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TEMA 19 – REGULACIÓN CELULAR EN PLANTAS
Introducción. Influencias sobre el crecimiento vegetal.
Factores externos e internos que afectan al crecimiento y desarrollo de las plantas. Las plantas compiten por la luz, tienen que percibir la gravedad, humedad (gana sobre la gravedad)... Hay una serie de factores externos que van a controlar el crecimiento de la planta, la planta va a percibir para optimizar su crecimiento. Una serie de factores internos, como en el caso de los árboles frutales tienen que pasar una serie de año desde que germinan hasta que dan el primer fruto. Implican la acumulación de distintas señales internas.
Factores externos
• Factores abióticos: Gravedad, luz (para la fotosíntesis o procesos fotomorfogénicos),
temperatura, viento, acumulación de C02, fotoperiodo (cuantas horas de luz y cuantas de oscuridad, cuentan las de oscuridad), cantidad de oxígeno en las raíces, presencia de nutrientes minerales, calidad del suelo, presencia de agua (la cantidad de agua se va a correlacionar con la de oxigeno o con los nutrientes minerales), tóxicos de naturaleza de metales pesados por minas, por parte del hombre.
• Factores bióticos: Acción de los herbívoros, patógenos, microorganismos de suelo (no todas
las bacterias y los hongos van a ser perjudiciales), etileno producido por la propia planta o por plantas vecinas.
Factores internos
• Luz, temperatura, minerales, turgencia (status hídrico de la propia planta), patógenos y
otros factores adicionales como los nutrientes (péptidos, azucares, aminoácidos...).
• Señales propias de la planta como reguladores del crecimiento, hormonas, otras señales de
desarrollo.
Puede haber heridas en las células, una de las principales vías de entrada es por la pared. Si la degradan van a generar fragmentos de la misma y van a servir de señal para la propia planta, y así lanzar toda su maquinaria de respuesta ante patógenos.
Vamos a tener una percepción de la señal que va a tener que amplificarse y diversificarse. Esto va a conducir a una serie de cambios celulares, ya sea en el potencial iónico o en el flujo de iones dentro de la célula, regulación de rutas metabólicas, regulación de la expresión génica, cambios morfológicos en el citoesqueleto. En resumen, estamos hablando de la transducción de señales en las plantas.
Transducción de señales.
Tenemos la señal ambiental o fisiológica, que puede ser luz, temperatura, contacto o fisiológica como hormonas y nutriente. Y tiene que ser leída por un receptor que puede ser un receptor quinasa o receptor acoplado a proteínas G... Esto dará lugar a una ruta de transducción de señales una vez que se activa el receptor, ya sea la activación de protein-quinasas, calcio, cambios en el pH, lípidos... Al final habrá una respuesta que será o de expresión génica, modificación del citoesqueleto, o la regulación enzimática. Podemos hablar de interacciones entre las distintas rutas de transducción:
1- Interacción primaria: Se basa en que tenemos dos señales que van a converger en la misma
respuesta, puede ser de naturaleza positiva o negativa. En la positiva las dos señales van a activar la misma respuesta, podemos hablar de sinergia, se incrementa la respuesta o de naturaleza negativa, tengo dos señales puede ser que la A bloque a la señal B de forma que no se de en una respuesta.
2- Interacción secundaria: Puedo tener también la positiva o negativa, estamos hablando de
dos señales, dos rutas de transducción y dos respuestas. La positiva, la señal de A va a potenciar la percepción de la señal de la segunda o de su ruta de traducción, algunas veces la potenciara y otras sin A no se podría dar al ruta de B. La negativa todo lo contrario, la respuesta debida a A va a bloquear o bien al percepción de B o la ruta de transducción de B.
3- Interacción terciaria: Se basa en la interacción de las respuestas, en la positiva la respuesta
de A va a potenciar o permitir la respuesta debida a B, no estamos hablando que este interaccionando con la señal sino directamente con la respuesta. En el caso negativo la respuesta debida a A va a bloquear la respuesta debida a B.
RECEPTORES CELULARES.
Nos los podemos encontrar en todos los suborganulos o en todos los receptáculos de la célula, desde la parad y la membrana aunque nos podemos encontrar protein quinasa o de proteínas G. Podemos encontrarnos receptores en el RE, como el receptor de etileno. En el propio citoplasma podemos tener receptores de la luz roja como el citocromo. Podemos tener receptores de luz azul en el núcleo, como el criptocromo y también receptores de la auxina (fitohormona).
Va a depender del alcance de la señal.
Tipos:
• Receptores ligados a proteínas G
• Receptores asociados a una actividad enzimática, de naturaleza quinasa normalmente.
• Receptores asociados a canales iónicos que van a permitir la salida o la entrada, ya sea
calcio, potasio, cloruro etc.
La bacteria tiene dos proteínas, el receptor que es una istidin quinasa y un receptor que es el que va a llevar al re. Llega el ligando al receptor y mediante la actividad quinasa que implica gasto de ATP se van a fosforilar las histidinas, a continuación van a coger ese fosforo y sin gasto de ATP, la van a transferir a aspártico de los efectores. Dos proteínas distintas, el efector es el que va a transmitir la señal y diversificarla.
En el caso de las plantas, el receptor de etileno tiene un dominio receptor quinasa y un dominio efector que se va a encargar de transmitir la señal, llega el etileno con gasto de ATP se fosforliran las histidinas, transferidos esos fosfatos a los aspárticos del dominio efector. Después a su vez interaccionara con otros elementos de la ruta.
El destino final de esta transducción de señales es activar algo en animales, y en plantas inhibe un represor de la ruta. Por general la ruta de transducción esta reprimida, en cuanto llega la señal se produce un bloqueo o de este reposo por tanto una activación de la ruta.
Transmisión de señales:
en una zona donde no se expresaba, en la endodermis es decir el resultado de una señal de una ruta de transducción de señales ha saltado a otro tejido, SONrut es capaz de viajar desde la estela a la endodermis y ahí va a activar la expresión de otros genes pero va a generar otra respuesta en otro tejido.
Características del genoma y complejidad.
Se caracterizan por tener un número C elevado. EL número C es el número de nucleótidos de un núcleo haploide (n). Nuestro núcleo haploide es inferior al del trigo, tenemos en el mismo orden de magnitud, estamos entorno los 1000 millones. A pesar de tener el mismo número de genes. La diferencia en este número de nucleótidos, tenemos muchos transposones en las plantas que en los humanos. Los transposones son los elementos móviles.
Las plantas presentan un fenómeno que se denomina nedoreduplicación, es la duplicación del núcleo y después esperamos que suceda la mitosis y la citocinesis, si no ocurre la mitosis se queda el núcleo con un valor del doble. Hay veces que se vuelve a repetir ese proceso, estamos en un núcleo diploide y pasan a 4n... Es muy común en las plantas.
Cuando tenemos tantos cromosomas idénticos en las plantas se pueden producir fenómenos de recombinación, pueden incorporarse en procesos de inserción y delección. O regiones que no presentan ninguna ventaja evolutiva, y cuando llegamos a la célula germinales esa mutación ahí se ha mantenido, puede ir ampliando el número de nucleótidos en el núcleo de la planta.
Se va seleccionando en la agricultura. Con la selección de mejores estirpes. Vamos a tener que pasar por una serie de checkpoints para que la activación de un gen culmine en la producción de una proteína funcional.
Puntos de regulación: En el propio genoma del núcleo, en la propia traducción y en el proceso de modificación post- tradicional.
Regulación en el genoma.
El ADN se presenta en forma de doble hélice, que se asocia en la cromatina con las histonas, de tal manera que se asocia con un octamero de histonas para formar el nucleosoma y eso ya comprendía un grado de comapactamiento. Estas histonas podrían condensarse dándose la fibra de 30nm. Estas fibras de 30nm a su vez podrían formar bucles más condensados, y por este superenrrollamiento de estos bucles llegaríamos a la estructura de máxima condensación que denominamos cromosoma.
Si quiero tener acceso a un gen para poder trascribirlo, cuál sería el estado idóneo? El estirado y menos condensado.
Este proceso podría suponer un control de expresión? Si, se conoce como control epigenético. Consiste en la modificación química de las histonas y de algunas citosinas del DNA.
Modificación de las histonas.
Tenemos las histonas H3 y H4 en sus residuos de lisina, pueden o bien acetilarse o bien metilarse. Ambas modificaciones químicas van a tener efectos antagónicos. Si yo metilo las histonas voy a favorecer la condensación de la cromatina. En cambio sí acetilo las histonas, voy a favorecer la descondensación. Para eso existen una serie de enzimas que son las metil transferasa y sus antagónicas las D-metilasas y las acil transferasa y sus antagónicas las D-acetilasas.
Las acetil transferasa son las que unan grupos acetilo y las metil transferasas serían las que añadan grupos metilo a los residuos de lisina. Entonces, suponiendo este ciclo, tenemos las histonas estiradas y totalmente acetilada, un mismo residuo de lisina va a ser acetilado o metilados. Hay residuos para la acetilación y para la metilación.
Tengo el sistema estirado, llegan las histonas D-acetilasas, se van ir perdiendo residuos acetilos en las histonas, va a ir provocando una condensación. Si a su vez comienzo a añadir grupos metilo por una metil transferasa, voy a tener la condensación máxima. Aquí no entra la RNApolimersa.
• Tengo que meter grupos metilos metiltransferasa, si tengo que quitarlos sería la demetilasa.
• Tengo que meter grupos acilos aciltransferasa, si tengo que quitarlos seria la deacetilasa.
Hay que tener un control fino del estado de condensación. Hay regiones de organización en el núcleo que van a estar controlando estos estados.
Otras modificaciones del genoma.
Los intrones normalmente son inmóviles en las plantas pero se puede dar el caso de que salten a otra región y bloquen, si saltan en una región promotora bloquen la expresión de ese gen. Puede haber también daños por exposición al sol, cualquier daño en el AND va a estar imposibilitando la transcripción de un gen.
Transcripción:
Elementos o secuencias “cis”.
Tengo lo que se va a traducir, no todo se va a transcribir. La traducción comienza con el codón AUG, se encuentra un pelín separado de la zona 5’, la región en teoría será del codón de iniciación al de terminación. Pero tenemos los exones e intrones dentro de la región que se va a traducir, los exones son las regiones que se van a traducir obligatoriamente, los intrones son prescindibles y en el splicing se van a eliminar, y dependiendo de la proteína y sus isoformas se eliminan o no (splicing alternativos).
Luego tenemos la región UTR (la que no se traduce), tendremos una región al final que es la región 3’UTR. Las estamos transcribiendo, el mensajero puede ser degradado, en la región 5’ es donde vamos a tener el CAP y en la 3’ tenemos la zona de poliA. Así mismo en la región 5’ tenemos las zonas de unión de ribosomas, el ribosoma no se une directamente al AUG, esta región presenta una estructura secundaria reconocible por la subunidad pequeña del ribosoma y es ahí a partir de donde va a empezar a traducir. Esto es la estructura del gen, antes del gen tenemos la región 5’ aguas arriba, región promotora que es la región que va a promover la unión de la RNApolimerasa, normalmente vamos a estar hablando de la RNApolimersa2. La RNApolimersa2 va a reconocer una serie de secuencias, alrededor de 50-100 nucleótidos, antes del inicio de la transcripción que se conocen como la caja TATA, se conoce así porque es una región ricas en A y T, NO ES IMPRESCINDIBLE, PUEDE no presentarse. Tenemos otros sitios de unión de la
Suponiendo que ya lo hemos transcrito, vamos a procesar el ADN y a translocarlo, vamos a añadirle el CAP en la región 5’ y la cola de poliA, vamos a procesar este premensajero eliminando los intrones y vamos a transportarlo del núcleo al citoplasma. En donde se va a traducir, va a interaccionar con los ribosomas y se traduce. Podemos tener otro nivel de regulación.
Regulación Post-Transcripcional
RNAs pequeños (dsRNA) son normalmente bicatenarios y estos van a ser reconocidos por las proteínas taiser que van a cortarlos en pequeños fragmentos para que puedan ser reconocidos por el complejo RISC cuya subunidad principal es argonanut. Mediante activación por ATP va a perder una de las dos cadenas, la cadena con la que se queda es complementaria a un mensajero. A un mensajero que queremos regular su traducción. Va a cortar, va a perder la protección por uno de los extremos, si tengo el mensajero completo lo tengo con el CAP y con la cola de poliA, si lo corto pierdo la cola de poliA y el CAP. Esto conduce a su degradación, y como resultado no se va a transcribir ya que no vamos a tener producto, a pesar de haber gastado ATP en transcribir, y en procesar...
Tipos de dsRNA:
1- hpRNA (tipo helping): Estas dos cadenas tienen que tener una naturaleza complementaria
para que puedan estar unidas, y la región que hace el bucle no. En los dos extremos tengo regiones complementarias y en el centro una región que no lo es, al final voy a tener un análogo a una cadena de ARN similar a una doble cadena de ARN. Tenemos que empezar con una doble cadena de ARN, dependiendo del procesamiento posterior puedo hacer una siguiente clasificación. -miRNA (tipo helping): Su procesado posterior es específico, solo reconoce una zona por donde corta, a diferencia del otro subgrupo que son los otros. -Otros hpRNA (tipo helping): Su procesamiento es difuso, es al azar. Hay otro gran grupo que son los de ARN de pequeño tamaño interferente:
2- siRNA: Son directamente ARN de pequeño tamaño cuyo precursor es una cadena doble de
ARN, su clasificación: -siRNAs heterocromaticos: Su origen procede de regiones repetidas en zonas intergenicas, normalmente estas regiones serán promotoras, en este caso lo que no van a hacer es degradar el mensajero, van a interferir en la región promotora, incluso en la región adyacente al gen reclutando metil transferasas que van a añadir grupos metilos a las histonas, se van a condensar y si se condensa no hay transcripción. No estamos degradando el ARN sino evitando la transcripción. -siRNAs secundarios: El origen de la doble cadena no es la transcripción del ADN sino de fragmento de ADN previamente degradados, tengo un gen que degrada por daiser, se une las sistema RISC argonaut y degrada un mensajero, se van a formar ARN que pueden ser complementarios y que pueden volver a ser utilizados por el sistema RISC para degradar otros ARN mensajeros de la misma naturaleza. Es entonces cuando hablamos de los siRNAs secundarios. Argonaut corta, y voy a tener una RNApolimerasa que toma como molde le propio RNA, me va a genera pequeños fragmentos que van a unirse a los fragmentos originales formando la doble cadena de ARN. Se utiliza parte del producto final para amplificar la señal de degradación. -NAT-siRNAs: Lo veremos con los virus. En este caso esta doble hélice procede de dos cadenas de ARN que se han sintetizado de manera independiente y que no son completamente complementarias. Solo son complementarias por el extremo.
A parte de añadir más complejidad al sistema de regulación, no solo en animales sino en vegetales podemos hacer construcciones de tipo helping y hacer que las expresen las plantas. SI introduzco
una planta una expresión de ese tipo, lo que voy a lograr con ello es que se silencie, no tengo porque interferir en el genoma de la planta, no tengo porque machacar el gen. Pueden expresar a voluntad y silenciarlo cuando quiera.
Respuesta a RNA vírico mediante RNAi
ARN bicatenario: Entran a la célula y en el núcleo se va a desencampsular y va a liberar el ARN de doble cadena que va a ser reconocido con las daiser que fueron caracterizadas en animales por eso nos las encontramos como DCL. La proteína daiser la va a cortar, una de las cadenas será reconocida por la subunidad argonaut del complejo RISC que va a bloquear el resto de las dobles cadenas del bicaternario de otros virus que hayan entrado en la célula.
En este complejo RISC reconoce regiones de esta doble cadena, se va a poder unir y RISC va a poder cortarla y acabar degradándose.
ARN monocatenario: Para pasarlo a bicatenario necesito una RNApolimerasa, en este caso necesito ARN polimerasa dependientes de ARN que pueden ser propias del virus o de la propia planta, como la de los small interferens de los RNAsecundarios. Va a ser reconocido por daiser que va a cortarla, y estas cadenas van a ser reconocidas por argonaut del complejo RISC y esto ya cargado va a reconocer estos ARN víricos y los va a cortar.
RISC solo va a reconocer una cadena y toma como molde uno de los fragmentos que ha salido de daiser y va a cortar la molécula mayoritaria que va a ser la monocatenaria.
DNA monocatenario: Tendré una ARNpolimerasa y después una ARNpolimerasa dependiente de ARN y volvemos a la situación del ARN monocatenario, siempre vamos a ARNbicatenario.
DNA bicatenario: Voy a tener dos ARNpolimerasa, una que van por un lado y otra que va por el otro, los NAT-siRNAs, una parte va a solapar y ser de doble cadena y va a ser reconocida por daiser que va a RISC argonaut y lo va a degradar.
• Necesitamos una doble cadena de ARN para que sean procesadas por daiser y una vez
cortadas tienen que ser reconocidas por argonaut dentro del complejo RISC que van a cortarlos y se van a degradar. Dependiendo del origen del ácido nucleico vírico se pueden llevar de distintas maneras a este ARN de doble cadena.
Regulación de la expresión génica.
Tenemos otros niveles de regulación post-traduccional, como la fosforilacion o desfoforilación, plegamiento de la propia proteína y compartimentalización de la proteína (acumularla en vacuola o en vesículas estando inactivas). Plegamiento de proteínas.
Proteínas cuyo plegamiento dependen de las chaperonas o chaperoninas, ambas van a coger los péptidos de recién formación. Si tengo aminoácidos con la misma carga se van a repeler y si los tengo de carga opuesta se van a juntar. Se pueden formar puentes de sulfuro también. Existen dependiendo de la secuencia de aminoácidos (estructura primaria) multitud de posibilidades, normalmente sigue la que lleve a la estructura de menor energía que es la más estable. Las chaperoninas pueden ir dirigiendo el plegamiento pasando por estructuras de mayor energía hasta llegar a las de menor energía.
• Las chaperoninas pasan por un intermedio de energía superior para llegar a un elemento
final de energía inferior, estas también protegen al péptido ante la acción de las peptidasas, como hablamos de niveles de energía este plegamiento va a ser dependiente de ATP. Sin la
El complejo APC está compuesto por 12 subunidades, está el APC11 parecido a ring box y el WD que serie la Fbox y forma una especie de barril que dependiendo del WD40 va a reconocer distintas proteínas.
Por ejemplo Cdk20 va a reconocer distintas ciclinas que reconocen el paso de G2 a S. Al final tenemos una señal y una respuesta, hemos visto cómo se va modulando la respuesta, dependiendo de la señal y como se lleve a cabo la respuesta tendremos unos tiempos de la misma.
Tiempos de respuesta:
Podemos tener tiempos de respuesta cortos que opera en rango de segundos, se van a caracterizar por modificaciones puntuales de proteínas como fosoforilacion o desfosforilacion o destrucción.
Tiempos intermedios que pueden oscilar entre horas y días que implican la producción de proteínas, modificación de la expresión génica.
Tiempos largos, del orden de meses a años, implican cambios en el cromosoma, regulación exigentica.
EL CICLO CELULAR.
El desarrollo vegetal sigue aun después de la embriogénesis. Las nuevas células se generan en zonas especiales denominados meristemos. Las células meristemáticas son pluripotentes, pueden formar nuevos meristemos a partir de células diferenciadas. Concepto de la división “asimétrica”, se forman células hijas que dependiendo de su posición pueden mantener su identidad meristematica o van a dar lugar a otro tejido, dirige el destino celular. Las células las puedo mantener en tres estados:
• Dentro del ciclo celular, en el meristema dividiéndose constantemente.
• Diferenciación
• Crecimiento celular
Si necesito más células voy a mantenerme en el estado meristematico, pero si llego al número máximo de células pasó al siguiente paso. Puedo replicar el núcleo pero sin pasar por la citocinesis se denominan endoreplicacion. Estas células de grandes núcleos se preparan para dividirlas rápidamente sin pasar por la fase S, de una preparada con un gran núcleo puedo volverla al ciclo celular y tener varias células de nuevo. El crecimiento dela célula durante la diferenciación va a dar una información de la polaridad de las células. En auxinas veremos que el transporte va a ser polar porque los trasportadores de entrada van a estar en un lado de la célula y los de salida en otra.
El crecimiento dado la diferenciación tiene que tener un límite y lo va a determinar el tamaño del órgano. En todas estas diferenciaciones nos va a permitir la salida o entrada en el núcleo celular.
El núcleo en fase mitótica es una breve fracción del tiempo del ciclo celular, hay que saberse las fases en el núcleo interfásico:
• Fase G1 o vegetativa: Es la que se encuentran la mayoría de las células vegetativas de la
planta. Estas células cuando están en este estado se dice que están en fase Go. Llegado un
momento van a recibir unas señales que van a hacer que entren en el ciclo celular pasando a la fase S.
• Fase S: Se produce la replicación del cromosoma.
• Fase G2: Precede a la mitosis, se va a preparar toda la maquinaria para la mitosis, hay que
organizar la desestructuración de la membrana celular, reorganizar el RE para que forme la placa de división, necesitamos revisar si lo que hemos replicado está bien y para eso hay que parar y comprobarlo.
Lo va a estar regulando un complejo de dos familias de proteínas, que son por un lado las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas. Las quinasas dependientes de ciclinas han de tener ciclinas unidas para llevar a cabo su función, ambas se van a unir específicamente y van a aparecer en un momento adecuado, voy a tener alrededor de 100 genes regulando el ciclo celular.
Estos 100 genes van a estar afectando alrededor de 1000mil genes a lo largo de todo el ciclo. Arabidopis tiene alrededor de 60.000 genes, estamos hablando de 1/6.
Elementos y mecanismos de control:
• Quinasas dependientes de ciclinas (CDKs)
• Ciclinas
• Quinasas activadoras de DKs (CAKs)
• Inhibidores de CDKs (CKI)
• Fosfatasas de CDKs
• Ubiquitin ligasas y proteasoma.
Transición G1-S.
Suponemos células en estado vegetativo y de repente tienen que pasar a fase S, tienen que expresar los genes que permitan la transición de G1 a S. Empezamos con señales, que pueden ser de tipo interna ya sea la auxina, citoquina o BR o nutricionales como la sacarosa. Estas señales lo que van a inducir es la expresión de que ciclinas y CDKs que eran los complejos que iban a regular la transición, CDK A y distintos tipos de ciclcinas D (2, 3 y 4). La ciclina necesita estar fusionada a la DK formando el complejo. Ya tengo los dos formando el complejo.
Necesito la activación, la actividad enzimática va a ser por la CDK, la voy a activar con quinasas activadoras de CDK, estas que son las CAKs también son complejos CDK/ciclina. La CDKF va a activar al complejo CDKD y CYCH, se van a repetir en la transición G2 N, van a fosforilar al complejo CDKs ciclina D que lleva a cabo el proceso de transición. Si está activo va a tener que fosforilar algo para modular su actividad. Tenemos un complejo asociado al ADN en el núcleo compuesto por 3 subunidades, la principal es la proteína E2F que puede ser A o B. Por otro lado, la proteína de dimerización conocida como DP, y el último elemento es la proteína del retino blastoma RBR, las proteínas e retinoblastomas corresponden a una familia de reguladoras del ciclo celular que fueron descubiertas en un paciente con cáncer de Regina, muchos de los oncogenes corresponden a proteínas o reguladores del ciclo celular.
Todo ello está formando un complejo, este complejo en el ADN está inactivo por la presencia del retinoblastoma. La ciclina y la CDK A van a fosforilar en múltiples sitios la proteína del retinoblastoma, esto va a promover un cambio conformacional que va a hacer que se separe la proteína del retinoblastoma. Si se separa E2Fa/b van a estar activos y van a promover la expresión de genes de fase S.
Llegando un puto no voy a tener la proteína Weed, que indicaría que se ha reparado el ADN, si voy a tener una fosfatasa que va a eliminar estos residuos fosfato, como resultado tengo el complejo CDK/ciclina activo que va a activar factores de transcripción que favorecen la entrada en mitosis.
El complejo APC va a degradar la ciclina, esta degradación va a inactivar el complejo y saldremos de la mitosis, se dejaran de activar los genes que mantienen la mitosis. Esto puede ser al final del proceso mitótico, si lo degrado antes de la entrada en mitosis, es decir en G1, S, G2 pero impido la mitosis, se produce una endorreduplicación y pasaría a tener una célula con el doble de contenido nuclear.
En la endorreduplicación en vez de tener un contenido 2c o 2n, pasaríamos a tener hasta 64c. No es un fenómeno por error, es un fenómeno que tiene su sentido biológico. Por ejemplo: Las células infectadas de los nódulos simbióticos son mucho más grandes, pueden llegar a tener un contenido hasta de 64c.
Regulación de los mecanismos de crecimiento y división en plantas.
Existen unas señales externas que van a promover la división o el crecimiento de las plantas. Esto depende de:
• Factores ambientales.
• Factores endógenos
La suma de ambos es lo que permite la salida de G0 (Factores ambientales + Endógenos) Hay un desacoplamiento de fase S y mitosis que generan endorreduplicación y poliploidía en distintos tejido.
Procesos de senescencia dominantes frente a proceso de apoptosis y muerte celular programada rápida e irreversible (i.e. respuesta hipersensible).
Coordinación de tres genomas:
• Núcleo
• Mitocondria
• Cloroplasto.
Dependencia de factores ambientales:
Hemos visto como en las distintas fases del ciclo celular tenemos distintas señales ambientales o nutricionales, en la entrada de G1 a S, fitohormonas que van o bien a estimular el proceso como la auxina, citoquinas… o lo van a reprimir como el ácido abscisido, que es la hormona del estrés. Todos estos factores son los que van a regular el trasiego por el ciclo celular.
Poliploidia y tamaño celular:
Estas células que son 8n, presentan un mayor tamaño y coinciden con las de mayor ploidia. Esta ploidia es variada y diversa según la zona en la planta en la que estemos. Nos podemos encontrar dispersos todos los grados de ploidia por toda la planta, en la roseta de las hojas nos podemos encontrar hasta células de 32c, pero las flores nunca van a pasar de 4c.
• Todo depende del programa de desarrollo del órgano en cuestión.
Poliploidia y nuevas especies:
Se produce un proceso de endorreduplicacion durante el proceso de meiosis, los gametos no van a ser haploides, tenemos gametos 2n, si se fertiliza un polen 2n con un polen 2n, la planta hija será 4n en todo su desarrollo, y todas estas variaciones en la poliploidia tendrá en cuenta este 4n. Estamos ante un fenómeno de aparición de nueva especie por autopoliploidia.
Si genero híbridos, tengo dos especies distintas con distintas dotaciones cromosomales. Si tengo la especie A y la B, y los gametos se fertilizan entre si tengo una nueva planta donde tengo este tipo de dotación genética.
¿Qué pasará en las células germinales? Este hibrido durante la meiosis no daría una separación simétrica, tendré gametos con distinta dotación cromosómica y no tienen que ser todos funcionales. Tendremos híbridos infértiles.
Puede surgir lo que se denomina halopoliploidia, si se produce una endorreduplicacion en las células germinales, ahora voy a tener dos copias de los parentales, tanto del A como del B. Voy a poder tener una separación. Si se encuentran dos gametos de esta naturaleza y fertilizan ya tendré un hibrido fértil de segunda generación totalmente capaz de tener descendencia y estaremos ante una nueva especie, porque tiene una dotación cromosómica distinta y si se cruza con la especie A y B tendríamos problemas, por lo que tendría una especie C.
En este caos estamos hablando de halopoliploidia por duplicación genómica del hibrido. Pero también lo puedo tener por otro tipos e endorreduplicacion, si los gametos de los parentales son 2n, voy a volverme a encontrar durante el proceso meiótico 2n de cada parental, tendré un híbrido capaz de formar gametos fértiles.
Puede ser por duplicación dentro del hibrido o en los gametos de los parentales. Ejemplo: La brassica nigra es una especie que se utiliza en agricultura, cada una tiene su dotación cromosómica pero podemos criarla y que se dé el proceso de endorreduplicacion para que se den nuevas especies.
Coordinación entre tres genomas:
Las mitocondrias y cloroplastos solo se pueden producir por duplicación de los mismos y no por la propia célula. Hacen varias copias de sus cromosomas antes de dividirse, si hago mitosis en ese momento se da lugar un reparto de los cromosomas en las células hijas, si se divide muy rápidamente este tejido, voy a tener células hijas con pocos cloroplastos y mitocondria que tendrán un elevado número de copias de su genoma.
Tengo células en un menor estado de división, en el meristemo había una división asimétrica y las células hijas iban perdiendo su naturaleza. Se siguen dividiendo pero no a esa velocidad. Voy a tener una sincronización completa entre la formación de nuevos núcleos de cloroplastos y de mitocondrias, tendré un mayor número de cloroplastos y mitocondria y tendrán su genoma a una única copia.
Se produce una separación de la célula madre a célula hija de los cloroplastos cuyo núcleo se está replicando constantemente, si se produce una mutación en el cloroplasto, reparto estos cloroplastos en dos células hijas si se produce una mutación toda esta estirpe va a aportar esta mutación mientras que la otra línea celular no, voy a tener arlequines.
Supongamos que afectan a la producción de un pigmento en el cloroplasto, va a variar el color de esa célula, dependiendo de cómo se produzca la segregación voy a tener una coloración distinta de las hojas. Tendré hojas con todos los plastos de la estirpe silvestre, células con todos los plastos
Pero entonces hay un problema… si solo estudiamos organismos modelos, y encima mutantes… estamos limitando muchísimo el estudio y los resultados!!! Pero es lo que hay.
Uso de Bibliotecas genéticas en Levaduras
Se digieren los cromosomas de Arabidopsis y se obtienen los clones… se usan vectores y se insertan como YACs en levaduras. Luego así tenemos las colonias con nuestra librería de cDNA. Esos genes se expresan entonces en las levaduras y podemos intentar secuenciarlos, aislarlos, etc.
TEMA 21 – CRECIMIENTO, DESARROLLO Y DIFERENCIACIÓN
MORFOGENESIS y TOTIPOTENCIA VEGETAL
La morfogénesis son los cambios que se dan lugar al comienzo del ciclo de un organismo y que resulta en el desarrollo de las funciones vegetativas y reproductivas del mismo. En el desarrollo juvenil se da el desarrollo vegetativo fundamentalmente. Luego se comienza con la morfogénesis reproductiva para poder cumplir con la función de transmisión de información genética y la obtención de herencia.
Es fundamental tanto en el desarrollo vegetativo como reproductivo el aumento del número celular. Esas células generadas deberán crecer y aumentar su volumen celular. Finalmente deberán diferenciarse dando lugar a las células especializadas en su función. En ese último proceso lo que se intenta es activar un programa de expresión génica, es decir activar selectivamente unos genes para que se expresen diferencialmente en esos tejidos que cumplirán las funciones y los fenotipos relacionados con esos genes. Esos programas se activarán dependiendo de señales del medio celular (morfógenos). En ese medio cuentan cosas muy diversas. Como respuesta a esos estímulos, la célula responderá para especializar su DNA activando diferencialmente ciertos genes para expresarlos.
Normalmente una célula en que se dispara un programa, esa célula ya está predeterminada y determinada para ser eso. O sea que hay un cierto compromiso. En animales, generalmente el proceso es irreversible. En plantas, las células son más totipotentes. Es decir que no tienen una irreversibilidad tan clara. Cuando uno planta un esqueje de una planta, se regenera un individuo entero. Eso no se sabe si es porque todas las células son totipotentes o porque en cada división realmente solo una de las hijas se diferencia y la otra mantiene la totipotencia latente. O sea que realmente en esqueje podría ser que tuviéramos una población de células diferenciadas y comprometidas y una población pequeña de células madre totipotentes. Esas serían las que cambiarían según el ambiente cuando las trasplantamos en forma de un esqueje. De ellas dependería entonces la verdadera totipotencia vegetal. Pero aún así el tema no está demostrado y permanece como hipótesis.
Para El Crecimiento Vegetal Habrá Dos Formas – aumento del número celular y aumento del volumen celular…. El aumento del volumen celular por la extensión de la pared, el aumento de la turgencia y el aumento del volumen vacuolar ya lo vimos en el primer semestre. Sin embargo hay aumento del volumen también por el aumento del tamaño del núcleo. El aumento del número celular será por mitosis como siempre.
- Mitosis Y Aumento Del Nº Celular: La Regulacion Del Ciclo Celular En Plantas
En vegetales, hay número de células menor que en animales. El crecimiento es más que por número de células, por aumento del volumen celular. Pero claro, inicialmente, en la juventud,
evidentemente habrá proliferación y habrá mitosis normales. Así que el tema del ciclo celular es muy importante.
Sabemos que consta de las fases gap G1 y G2, una fase intermedia de síntesis y replicación S y una fase de división y mitosis M. La transición entre esas fases está regulada por las kinasas dependientes de ciclinas (proteínas reguladoras del ciclo). Entonces los dos componentes fundamentales son ciclinas y CDKs. Las ciclinas son unas proteínas que se unen activando a las CDKs. Esas CDKs están fosforiladas en el sitio activador. Las CDKs en general tienen 2 sitios de activación por fosforilación además del sitio de unión a las ciclinas. Luego de la división, en G1, las CDKs están inactivas, sin ciclinas ni fosfato. La fosforilación activadora se da en G1. La unión de la ciclina ya activa completamente la CDK y por lo tanto ahora se comienza la fase S. Durante la fase S, se suelta el fosfato del sitio activador (mediante una fosfatasa) y se degrada la ciclina. En consecuencia, durante la fase S, la CDK vuelve a inactivarse. Eso hará que la síntesis termine y comience la fase G2. En esta fase G2, se fosforilan los dos sitios y por lo tanto la CDK permanece inactiva… luego se une a una ciclina mitótica y ahora tenemos una CDK casi activa… finalmente una fosfatasa activadora elimina el fosfato del sitio inactivador y por lo tanto la CDK vuelve a estar activa y lleva la célula hasta la fase M. Durante la fase M se liberará el P del sitio activador mediante otra fosfatasa y se degradará la ciclina mitótica. En resumen se completa la fase M y finalmente se da la división adecuada. Los checkpoints entonces estarán fundamentalmente entre las diferentes fases y están mediados por kinasas activadoras de CDK, fosfatasas activadoras de CDK y fosfatasas y kinasas inactivadotas de CDKs. Además lógicamente por las ciclinas que se degradarán o se sintetizarán de formas diferentes. Las CDKs activas serán las que promuevan entonces el PASO de la fase G1 a S y el paso de la fase G2 a la M. Luego tanto durante la fase S como M, se deben inactivar para concluir la fase. Tanto las auxinas como las citoquininas regularán como fito-hormonas este ciclo celular.
- La Endorreduplicacion Del Dna Origina Poliploidia Como Mecanismo De Aumento De Tamaño En Celulas Vegetales
El hecho de que las células vegetales sean más voluminosas que las animales depende también del volumen del núcleo. El volumen del citoplasma depende del volumen del núcleo. Los vegetales tienen una enorme capacidad para generar endociclos. Es decir que hay cariosíntesis y cariocinesis sin que haya citocinesis y división celular. En resumen aumentará el número cromosómico de la célula dando lugar a la reduplicación de los cromosomas y dando origen a poliploidías. El proceso es llamado endorreduplicación del DNA. La mayor parte de las células vegetales SON POLIPLOIDES. Así tenemos células 4n, 8n, 12n. De hecho la poliploidía ha llevado a la selección artificial en la agricultura de granos y cereales. Así, como hay más núcleo, aumenta también el tamaño de la célula. Ejemplo: En un meristemo tendremos todas células diploides. Cuando comienza la diferenciación, ciertos tejidos aumentan de volumen. Entonces tendremos tejidos más juveniles con algunas capas de células 4n. Luego continúa la diferenciación y la maduración del tejido donde ya tendremos células octaploides, tetraploides, etc.
Citocinesis Asimetrica Y Diferenciacion Celular
Esto sucede mucho en animales pero fundamentalmente lo encontramos en vegetales. Excepto en las células madre originales, las divisiones mitóticas suelen ser asimétricas. Las divisiones pueden ser anticlinales o periclinales. Una célula troncular se divide primero de forma anticlinal y da origen a una célula hija también troncal y una célula hija ya destinada a dar otro tipo de tejidos más diferenciados. La que se quede con la vacuola de la original madre será la que mantenga la totipotencialidad y será troncular.
diferenciar bien las dos fases ya que están separados. En el envés de las frondas están los esporangios en los que se da la meiosis. Las esporas haploides resultantes dan lugar a los gametofitos que crecen y desarrollan los gametangios. En ellos se diferencian los gametos. Esos se fecundan y dan lugar al cigoto diploide que se desarrollará en el esporofito diploide nuevamente.
Pero en las plantas con flores sabemos que el ciclo haplodiplonte es diferente. El gametofito es una parte que se desarrolla sobre el esporofito. Las plantas con flores tienen el gametofito muy reducido. El femenino es el saco embrionario que reside en los primordios seminales. El masculino es el grano de polen. Las flores monoicas son las que tienen los dos sexos (hermafroditas) en el mismo órgano floral. Las plantas dioicas tienen los dos sexos sobre diferentes individuos. Las plantas monoicas tienen flores hermafroditas.
En gimnospermas, que no son plantas con flores verdaderas tienen estróbilos. No suele haber gimnospermas con estróbilos hermafroditas. Sin embargo los estróbilos (pseudo-inflorescencias) se desarrollan como hermafroditas pero solo se desarrolla un sexo. En los estróbilos femeninos tendremos los primordios seminales. En los masculinos tendremos el “polen”. Las angiospermas tienen doble fecundación y las gimnospermas tienen fecundación única. La doble fecundación da lugar al embrión rodeado por el endospermo. El endospermo sin embargo será triploide mientras que el embrión será diploide.
EMBRIOGENESIS
Es la primera etapa del desarrollo de una planta y una clave en el desarrollo de la semilla (está incluido, es decir, hay que contárselo si nos pregunta sobre el desarrollo de las semillas – una pregunta clásica)
Tenemos ya formado el cigoto rodeado por el endospermo. Por fuera tendremos el saco embrionario y la nucela (tejido nucelar). La embriogénesis produce en las espermatophyta las SEMILLAS. En una semilla hay un embrión, un endospermo (muy desarrollado y nada transitorio si son monocotiledóneas o poco desarrollado y transitorio si son dicotiledóneas) y cubiertas de la semilla (cubiertas seminales o testas). Las semillas pueden estar encerradas en un fruto (fructificación). Luego sigue un proceso de germinación de las semillas que serán las que generen el esporofito (la planta típica) nuevamente. Hablaremos nosotros sobre este ciclo fundamentalmente en todo esto del desarrollo vegetal. Desde la germinación hasta el desarrollo del gametofito tenemos el DESARROLLO VEGETATIVO. La generación de gametos hasta la fecundación es el llamado DESARROLLO REPRODUCTIVO.
La planta que genera ramas, hojas, etc. llega a un momento en su ciclo vital que hace que en vez de seguir generando ramas u hojas genere FLORES. Donde una yema debería dar lugar a una rama da lugar a una flor. Las mismas señales que promovían el desarrollo de ramas ahora actuarán para el desarrollo de la flor! Entrará entonces en el ciclo reproductivo!!!! Ahí ya la planta cumplió su ciclo vegetativo y puede O NO reanudarlo. Esto es una parte del ciclo es una importante diferencia con respecto a los animales. Se ve mucho en las anuales pero también en las bianuales, etc. Coincidiendo entonces con el fin del desarrollo reproductivo comienza entonces la SENESCENCIA de organos vegetativos – flores y partes no reproductivas de las flores (pétalos, sépalos, etc. – el llamado perianto). Eso es porque la planta no necesitará gastar energía en esos tejidos. Y por lo tanto la senescencia es una parte FUNDAMENTAL del desarrollo vegetal.
El Desarrollo De La Megaespora Femenina
A partir de 3 mitosis, la megaespora femenina da lugar a 7 células hijas en vez de 8. Eso debido a que dos se fusionan nuevamente. Entonces tenemos 6 células haploides y una diploide. Se forma así el gametofito femenino. De los 6 núcleos haploides, uno de ellos será la ovocélula (equivalente
al óvulo animal… el oocito). El diploide constituirá los núcleos endospérimicos. La fecundación de la ovocélula dará lugar al cigoto diploide. La fecundación del núcleo diploide dará lugar al endodermo triploide. Es el único tejido originalmente triploide encontrable en todos los seres vivos. Es un tejido nutritivo para el desarrollo del embrión. Es un tejido de transición en dicotiledóneas y es permanente en monocotiledóneas.
EL ENDOSPERMO: SE DIVIDEN LOS NUCLEOS PERO NO LAS CELULAS, SE PRODUCE DESPUES DE
FURA A DENTRO.
El Cigoto
Es una célula alongada y polarizada. Tiene una vacuola por un lado alargada y en un extremo el núcleo. Ese núcleo se replica y divide para comenzar el desarrollo primario del embrión. Las dos células resultantes serán diferentes. La superior será pequeña y redondita y se lleva casi todo el citoplasma del cigoto. La inferior se quedará con TODA la vacuola del cigoto, pero con poco más. ¡Cada una dará origen a cosas DIFERENTES! Todo el programa de desarrollo de la planta estará entonces en esa primera célula hija que se llevó casi todo el citoplasma. La célula inferior degenerará y será vestigial. Se llama suspensor. A partir de ahí la otra (la potencial) se llama ya embrión. El suspensor sirve solamente para sostener el embrión en las primeras fases. En el citoplasma ese que se llevó la célula hay mensajeros de origen materno que tienen funciones fundamentales para el desarrollo de las fases iniciales. Sin embargo todavía no están muy vistos y hay todavía mucha experimentación sobre el tema.
El Embrion
El suspensor se seguirá dividiendo dando lugar a un tronquito de taquitos de células. El embrión enseguida con unas pocas divisiones ya consigue diferenciaciones en algunas zonas. Con ya 8 o 16 células, hay una prodiferenciación en algunos tejidos. La futura epidermis, los precursores del córtex y la médula y los precursores del cambium vascular (Procambium). A esos primeros pasos de diferenciación les siguen unos pasos de diferenciación de órganos debido al inicio de las llamadas divisiones asimétricas. En seguida se diferencia una parte ligada al suspensor que será la futura caliptra (el organo que protege a la raíz primaria que se desarrollará por el suelo. El procambium ya se ramifica dando lugar a los vasos primarios de transporte acuoso. También se estructura ya la protodermis y el córtex. Ese estado terciario del embrión es el estado corazón. En el cuarto estado ya comienza el desarrollo de los cotiledones. En un quinto estado embrionario ya está configurado el desarrollo de los meristemos apicales del tallo y los meristemos apicales radiculares. Esos meristemos serán los que originarán el tallo y la raíz respectivamente. Y permanecen latentes como meristemos secundarios en las yemas por toda la planta adulta. Sin embargo si comparamos estos embriones con los fetos animales, no tienen nada que ver. Los embriones animales son más similares a animales que este embrión a una verdadera planta adulta. Es otra diferencia con respecto a los animales bastante importante. Pero lo que sí está definido ya en el embrión es el programa de desarrollo de la planta. El patrón de desarrollo de la planta. Ya lo que va a ser tallo está predestinado a ser tallo y ya lo que es meristemo radical no puede cambiar y será predestinado a ser raíz. O sea que hay ya un compromiso y una determinación en esta quinta fase. Además dentro del meristemo apical del tallo se puede ver incluso los meristemos foliares (los que darán lugar a los tejidos foliares, la última parte de la planta que nos quedaba por ver en el embrión).
En el estado de 8 células entonces tenemos ya las células que darán lugar al tallo, a la hipófisis (caliptra). Las cuatro células apicales dan lugar a epicótilo y meristemos apicales del tallo. Las cuatro células medias darán lugar a la raíz y el hipocótilo. Las células más inferiores son las que dan lugar a la caliptra, los centros quiescentes del ápice de la raíz, etc. La porción que hay entre el meristemo apical del tallo y los cotiledones se llama epicótilo. La porción que hay por debajo de los cotiledones y por encima del meristemo apical radicular es el
