GENÈTICA I BIOLOGÍA MOLECULAR DEL DESENVOLUPAMENT

Grau d'exigència i criteris de valoració

L'avaluació de l'assignatura es farà mitjançant un examen que cobreix teorÍa i seminaris. Els seminaris consistiran en l'exposició d'un determinat tema científic per part dels professors de l'assignatura, de conferenciants invitats o dels propis alumnes.

Les pràctiques són d'assistència obligatòria. L'avaluació pràctica considerarà l'assistència, actitud i resultats obtinguts així com la presentació d'un póster- resum del treball que serà defensat per l'alumne devant els professors de l'assignatura.

Objectius (teoria i pràctiques)

L'objectiu global de l'assignatura és demostrar a l'alumne com la informació genètica present en el nucli de la cèl·lula- ou conté el programa per "fabricar" un nou organisme semblant als progenitors. Introduirem a l'alumne en les tècniques bàsiques de l'anàlisi cel lular, genètica i molecular, i demostrarem la importància de la informació materna en el desenvolupament del patró inicial de l'embrió. Tot seguit es demostrarà com aquesta informació inicia un programa d'expressió diferencial en l'espai i el temps de gens i grups de gens que, afectant propietats i comportaments cel lulars, generen progressivament la forma de l'embrió. Aquest procés es repeteix a escala reduïda durant la morfogènesi i l'organogènesi i, en un contexte més puntual, al llarg de la diferenciació cel lular. Al llarg de l'asignatura donem un èmfasi molt especial en els mecanismes moleculars (cadenes de transducció, jerarquía de gens, combinatòria de senyals,...) a la base dels principals processos de desenvolupament. Es clou l'assignatura amb una reflexió sobre els mecanismes invariants del desenvolupament al llarg de l'escala animal i vegetal, i en com d'aquests estudis en pot sortir una millor comprensió dels fenòmens evolutius i una millor entesa per a una millora genètica de les espècies.

Els seminaris que s'impartiran familiaritzaran l'alumne amb les fonts d'informació científica més rellevants, en com tractar i condensar aquesta informació, i en com saber presentar- la de manera adequada. Alhora, seminaris i teoria tractaran de fer copsar a l'alumne la complexitat dels problemes, les limitacions dels mètodes i tècniques a l'abast, i el valor, sempre relatiu, de les respostes obtingudes.

L'objectiu de les pràctiques és el de donar a conèixer algún dels sistemes model en Genètica i Biologia Molecular del Desenvolupament i en estimular a l'alumne a raonar conceptes teòrics a partir dels resultats experimentals. Les pràctiques programades introdueixen en primer lloc un dels sistemes model en Genètica del Desenvolupament, el nemàtode Caenorhabditis elegans, del que s'observaran els principals mutants i es fara una discussió de les principals estratègies d'anàlisi genètica. La segona i tercera pràctica tracten de donar un enfocament global, emprant tècniques diverses, de la expressió diferencial d'un gen del desenvolupament de Drosophila: el gen engrailed. Es realitzara una anàlisi clonal, estudis d'expressió per hibridació in situ i amb anticossos, i l'efecte de la sobre- expressió del gen en regions ectòpiques.

Programa de teoria

I. CONCEPTES BÀSICS DEL DESENVOLUPAMENT EMBRIONARI

1.- El desenvolupament dels organismes pluricel·lurars. Que és el desenvolupament? Caracterçstiques i fenomenologia. L'anàlisi morfològica, cel lular, genètica i molecular del desenvolupament. L'enfoc reduccionista i l'enfoc sintètic.
2.- Organismes model. El desenvolupament del nemàtode Caenorhabditis elegans. El desenvolupament de Drosophila. El desenvolupament de Xenopus(Amfibis) i Mus (Mamífers). El desenvolupament de Arabidopsis thaliana (Vegetals). L'elecció d'un model experimental. Criteris

II. ESTABLIMENT I DETERMINACIÓ DEL PATRÓ EMBRIONARI INICIAL

3.- L'establiment del patró embrionari a l'ovogènesi. Informació materna. Concepte de gens d'efecte matern. Localització diferencial de RNA i proteïnes. El concepte de determinants. L'anàlisi genètica de l'ovogènesi. Mutants fs a Drosophila. La determinació dels eixos embrionaris: mutants materns que afecten la polaritat a- p ii d- v del cigot i de l'embrió a Drosophilai C.elegans. La determinació de la línia germinal a Drosophila , C.elegans i Amfibis. Mutants.
4..- La determinació territorial a l'embrió. I. Drosophila i C. elegans. Concepte de determinació. L'inici de les determinacions territorials: Anàlisi genètica- molecular de la segmentació. Mutants embrionaris. Interaccions entre mutants materns i embrionaris de polaritat A- P. Interaccions entre els gens de segmentació. Jerarquització i combinatòria. Segments i parasegments a Drosophila. La determinació dorso- ventral a Drosophila. Mutants embrionaris. Interaccions entre mutants materns i embrionaris de polaritat D- V. Mutants materns i cigòtics de polaritat i llinatge a C.elegans
5.- La determinació territorial a l'embrió. II. Altres sistemes. La determinació axial i la determinació del mesoderm a Xenopus. Gens implicats. La determinació de neuròmers i somites als Amniotes. Llinatge, anàlisi clonal i mutants. La determinació del patró inicial a Arabidopsis. Mutants.
6.- Diversificació i especificació de territoris. I. Els gens homeòtics .Substitucions de patró durant el desenvolupament: mutants homeòtics. Control genètic de l'especificació segmental a Drosophila: els complexes genètics Bithorax (BX- C) i Antennapedia (ANT- C). Expressió dels gens homeòtics durant el desenvolupament: anàlisi clonal i anàlisi molecular. Parasegments, segments, compartiments i gens homeòtics El model dels gens selectors. Gens realitzadors. Mutants homeòtics a C. elegans. Anàlisi genètica i cel·lular.Mutants homeòtics a plantes (Arabidopsis i blat de moro).
7. Diversificació i especificació de territoris. II. Regulació dels gens homeòtics. Regulació dels complexes homeòtics a Drosophila; activació i repressió dels complexes BX- C i ANT- C, interaccions entre els gens dels complexes BX- C i ANT- C, seqüències de consens als gens homeòtics: "l'homeobox"; significat i funció. Detecció i aïllament de gens reguladors del desenvolupament a diferents grups d'organismes: complexes homeòtics a animals i plantes. Altres gens del desenvolupament. Estructura i expressió. Homeosi i evolució. El concepte de zootipus.
8.- El manteniment de l'estat determinat. L'adquisició progressiva de l'estat determinat. Exemples. L'estabilitat de l'estat determinat. Mecanismes moleculars del manteniment de l'estat determinat.Models

III. LA MORFOGÈNESI I L'ORGANOGÈNESI: ANÀLISI GENÈTICA I MOLECULAR

9.- Anàlisi genètica- molecular de la morfogènesi. Paràmetres morfogenètics. La morfogènesi de l'ala i les extremitats a Drosophila: Establiment de la polaritat A/P, V/D i Pr/Ds als discs imaginals. Gens i molécules. La determinació 'fina' del patró: venes i quetes. La morfogènesi de la vulva a C. elegans. cèl.lules, gens i molécules. La morfogènesi de les extremitats als Vertebrats. Gens i molécules.
10.- Organogènesi. I. Determinació i diferenciació sexual. . Determinació del sexe i desenvolupament dels caràcters sexuals a C. elegans. Determinació del sexe a Drosophila. Mecanismes i gens principals.

La compensació de dosi. Mecanismes i gens que la controlen. Determinació del sexe als Mamçfers: control genètic i hormonal.

11.- Organogènesi. II. Determinació i diferenciació del Sistema Nerviós. Determinació de la zona neurogènica i dels neuròmers a Drosophila. llinatge cel.lular. Cèl.lules neurogèniques, neuroblasts i neurones. Acció dels gens de segmentació, homeòtics, pro- neurals i neurogènics. La morfogènesi de l'ull a Drosophila: singularització d'elements, autoengalzament, interaccions cel.lulars, gens i molécules.

IV. LA DIFERENCIACIÓ CEL.LULAR. EXPRESSIÓ DE PROGRAMES I GENS ESPECÍFICS

12.- La diferenciació cel.lular terminal. Determinació cel.lular i diferenciació cel.lular terminal. Diferències Exemples de diferenciació cel.lular: diferenciació espora/tija a Dictyostelium, la diferenciació miogènica, la diferenciació dels limfòcits T. L'estabilitat de l'estat diferenciat: transdiferenciació, desdiferenciació i metaplàsia. Exemples.
13.- Anàlisi molecular i genètica de la diferenciació cel.lular. Diversitat d'mRNA i proteïnes durant la diferenciació. La línia miogènica: gens implicats. Expressió seqüencial de gens durant la diferenciació a Dyctiostelium. Mutants de diferenciació a Drosophila i C. elegans. Interaccions cel.lulars i diferenciació: exemples a Drosophila i C. elegans.
14.- Expresió de gens especçfics durant la diferenciació. Amplificació i expressió dels gens del corion a Drosophila. Expressió dels gens de la globina i la ovoalbúmina. Regulació.Expressió dels antçgens de diferenciació als limfòcits T. Regions de control als extrems 5' i 3' dels gens eucariotes. Exemples. El control combinatorial i la modulació de l'expressió gènica.

V. CONCLUSIONS I PERSPECTIVES

15.- Com es genera un patró? Conceptes i models. Què es un patró?.La gènesi de les asimetries inicials. Mecanismes. La gènesi d'estructures periòdiques (iterades). Mecanismes i significat. La gènesi d'asimetries tardanes. Mecanismes. Relacions entre creixement (proliferació) i morfogènesi.
16.- Cap a una teorça sintètica del Desenvolupament. Els conceptes de programa i subprograma.

Les determinacions territorials inicials: histiotçpiques o topogràfiques?. Les iteracions (periodicitats) morfològiques: variabilitat dels mecanismes de gènesi. l control genètic del desenvolupament: arxes jeràrquiques, aspectes combinatorials, homologies dels gens reguladors entre diferents grups d'organismes, els complexes homeòtics, el zootipus i l'estadi filotçpic. Consideracions generals sobre l'arquitectura dels sistemes de regulació

Bibliografia

- BOWMAN, J (ed). Arabidopsis. An Atlas of Morphology and Development. Springer- Verlag (1993).
- DAVIDSON, E.H. Gene Activity in Early Development. (3a. edició). Academic Press London (1986).
- GILBERT, S.F. Biología del Desarrollo. Omega, Barcelona (1987).
- GILBERT, S.F. Developmental Biology (3a. edició). Sinauer, Sunderland (USA) (1991).- GOULD, S.J. Ontogeny and Phylogeny. Harvard. Univ. Press, Cambridge, USA (1977).
- HOGAN, B., COSTANTINI, F i LACY, E. Manipulating the Mouse Embryo. A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Lab (1986).
- LAWRENCE, P.A. The Making of a Fly. Blackwell (1992).- RAFF, R.A. i KAUFMAN, T.C. Embryos, Genes and Evolution. MacMillan, New York (1983).
- ROBERTS, E.D. (ed.) Drosophila. IRL Press (1986).
- WILKINS, A.S. Genetic Analysis of Animal Development. John Wiley & Sons, 2a ed(1993).
- WOOD, E.B. (ed). The nematode Caenorhabditis elegans. Cold Spring Harbor Lab (1988).
- STERN, C.D. i HOLLAND, P.W.H. Essential Development Biology A Practical Approach. IRL Press (1993).
- WOLPERT, L. The Triumph of the Embryo. Oxford Univ Press (1991).

Pràctiques

1.- Control genètic del desenvolupament. Observació in vivo del desenvolupament inicial del nemàtode Caenorhabditis elegans, distinció entre organismes hermafrodites i mascles. Classificació segons el fenotip de diferentes soques mutants. Descripció de les diferents estratègies per realitzar una anàlisi genètica.

Bibliografia: Schierenberg, E. Genealogy, geometry and genes: Experimental embryology ofCaenorhabditis elegans. Experimental Embryology in Aquatic Plants and Animals. H.J. Marthy, Plenum Press, New York, 1990.pp 163- 176

2.- Expressió gènica durant el desenvolupament. Estudi del gen engraileda Drosophila emprant una soca transgènica que conté el promotor del gen engrailedfusionat al gen bacterià de la b- galactosidasa. S'obtindran organismes en diferentes fases del desenvolupament: embrions, discs imaginals de larves i abdomens de adults acabats de desclosar i es realitzarà un protocol per tenyir l'activitat b- galactosidasa.

Bibliografia: - Hama, C., Ali, Z. & Kornberg, T,B. Region- specific recombination and expression are directed by portions of theDrosophila engrailed promoter. Genes & Development 4:1079- 1093. 1990. Stern, C.D. i Holland, P.W.H. Essential Development Biology A Practical Approach. IRL Press (1993)

3.-: Determinació dels compartiments a- p i estudi de l'expressió gènica mitjançant mosaics genètics a Drosophila. Anàlisi clonal als discs imaginals d'ala de Drosophila: s'induirà per recombinació mitótica amb R.X. clons multiple wing hair (mwh) i Minute, M(3) que permetran estimar paràmetres de creixement i compartimentació durant el desenvolupament dels discs imaginals. Paralel lament s'induiran clons engrailed per caracteritzar les regions de funció d'aquests gen.

Bibliografia: - Lawrence P.A. & Morata, G. Compartments in the wing of Drosophila : A study of the engrailed gene. Developmental Biology 50, 321- 337. 1976.