y
ambientales da lugar a los fenotipos?
¿Cómo se surgen y evolucionan
las formas de los seres vivos?
¿Cuáles son los mecanismos mediante los
cuales la interacción entre factores
moleculares, celulares, organísimicos y
ambientales da lugar a los fenotipos?
¿Cómo afectan cambios en
estos mecanismos la
evolución de las formas?
¿Cómo se surgen y evolucionan
las formas de los seres vivos?
¿Cuáles son los mecanismos que dan lugar a
los fenotipos (formas)?
¿Cómo afectan cambios en
estos mecanismos la
evolución de las formas?
¿Qué aspectos del desarrollo y la
morfogénesis son compartidos por varios
grupos de organismos? ¿cuáles son
específicos?
Embriología comparada
del siglo XIX
• Relaciones de similitud
entre formas y ontogenia
• Búsqueda de un orden
discernible y racional que
relacionara el estudio de la
embriología con la
taxonomía.
Estudios comparativos
Estructuras anatómicas
Secuencias del desarrollo
Simetrías de los organismos
Relaciones partes-todo.
Temas y variaciones
Planteamiento de principios genéricos en
la organización de los seres vivos.
Variaciones de un mismo tema (bauplan,
unidad de tipo, arquetipo).
Teoría de la recapitulación
• Haeckel. ¨La ontogenia
recapitula la filogenia¨: cada
etapa del desarrollo de un
individuo representa la forma
adulta de organismos que
forman parte de su historia
evolutiva (finales del s. XIX).
La ontogenia, o el desarrollo de los
individuos orgánicos, está inmediatamente
determinada por la filogenia o el desarrollo
del grupo orgánico (phylum) al que
pertenece. La ontogenia es una breve y
rápida recapitulación de la filogenia,
determinada por la función fisiológica de la
herencia (reproducción) y la adaptación
(nutrición).
Haeckel 1866, Vol. 2, p. 300
Recapitulación: Haeckel ~1890
• Se
Divergencia de
von Baer
Se oponía a ideas de recapitulación:
El desarrollo comparado es divergente.
El embrión de un animal no es comparable
con la forma adulta de otro organismo.
S. J. Gould llamó a la
visión del desarrollo que
acompañaba a la noción
de recapitulación
desarrollo por adición
terminal
Incompatible con
desarrollo no lineal y no
preformado.
¿Cómo se genera o dónde se encuentra
la información necesaria para que los
organismos se desarrollen?
prefor-epig
Preformacionismo
Swammerdam,
Malpighi, Leeuwenhoek,
Bonnet…
Problema de la
diferenciación y la
formación de patrones
“resuelto”.
Observaciones de
¨animáculos¨ al
microscopio
Hartsoeker, 1964
prefor-epig
Preformacionismo
Swammerdam,
Malpighi, Leeuwenhoek,
Bonnet…
Problema de la
diferenciación y la
formación de patrones
“resuelto”.
Observaciones de
¨animáculos¨ al
microscopio
Hartsoeker, 1694
Epigenetismo
• La información, las estructuras y formas
aparecen a lo largo del desarrollo
• Aristóteles, Harvey, Wolff, Buffon, von
Baer…
• Las primeras explicaciones epigenetistas son
fundamentalmente vitalistas
Problema de los organizadores en vertebrados y
Waddington (~1930) vs. la carrera en busca de
la sustancia organizadora.
Síntesis sin desarrollo
Genética clásica, de poblaciones,
evolución por selección natural
Nueva síntesis: evolución como
cambios en frecuencias de alelos
Genética molecular
Genes homeóticos
¿Y las plantas?
Variación morfológica
Restricciones
Y dale con los
organizadores...
•Genes
sumamente
conservados;
más
que
diferencias en secuencia son las diferencias entre las
interacciones de estos genes con otros y con las
otros factores los que podrían ayudar a explicar la
evolución fenotípica.
• Los genes homeóticos están, en promedio, igual o
más regulados transcripcionalmente que otros
genes; vs. noción de genes maestros.
Organismos
Células
Rutas bioquímicas
Proteínas
Genes
Neo-preformacionismo
La metáfora de los equipos de remo (R.D., 1976)
Los mejores remadores pueden ser seleccionados
generando todas las combinaciones posibles de
equipos e identificando a los individuos que más
frecuentemente estén en equipos ganadores.
En promedio, los mejores hombres ganarán más
carreras.
¨Ahora ellos se aglomeran
en enormes colonias,
seguros al interior de
torpes autómatas […]
Están en tí y en mí, ellos
nos han creado en cuerpo
y mente y su persistencia
es el único motivo de
nuestra existencia […]
Ahora llevan el nombre de
genes y nosotros somos
su medio de
supervivencia.¨
Este enfoque ha aportado:
Comprensión detallada de muchos
procesos moleculares.
Desarrollo de numerosas técnicas.
Desarrollo de aplicaciones en
medicina e ingeniería genética.
Pero…
• Diversos tipos de regulación genética en muchos niveles
• Varios genes, una característica
• Un gen, varias características
• Redundancia
• Asas de retroalimentación
• Propiedades globales distribuidas
• En promedio, los genes homeóticos están tanto o más regulados
que otros genes
• Diversos tipos de regulación genética en muchos niveles
• Varios genes, una característica
• Un gen, varias características
• Redundancia
• Asas de retroalimentación
• Propiedades globales distribuidas
• En promedio, los genes homeóticos están tanto o más regulados
que otros genes
¡No es posible promediar!
Estudiar las partes aisladas no es
suficiente.
Organismos
Ambiente
Organismos
Células
Rutas bioquímicas
Proteínas
Genes
Célula
Rutas bioquímicas
Proteínas
Genes
¿Cómo se genera o dónde se encuentra
la información necesaria para que se
generen y cambien las formas y patrones
que caracterizan a los organismos?
Más sobre información necesaria
para el desarrollo: patrones
morfogenéticos
Tipos celulares
(Kauffman, 1969)
Ejemplo: Arreglos celulares en el tejido vascular
Photo: Hana Zimová
Haz vascular
Wikimedia Commons
Floema (ph)
Procambium (pc)
Xilema (xy)
Sección del tallo
Lehesranta et al 2010
proto-xy
VND
ASL
pc
proto-ph
WOX4
HB8
PXY
APL1
Resultados
Benítez, Hejátko, 2013. PloS ONE
Predicciones novedosas
Expresión de APL
- CK
+ CK
D'Arcy Thompson 1952
Plasticidad: cambios en
el camino
Acer pseudoplatanus
Couturier et al., 2009
Arabidopsis thaliana
Tsukaya, 2002
El medio ambiente y la
plasticidad fenotípica
Efectos del medio ambiente y plasticidad:
el marcaje epigenético como ejemplo
Desarrollo plástico en las plantas
Lira-Medeiros et al., 2010
Kaminsky, ZA, et al. 2009
Geometría y
tamaño
celular
Gr
ad
ie
nt
es
Estímulos
ambientales
Vías de
señalamiento
Comunicación
celular,
proliferacion y
crecimiento
X
Y
Z
Interacciones
mecánicas
Redes de regulación
genética no lineales
¿Primer organismo sintético?
Evolución
Cambio en las proporciones de los carácteres
heredables a través de las generaciones.
La variación y la herencia son necesarios para que
evolucionen los fenotipos, pero... hay muchos
tipos de herencia.
Asas autosostenidas
Actúan como “memoria” de la actividad genética y pueden
contribuir a la transmisión de un estado celular a células hijas.
Estímulo X
Herencia estructural
Copyright © 1994, Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis,
Martin Raff, Keith Roberts, and James D Watson
Stuart and Cole, 1999
Marcaje epigenético del DNA
Los ratones con un transposón
insertado cerca de uno de los
genes asociados a color de la
piel presentan tres tipos de
coloración de piel, cada uno
dependiente del grado de
metilación del transposón.
Los colores de piel y los patrones
de metilación, son heredados a
través de las generaciones.
En el experimento se controló
que los cambios de coloración no
se debieran a mutaciones en el
ADN, ni ha efectos maternos
(intercambio de fetos).
Emma Whitelaw
Estrés
hídrico
Patógenos
UV
E.g. Boyko et al., 2010
Herencia asociada a conducta y aspectos sociales:
El caso de Noruega
Olov Bygren y sus colaboradores encontraron en el
estudio de Överkalix que los nietos de hombres
(pero no mujeres) que estuvieron expuestos en su
preadolescencia a hambrunas a finales del siglo XIX
tenían menos probabilidad de morir por
enfermedades cardiovasculares, mientras que los
nietos de quienes estuvieron expuestos a etapas de
“glotonería” tenían mayor probabilidad de
presentar diabetes y tendían a vivir menos tiempo.
Al controlar para otros factores determinantes de la supervivencia, se
encontró que la gente que asiste a eventos culturales tiene mayor
esperanza de vida.
En otro estudio se halló que existe una asociación significativa entre
las actividades culturales y el estado de salud, aun cuando se controló
para edad, sexo, estado civil, número de hijos, estado laboral, ingresos,
nivel educativo y etnia.
Nuevas formas de relacionar ontogenia y filogenia:
Descripción y comparación de módulos funcionales en
el desarrollo.
Análisis de conservación de estos módulos en distintos
organismos.
Identificación de las características dinámicas,
estructurales y sistémicas que podrían subyacer la
conservación de un patrón o la inovación morfológica.
Propiedades organizativas
• Modularidad
• Robutez
• Plasticidad
• Capacidad de
evolucionar
Modularidad
(reúso y
robustez)
●
Von Dassow y Odell 2003
Abouheif y Wray, 2002
Evo-devo
¿Cómo se originó y ha evolucionado el desarrollo?
¿Cómo afecta el desarrollo a la variación fenotípica?
¿Cómo contribuye el desarrollo a la generación de
novedades fenotípicas?
Eco-devo
¿Cómo interactúan los proceos del desarrollo con el
ambiente?
¿Cómo afecta el desarrollo de los organismos al
ambiente?
Módulos dinámicos generadores de patrones
(MDP o DPMs)
Newman y Bhat, 2009
Constituidos por algunos genes y
moléculas y procesos físicos
genéricos que éstos habilitan, tales
como cohesión, viscoelasticidad,
difusión, interacciones de
activación-inhhibición, procesos
oscilatorios.
Propuestos por Newman y Bhat
(2009) para el caso del desarrollo
de los animales --->
Wikipedia
Los genes y moléculas considerados tienen
efectos en la escala multicelular y movilizan
ciertos procesos físicos.
Newman y Bhat 2009
Módulo de Adhesión diferencial, un ejemplo
Puede generar varias capas celulares.
Compuesto por las cadherinas y otras moléculas importantes para
la adhesión entre células (posiblemente cooptadas de proteínas de
membrana ya presentes en unicelulares). El proceso físico en el
que se basa es el de minimización de tensión superficial: las
células con menor cohesión estarán separadas de las de mayor
cohesión, en ocasiones rodeándolas.
Wikipedia
Schötz et al. 2008
Newman y Bhat proponen que los genes involucrados
en los DPM precedieron al origen de los metazoarios y
adquirieron nuevas funciones únicamente debido al
cambio de escala (unicelular a multicelular) y, gracias a
que estaban a asociados a procesos físicos
generadores de patrones, dieron lugar a una diversidad
de formas.
DMP de inhibición lateral
Puede definir regiones que describen patrones complejos
en los que las células adquieren diferentes tipos.
Sistema de comunicación intercelular mediada por un
ligando (e.g. Notch-delta), que habilita un mecanismo tipo
reacción-difusión generador de patrones.
Evidencia reciente sugiere que este mecanismo podía haber
actuado en ancestros de animales en la escala unicelular,
mediando la alternancia entre estados celulares.
Newman y Bhat 2009
Los DPM constiuyen un lenguaje capaz de dar
lugar a las formas básicas o planes corporales en
los animales.
Newman y Bhat 2009
Modelos integrativos y dinámicos
Brindan un marco para articular
de forma sistemática diversos
tipos de datos experimentales.
Permiten estudiar el
comportamiento del sistema de
estudio en el tiempo y en el
espacio.
Proveen de una herramienta
para llevar a cabo
experimentación in silico.
Permiten entender la dinámica
colectiva de diversos elementos
y dan pie a nuevas predicciones.
Módulo TUR (ligandos
y receptores que
habilitan un sistema
tipo reacción-difusión)
Zhu et al., 2010
Módulos dinámicos
generadores de
patrones en las
plantas
Wikipedia
Las plantas como
sistema modelo:
- Desarrollo
postembrionario
de nuevas estructuras,
órganos y tejidos.
- Desarrollo sumamente
plástico.
- Gran cantidad de
información
disponible y (parcialmente)
desarticulada.
Estudios comparativos en la escala
de la dinámica del desarrollo
Newman y Bhat 2009
Meyerowitz, 2000
Algunas diferencias clave en el desarrollo de
plantas y animales:
- No hay migración
- Determinación del desarrollo y plasticidad
Goethe 1790
Eventos clave en el desarrollo de las plantas
Desarrollo embrionario:
1. Polarización del embrión en el eje apico-basal
2. Formación de los tres tejidos básicos:
dérmico, fundamental y vascular (plantas
vasculares).
Leyser 03
Desarrollo postembrionario:
3. Determinación de la filotaxis
4. Repetición regulada del módulo nodo-internodo
Embrionario
Goethe, 1790
Postembrionario
Módulos dinámicos generadores
de patrones en las plantas
Valeria Hernández
Stuart Newman
Karl Niklas
Hernández-Hernández et al., 2012
Hernández, por aparecer
Hernández, por aparecer
(
Good models allow us to reject our preconceptions;
poor models delude us into believing we have
identified causalities correctly.
Niklas & Spatz, in “Plant Physics”, 2012
)
Algunas pistas y preguntas en evo-devo:
Diversificación debida no sólo a alteración en la expresión génica,
sino también a cambios ambientales y en parámetros de los módulos
generadores de patrones (geometría, tamaño, viscoelasticidad)
Al acoplarse a mecanismos físicos, la variación en la expresión de
pocos genes es suficiente para generar cambios morfológicos.
Estudios comparativos no sólo de genes o familias de genes, sino
también de módulos dinámicos completos. Entonces:
¿Qué DMP son comunes a plantas y animales?
¿Son éstos mecanismos genéricos del desarrollo?
¿Qué módulos son distintos en estos linajes?
Retos:
Plasticidad, interacción con otras vías hormonales,
factores ambientales, e.g. regulación de cambios en
patrones filotácticos en la vida de las plantas.
Combinatoria de DPM y estudios del origen de los planes
corporales y multicelularidad
Algunas referencias
Gracias