TEMA 1 - INTRODUCCIÓ ALS FENÒMENS I PREGUNTES FONAMENTALS DE LA BIOLOGIA DEL DESENVOLUPAMENT I L’EVOLUCIÓ (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2015
Páginas 7
Fecha de subida 14/03/2015 (Actualizado: 21/03/2015)
Descargas 7

Vista previa del texto

TEMA 1 – INTRODUCCIÓ ALS FENÒMENS I PREGUNTES FONAMENTALS DE LA BIOLOGIA DEL DESENVOLUPAMENT I L’EVOLUCIÓ Amb la biologia del desenvolupament volem entendre perquè els animals són com són a nivell de fenotip (color, morfologia...), encara que també podríem parlar de plantes, fongs... Com passem dels gens al que nosaltres podem observar micro/macroscòpicament? Principi bàsic d’evolució 1. En les poblacions tenim variació fenotípica heretable.
2. En els ecosistemes tenim factors ecològics que fan que algunes variants fenotípiques contribueixin més a la propera generació.
3. Els canvis en un llinatge al llarg de les generacions són deguts als dos punts anteriors.
Darwin ja sabia que les especies no havien sigut mai iguals, i que en el passat eren diferents a com les coneixem actualment.
Per entendre l’evolució hi ha que comprendre prèviament què: 1. Quin tipus de variació fenotípica apareix en cada generació. Aquesta, més que una qüestió genètica és una qüestió de biologia del desenvolupament. Partim de que l’evolució és deguda a les mutacions i la selecció natural, la qual actua sobre el fenotip, no sobre el genotip.
El desenvolupament és el que determina: o Com la variació genètica dona lloc a variació fenotípica.
o Quina variació fenotípica és possible.
o Això determinarà amb la selecció natural cap on va l'evolució.
2. Quina d’aquesta variació es selecciona i per què.
Així per entendre l'evolució ens cal entendre el desenvolupament - Per lo menys per a l'evolució del fenotip.
Però clar és sobre el fenotip que actua la selecció natural.
El genotip determina alguns aspectes del fenotip, però no es sap ben bé com ho fa. Els gens han d’interaccionar entre sí i amb les propietats de les cèl·lules per donar un fenotip concret.
Dinàmica Dibuixem un “morfoespai” en 2D, on podem posicionar un cert fenotip en un determinat punt de l’espai. Aquest fenotip estarà basat en dos variables, com per exemple, la llargada i gruix de la pota de cert animal. Tindrem regions que representarem amb diferents colors: - Gris fosc: fenotip accessible degut al desenvolupament.
Blanc: fenotip que no es pot aconseguir amb el genotip que tenim.
Gris clar: distribució dels individus observats amb determinats fenotips.
Negre: fenotips que ens interessen, és a dir, que es seleccionen.
Els que es seleccionen es reprodueixen i després, per mutacions, tant el genotip i fenotip canvien. Per SN només quedaran els quals ens interessen per al medi en el qual es troben els individus; a més, aquesta SN també canvia al llarg del temps: segons la generació, ens interessarà un fenotip o un altre.
Òbviament, el desenvolupament també evoluciona, però més lentament Per als organismes grans, com l’elefant, l’ambient canvia amb molt poa freqüència. En canvi, per a animals petits, com la D. melanogaster l’ambient pot canviar dràsticament d’una generació a una altra.
Definicions - - Llinatge: conjunt d’individus que donen lloc a un cert individu i aquells que sorgeixen a partir d’un sols individu, és a dir, seria el conjunt d’ancestres i descendents d’un individu. El llinatge pot ser lineal o reticular, segons si la reproducció és asexual o sexual respectivament.
Sexe: intercanvi de flux gènic entre individus.
Població: conjunt d’individus que tenen un flux o intercanvi gènic entre ells.
Evolució: canvi en l’estructura(genotip o fenotip) al llarg d’un llinatge.
Desenvolupament: canvi el un mateix individu al llarg de la seva vida, des del moment en el qual és un zigot fins al moment previ a la seva mort.
Fenotip: ho és tot: comportament, morfologia...
Morfologia: distribució dels tipus cel·lulars en l’espai.
Genotip: fenotip en forma del DNA de l’individu.
Biologia evolutiva Es pregunta dos qüestions des de dos punts de vista diferents: - - Genètica evolutiva: tenim dos variants genètiques i estudiem com van canviant al llarg del temps. Aquí serà important la mutació i la SN. El fenotip pot canviar en totes direccions, però en cada generació, els canvis són molt petits. Aquí tot seria gris fosc (segons el que hem comentat uns apartats enrere).
o Les variants venen donades: Com es reemplacen unes a les altres al llarg del temps o La direcció del canvi evolutiu ve de la selecció natural o La variació és ADIRECCIONAL Evolució-Desenvolupament (Evo-Devo): aquí, a part de la mutació i la selecció natura també és important el desenvolupament dels propis individus. Ens interessa com la distribució dels fenotips canvia al llarg del temps.
Sorgeix a partir dels anys 90. Intenta resoldre la següent pregunta: Quines variants són possibles i quines s’han seleccionat? o Les variants NO venen donades, aleshores: per què els fenotips canvien en la direcció que ho fan? o La selecció natural és direccional.
o La variació té “DIRECCIÓ” i aquesta depèn de com funciona el desenvolupament.
El fenomen: el desenvolupament Al llarg del temps, l’ou es transforma en més cèl·lules de diferents tipus cel·lulars que es distribueixen en l’espai d’una manera concreta, no a l’atzar, mitjançant la transformació de patró.
- Tenim una fisiologia perquè tenim una morfologia.
Al llarg del temps o de la vida d’un individu, la complexitat de la distribució dels tipus cel·lulars va augmentant.
Un patró és una distribució concreta de tipus cel·lulars en l’espai.
Les cèl·lules interaccionen entre elles i a més hi ha una regulació gènica. Cada canvi de patró és una transformació de patró, encara que en realitat, tot és un procés continu. A l’hora d’estudiar les transformacions de patrons haurem d’establir nosaltres el patró inicial i el final.
Parlarem de: - Patró: distribució concreta de tipus cel·lulars en l’espai.
Forma: aquí no ens fixem en els tipus cel·lulars.
Territori o domini: conjunt de cèl·lules que tenen alguna cosa en comú, com per exemple, l’expressió de cert gen.
Així tenim tres fenòmens claus en el desenvolupament: - Creixement: més cèl·lules.
Diferenciació cel·lular: més tipus diferents de cèl·lules.
Transformació de patró: generació d’informació espacial dels diferents tipus cel·lulars; en cada transformació augmenta la informació del patró. És el canvi en la distribució espacial d’aquest tipus o patró: o Normalment esdevenen més complexes amb el temps o És la generació “d'informació espacial” o És el fenomen més important en biologia del desenvolupament i al que dedicarem la major part del curs.
El patró es crea segons la interacció de les cèl·lules i els gens, i la informació epigenètica que aporten els gàmetes.
Experiment teòric - Tenim tos els gens, tot el genoma i l’estructura de totes les proteïnes procedents d’un genotip.
Podem predir com canviaria el fenotip per cada petit canvi en aquestes? Actualment, amb tot el que sabem, us donen una mutació en un gen conegut: - Podem predir alguna cosa del fenotip en base al genotip? Que més fa falta? Per tant no podrem predir com canviaria el fenotip per cada petit canvi en els gens i les proteïnes, ja que molta de la informació necessària no es troba en el genoma, sinó que està en l’ambient, l’epigenètica dels gàmetes... En total, necessitem els gens, els seus promotors, les proteïnes, la informació epigenètica dels gàmetes... Per tant, intervindran els comportaments cel·lulars, les seves propietats mecàniques i altres coses que ja explicarem (informació espacial prèvia).
Els gens regulen les propietats mecàniques de les cèl·lules, però no expliquen aquestes propietats.
Natura epigenètica del desenvolupament Els oòcits ja tenen de per sí un patró intracel·lular, una morfologia concreta. Tenen un pol animal i un vegetal; al vegetal hi ha una factors (proteïnes i mRNAs que poden estar enganxats a vesícules). A més, al còrtex que envolta l’oòcit sencer també hi ha mRNAs enganxats. Aquest patró intracel·lular es indispensable, si el canviem podrien sortir individus amorfs, amb duplicacions de certes parts del cos...
Per tant, les cèl·lules filles que provinguin de l’oòcit fecundat es repartiran aquests factors. A més, en els gàmetes hi ha el genoma, la distribució espacial i la maquinària per expressar el genoma.
La distribució dels factors i per tant, dels diferents tipus cel·lulars, depèn del fenotip de la mare, de que sigui correcte, la qual cosa depèn a la vegada de la distribució dels factors de l’ou del qual provenia i la seva epigenètica.
El genoma per si sol no té informació espacial, sinó que és unidimensional. No hi ha res en la seqüència de l'ADN o de proteïnes que digui en quin costat del ou apareixerà al cap i a quin la cua. Per això tots els oòcits tenen asimetries espacials internes: - - Si ens les carreguem el desenvolupament no es dona Si les canviem de lloc es canvia de “lloc” l'embrió i l'adult o Aquestes s' hereten del “fenotip” de la mare.
o I aquestes venen del genotip i fenotip de la mare i així successivament.
Què vol dir: aquestes s’hereten del fenotip de la mare? Sempre s’han d’heretar dues coses (com en el metabolisme): o L'herència genètica (genotip).
o L'herència epigenètica (el fenotip dels gàmetes o equivalent).
Tenim un organisme adult (amb una part anterior i una posterior) que produeix oòcits. Els seus oòcits tenen un pol vegetal; si es genera a partir d’un epiteli, aquest ja li dona la orientació correcta, o pot donar-se per gravetat (les vesícules de greix del pol vegetal pesen molt). Si ens carreguem el pol animal per exemple, ens carregarem una part del cos de l’individu adult que s’hauria de desenvolupar a partir d’aquell oòcit.
Per entendre com és l’estructura de l’adult hem d’entendre els gens i l’estructura dels gàmetes. A més, les interaccions genètiques no ocorren a l’atzar, sinó en un espai concret.
Cadena genètica – epigenètica Hem d’entendre el fenotip dels gàmetes i les interaccions genètiques, les dues coses en conjunt i no per separat. Per tant, necessitarem la informació genètica i la epigenètica (epi: per sobre, de la genètica).
A més, hi ha diferències importants entre la herència genètica i la epigenètica. Les característiques importants del DNA són les següents: - - La posició dels genoma pot variar i açò es transmetrà a la següent generació. Si fiquem el RNA per tot l’oocit de manera homogènia, irradiant l’oòcit amb raigs X per exemple, obtindríem una dona amorfa (amb dos troncs i dos caps, per exemple). Aquesta, en cas de poder reproduir-se, generaria gàmetes amorfs com els dels quals provenia.
Es copia exactament Part de la variació es pot copiar De fet la gracia del DNA no és que tingui “La informació” o més informació si no que té la informació que té variació heretable: - Mutació en l’estructura del gàmeta: no canvia l’estructura del gàmeta de la generació següent.
Mutació en el DNA: la mutació es transmet a la generació següent. Solen ser mutacions espontànies, on una base es canvia per una altra.
Con el DNA és l’únic que es copia, aleshores el fenotip s’ha de refer cada cop.
Diferència entre genètica i biologia del desenvolupament Si dibuixem les generacions al cap del temps i la complexitat de l’organisme, podem veure que la complexitat de la informació genètica es manté constant mentre que la informació epigenètica no.
- La genètica explica la transmissió de la informació, la qual cosa és constant.
En canvi, la biologia del desenvolupament explica el canvi de la complexitat dels organismes.
- De fet molaria més que els adults donessin lloc a adults directament o a nens (no a gàmetes, una mica cutre), com si per exemple, dintre del cap de l’espermatozou hi hagués un minihome que anés creixent durant el temps de gestació.
De fet això passa i també s'estudia a la BD (ho veurem).
- No es cert que la informació genètica es transformi en informació fenotípica, ja que les gàmetes ja tenen una estructura espacial concreta. A més, les espècies model són una mica especials. Per exemple, Drosophila és bastant semblant a l’adult en el moment del desenvolupament.
Formes de reproducció, sexe i desenvolupament que existeixen però no explicarem (només aquí).
Sexual: - Trobem diferents tipus de reproducció sexual, i pot estar associada a la reproducció o no (sexe a bacteris).
Facultativa i raó de canvi segons la idoneïtat del medi.
Moltes vegades, molt prompte es separa la línia germinal de la somàtica, com en els mamífers. Però altres vegades no es separen, sinó que qualsevol cèl·lula de l’individu adult pot transformar-se en una cèl·lula germinal, com és el cas de plantes i altres modulars (coralls, etc.). En aquests casos es produeix una acumulació de mutacions somàtiques.
Asexual: - - - - Ploidia de bacteris.
Poliembrionia: es dona en parasitoides (un paràsit, de vegades d’un altre paràsit, de larves d’insectes). Per exemple, les vespes injecten les larves a dintre del cos d’un insecte d’una altra espècie. Qual el zigot arriba al voltant de les 30 cèl·lules es divideix en dos, i així més vegades fins que tenim diversos embrions que esdevindran individus adults.
Regeneració de parts: es dona en hydra, planaries, estrelles de mar... Si una estrella perd un braç (amb un tros sempre de la part central del cos), es generaran dues noves estrelles: una recuperarà el braç i el braç perdut creixerà per regenerar un nou individu adult.
Açò serveix per reproduir-se asexualment quan hi ha aliment per aprofitar la major part dels recursos possibles. Quan hi ha més dificultats en el medi es reproduiran sexualment.
Estolons i via arrels: l’individu jove es desenvolupa des d’una estructura complexa.
Soredis (líquens), genètica especial i concepte especial de individu. En la reproducció asexual dels líquens, les cèl·lules d’alga surten mesclades amb cèl·lules sexuals de fong.
Gemmació: es sona una petita evaginació de cos i es donarà lloc a dos individus adults. Es dona en cnidaris, que presenten un ectoderm (extern) i endoderm (intern).
Distinció entre: - Biologia del Desenvolupament: canvis en el fenotip o estructura al llarg de la vida o cicle biològic dels individus.
Embriologia: estudia els canvis en el fenotip o estructura des del zigot al recent nascut.
Genètica: estudia la transmissió de l’herència.
Genètica del Desenvolupament: estudia els gens que intervenen en el desenvolupament dels individus.
Biologia evolutiva: estudia que els fenotips hi ha variació, i aquesta variació no és a l’atzar.
Evo-devo Si prenem el fenotip com una variable: - X: El fenotip dX/dt (primera derivada): El desenvolupament dX2/dt2 (segona derivada): L'evolució Diferència entre: - - Epigenètic: adjectiu d’epigènesi, equivalent a desenvolupament. No prendrem el terme epigenètic com en altres assignatures, on es referim a la metilació del DNA, etc.
Epigènesi / Epigenètic Pre-formacionisme: dintre de l’espermatozou hi hauria un minihome, per tant, no hi hauria canvis epigenètics al llarg del desenvolupament.
La línia constant seria el pre-formacionisme, ja que el DNA ja està format.
La línia canviat seria l’epigènesi.
Fenomenologia Podem dividir el cos en parts: - Part anterior: cap.
Part posterior: cua Part medial: mig del cos Part lateral: costats Part dorsal: esquena.
Part ventral: panxa.
També podem trobar eixos de coordenades, que per a nombrar-los es combina el nom de la part d’on surt i de la qual on es dirigeix, com l’eix proximodistal.
Drosophila melanogaster: Xenopus laevis ...