Información

Desarrollo - Biología


Desarrollo describe los cambios en un organismo desde sus inicios hasta la madurez.

Figura ( PageIndex {1} ). (CC BY-NC-SA; N. Trigo)

Fertilización

Fertilización es el evento inicial en el desarrollo de la reproducción sexual.

  • Unión de gametos masculinos y femeninos.
  • Recombinación de genes maternos y paternos.
  • Restauración del diploide número (dos juegos de cromosomas).

Cigoto

La célula diploide resultante de la fertilización ahora se llama cigoto.

Figura ( PageIndex {2} ). desarrollo en la estrella de mar (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Escote

Escote- divisiones celulares rápidas después de la fertilización. Se produce muy poco crecimiento mientras las células se dividen. Cada celda llamada blastómero.

Figura ( PageIndex {3} ). desarrollo en la estrella de mar (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Este video muestra el escote en un embrión de rana:

Mórula

Mórula- el nombre que se le da a la bola sólida de células que resulta de la escisión. Primeras 5-7 divisiones.

Figura ( PageIndex {4} ). desarrollo en la estrella de mar (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Blástula

A medida que continúan las divisiones, una cavidad llena de líquido, el blastocele, se forma dentro del embrión. La bola hueca de células resultante ahora se llama blástula.

Figura ( PageIndex {5} ). desarrollo en la estrella de mar (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Gastrulación

El proceso morfogenético llamado gastrulación reorganiza las células de una blástula en tres capas (triploblástico) embrión, llamado gástrula, que tiene un intestino primitivoArchenteron).

Figura ( PageIndex {6} ). desarrollo en la estrella de mar (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

El Blastoporo

los blastoporo es la primera abertura en el embrión, el punto de invaginación durante la gastrulación. El blastoporo eventualmente se convertirá en la boca o en el ano. Un extremo del tubo intestinal o el otro. El espacio que se forma durante este tiempo es el intestino primitivo, el Archenteron.

Figura ( PageIndex {7} ). desarrollo en la estrella de mar (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Gastrulación

Las tres capas de tejido producidas por gastrulación se denominan embrionarias. germencapas. los ectodermo forma la capa exterior de la gástrula. Superficies externas, tejido neural

los endodermo recubre el tracto digestivo embrionario. los mesodermo llena parcialmente el espacio entre el endodermo y el ectodermo. Músculos, sistema reproductivo

Gastrulación - Erizo de mar

La gastrulación en un erizo de mar produce un embrión con un intestino primitivo (Archenteron) y tres capas germinales.

Gastrulación - Pollito

La gastrulación del pollito se ve afectada por la gran cantidad de yema del huevo. El embrión se encuentra esencialmente sobre una gran masa de yema.

Rasgo primitivo- un surco en la superficie a lo largo del futuro eje anteroposterior.

  • Funcionalmente equivalente al labio blastoporo en rana.

Gastrulación - Mamíferos

En los mamíferos, la blástula se llama blastocisto. Celula interior masa se convertirá en el embrión mientras trofoblasto se convierte en parte de la placenta.

Figura ( PageIndex {8} ). blastocisto. (CC BY-NC-SA; Wikipedia)

La gastrulación en los mamíferos involucra la masa celular interna y es similar a la del polluelo debido al hecho de que los antepasados ​​de los mamíferos y los primeros mamíferos pusieron huevos. La gran masa de yema puede haber desaparecido, pero el patrón de desarrollo permanece.

Suites de personajes evolutivos

Dos grupos principales de animales triploblásticos:

  • Protóstomos incluyen gusanos planos, anélidos y moluscos.
  • Deuterostomos incluyen equinodermos y cordados.

Protóstomos y deuteróstomos

Los protostomas y deuterostomas se diferencian por:

  • Escisión espiral vs radial
  • Mosaico frente a escisión reguladora
  • Blastoporo se convierte en boca contra ano
  • Schizocoelousvs. formación de celoma enterocelular.

Escisión radial o espiral

Escote en espiral- Ocurre en la mayoría de los protostomos. Algunos ecdisozoos muestran hendidura radial o superficial (insectos).

Figura ( PageIndex {9} ). (CC BY-NC-SA; N. Trigo)

Radial escote- se encuentra en la mayoría de los deuterostomas. Los tunicados y los mamíferos tienen patrones de hendidura especializados.

Figura ( PageIndex {10} ). (CC BY-NC-SA; N. Trigo)

Mosaico vs.Desarrollo Regulatorio

Desarrollo de mosaico- el destino celular está determinado por los componentes del citoplasma que se encuentran en cada blastómero. No se puede desarrollar un blastómero aislado. Protóstomos

Desarrollo regulatorio- el destino de una célula depende de sus interacciones con los vecinos, no de la parte de citoplasma que tenga. Un blastómero aislado al principio de la escisión puede ser de un individuo completo (por ejemplo, gemelos). Deuterostomos

Destino del Blastoporo

Protostome significa "primera boca". Blastoporo se convierte en la boca. La segunda abertura se convertirá en el ano.

Deuterostome significa "segunda boca". los blastoporo se convierte en el ano y la boca se desarrolla como la segunda abertura.

Figura ( PageIndex {11} ). desarrollo en la estrella de mar (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Formación Coelom

los celom es una cavidad corporal que se encuentra en muchos organismos triploblásticos y que está completamente rodeada de mesodermo. No todos los protóstomos tienen un verdadero celoma. Pseudocelomatos tienen una cavidad corporal entre el mesodermo y el endodermo. Acoelomates no tienen ninguna cavidad corporal que no sea el intestino.

En los protostomas que tienen un celoma, se forma una banda mesodérmica de tejido. antes de se forma el celoma. En el proceso de formación del celoma llamado esquizocoly, este mesodermo se divide para formar un celoma.

En enterocoely, el celoma se forma como un embolsamiento del intestino. Los deuterostomas típicos tienen celomas que se desarrollan por enterocoely. Los vertebrados usan una versión modificada de esquizocoely.



Este tutorial fue financiado por la subvención Título V-STEM # P031S090007.


Biología del desarrollo

Los xenobots están cambiando algunos puntos de vista convencionales en biología del desarrollo.

Por su incansable asalto a la biología evolutiva y la reducción del tamaño de la deidad para encajar en la ciencia, le doy a Meyer el segundo lugar.

Sin embargo, la complementariedad como los católicos conservadores usan el término es más que biología.

Pero, en general, repaso las mismas cosas para cada etapa de desarrollo.

Jean Piaget, el psicólogo del desarrollo más famoso del siglo XX, destaca esto en un estudio clásico.

"A largo plazo, estoy más preocupado por la biología", dijo a The Telegraph.

Su columna vertebral debería ser el estudio de la biología y su sustancia debería ser la trilla de las cuestiones candentes de nuestros días.

“La botánica es la rama de la biología que se ocupa de la vida vegetal” tiene en sí el mismo error.

“Biología” no se entiende tan bien como “botánica”, aunque es un término más general.

De ello se desprende que la biología es la base más que la casa, si podemos usar una cifra tan burda.

Es hora de abandonar la noción de que la biología prescribe en detalle cómo haremos de dirigir la sociedad.


Fronteras científicas en toxicología del desarrollo y evaluación de riesgos (2000)

La ausencia de una comprensión incisiva de la acción de los tóxicos sobre el desarrollo se ha atribuido en gran parte a la falta de comprensión del desarrollo en sí. Hasta hace unos años, no se conocía un "mecanismo de desarrollo" a nivel molecular, aunque había explicaciones a nivel celular y tisular, como "la quogastrulación es el mecanismo por el cual la organización del óvulo se transforma en la organización del embrión". . & rdquo Los avances recientes en la biología del desarrollo han sido lo suficientemente sustanciales como para que los científicos tengan la certeza por primera vez de que algunos aspectos del desarrollo en algunos organismos se comprenden a nivel molecular. Se identifican los componentes de las proteínas, se conocen sus funciones en los procesos de desarrollo y se conoce el momento y el lugar en el embrión de expresión de los genes que los codifican. Este conocimiento beneficia enormemente a dilucidar los mecanismos de toxicidad para el desarrollo.

En este capítulo, el comité, en respuesta a su cargo, evalúa el estado de la ciencia para dilucidar los mecanismos de toxicidad del desarrollo y presenta conocimientos sobre la biología del desarrollo. Mostrará la promesa del tema en la próxima década para comprender la acción de los tóxicos del desarrollo.

BREVE HISTORIA DE LA BIOLOGÍA DEL DESARROLLO

Las observaciones de embriones y etapas embrionarias se realizaron y registraron en la antigüedad (por ejemplo, Aristóteles, siglo IV a.C.) y con una atención creciente en los últimos siglos (por ejemplo, Malphigi en el siglo XVII, Wolff en el siglo XVIII y von Baer a principios del siglo XIX). Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XIX cuando los científicos realizaron una descripción detallada de las etapas embrionarias de una variedad de vértebras.

brates e invertebrados, ayudados por las mejoras entonces recientes en microscopía óptica y en métodos de tinción y estimulados por las propuestas de Darwin & rsquos de que el estudio de la ontogenia (es decir, el desarrollo embrionario de animales & rsquos) contiene pistas sobre la filogenia (es decir, su origen evolutivo). Entre los aspectos más destacados durante el período de 1880-1940 se encuentran las descripciones anatómicas detalladas de las etapas de desarrollo de los embriones, incluido el primer atlas de embriones humanos, reconstruido a partir de secciones microscópicas, publicado por W. His, Sr., en 1880-1885. En embriología de vertebrados, estas descripciones revelaron la organogénesis del corazón, riñón, extremidades, sistema nervioso central (SNC) y ojos. Los estudios de mapeo del destino del desarrollo revelaron los sitios embrionarios del origen de las células de los órganos y los reordenamientos de los grupos de células en la morfogénesis. Se encontró que las etapas de desarrollo incluyen, en orden inverso, citodiferenciación, organogénesis, morfogénesis (gastrulación y neurulación), escisión rápida, fertilización y gametogénesis. En la década de 1940, las descripciones anatómicas de los embriones de animales relacionados se integraron en esquemas evolutivos coherentes, enseñados en clases de embriología comparativa, revelando, por ejemplo, la modificación de las hendiduras branquiales de los peces sin mandíbula en la mandíbula de los peces con mandíbula y la modificación adicional de la oído medio de los mamíferos. Además, en ese momento, el esquema simplificado de Haeckel & rsquos había sido abandonado, es decir, que la ontogenia simplemente recapitula la filogenia.

La embriología experimental también comenzó a fines del siglo XIX. En estudios experimentales, que involucraron principalmente técnicas de trasplante y extirpación de células y tejidos, se reconoció el papel central de las localizaciones citoplasmáticas y los destinos de desarrollo restringidos por el linaje celular en el desarrollo de ciertos invertebrados a principios del siglo XX. En el desarrollo de vertebrados, la importancia de las inducciones (también llamadas interacciones tisulares) se reconoció en la década de 1920, tras los asombrosos experimentos de trasplante de organizadores realizados por Spemann y Mangold (1924) en embriones de tritón. En la década de 1950, se habían encontrado inducciones en todas las etapas y lugares del embrión de vertebrados, por ejemplo, en todos los tipos de organogénesis. El desarrollo de los vertebrados, incluido el de los mamíferos, se había vuelto comprensible como una sucesión ramificada de interacciones inductivas entre miembros vecinos de un número cada vez mayor de diferentes grupos de células del embrión.

Los mecanismos del desarrollo, como se entendían incluso en la década de 1970, eran descripciones de los movimientos y las interacciones de células o grupos de células. Eran mecanismos a nivel celular o tisular. Los "inductores" más importantes eran materiales de composición desconocida liberados por un grupo celular y recibidos por otro grupo. En consecuencia, las células receptoras tomaron un camino de desarrollo diferente al que hubieran seguido si no estuvieran expuestas. También se reconoció la progresión o el impulso del desarrollo: que los eventos individuales de interacciones y respuestas son críticos en el tiempo, y que ciertos aspectos posteriores del desarrollo nunca ocurren si se previene un evento.

Sin embargo, en ese momento no se entendían los mecanismos moleculares. Los embriólogos encontraron los límites del campo en el período 1940-1970, mientras intentaban descubrir la naturaleza química de los inductores y las respuestas de las células a ellos.

La información y los métodos básicos de bioquímica, biología molecular, biología celular y genética aún no estaban disponibles para analizar la señalización célula a célula y la regulación transcripcional en embriones. A la luz de los resultados desalentadores, algunos embriólogos consideraron que el concepto de organizador era defectuoso y que los inductores eran un artefacto experimental (ver la discusión posterior para los éxitos recientes en la comprensión de las inducciones). Aunque Morgan y otros genetistas tempranos habían propuesto que los inductores y las localizaciones citoplasmáticas provocan la expresión génica específica y que el desarrollo era en gran parte un problema de patrones de expresión génica en constante cambio (Morgan 1934), no se disponía de los medios para perseguir esos conocimientos. Roux, Spemann y Harrison habían esbozado líneas plausibles de investigación sobre la determinación y la morfogénesis a principios del siglo XX; sin embargo, tampoco se disponía de los medios para abordar esas cuestiones en ese momento.

Para muchos científicos en el período 1940-1970, el estudio del desarrollo parecía complicado e intratable. Los investigadores recurrieron a temas más informativos, como la nueva genética molecular de bacterias y fagos (virus que infectan a las bacterias). De esas investigaciones surgieron nuevos conocimientos en el período 1950-1965 sobre la naturaleza del gen y el código y los procesos de replicación, transcripción, traducción, inducción enzimática y represión enzimática. Por ejemplo, no fue hasta 1961 que Monod y Jacob describieron la regulación de genes en bacterias en términos de promotores, operadores y proteínas represoras (Monod y Jacob 1961). Esos autores vieron de inmediato la relevancia para el desarrollo animal. Todos sus conocimientos hicieron posible la invención de técnicas para el aislamiento y amplificación de genes, para la expresión in vitro de genes, para el análisis del genoma y, posteriormente, para la nueva biología del desarrollo.

Con tan poca información molecular sobre los procesos del desarrollo, apenas se entendía la acción de los tóxicos del desarrollo. Por ejemplo, Wilson (1973) en su libro Defectos ambientales y de nacimiento solo podría plantear las siguientes posibilidades de conexiones entre inducciones y defectos del desarrollo:

Se ha aceptado durante mucho tiempo que las interacciones celulares (inducción) son una parte importante de la embriogénesis normal, a pesar de que no se han identificado "sustancias inductoras" específicas. [Las fallas] de las interacciones normales que pueden conducir a desviaciones en el desarrollo incluyen, por ejemplo, la falta de contacto o proximidad habitual, como la vesícula óptica con un presunto ectodermo del cristalino o la incompetencia del tejido diana para activarse a pesar de su relación habitual con el activador tejido, como en ciertos defectos de extremidades mutantes o en el momento inadecuado de la interrelación, aunque todas las partes son potencialmente competentes. Se ha demostrado & hellip que la naturaleza de los contactos de célula a célula y la forma de su adhesión son determinantes importantes tanto en el desarrollo normal como anormal. Las interacciones celulares insuficientes o inapropiadas normalmente dan como resultado un desarrollo detenido o desviado en el tejido normalmente inducido o activado por la interacción.

Este comité argumentará más adelante que el conocimiento de Wilson & rsquos fue bien dirigido y ahora está listo para ser seguido.

AVANCES EN BIOLOGÍA DEL DESARROLLO

En los últimos 15 años, la biología del desarrollo ha avanzado notablemente, quizás como en ningún otro momento de la historia de este campo. Ahora se sabe que los billones de células de un animal grande, como un mamífero, tienen el mismo genotipo, que es el mismo que el del cigoto unicelular (el óvulo fertilizado) a partir del cual se desarrolla el animal. Es decir, el contenido genético de las células somáticas no cambia durante el desarrollo de la mayoría de los animales. Las clonaciones recientes de la oveja Dolly (Wilmut et al. 1997), la familia de ratones Cumulina (Wakayama et al. 1998) y un primate no humano (Chan et al. 2000) reafirman el hecho de que una célula especializada, como una mamaria o cúmulo celular, lleva los genes de todos los demás tipos de células del animal. Los avances científicos que llevaron a estas clonaciones se basaron en éxitos anteriores de trasplantes nucleares en ranas, primero por Briggs y King (1952), pero particularmente por Gurdon (1960), que había llevado a conclusiones similares para un vertebrado no mamífero. A pesar de los mismos genes, las células dentro del organismo individual difieren mucho en su apariencia y funciones, lo que significa que tienen el mismo genotipo y diferentes fenotipos. Los tipos de células difieren mucho en los ácidos ribonucleicos (ARN) y las proteínas que contienen. Se diferencian en qué subconjunto de genes expresan de su repertorio genómico total. Los seres humanos reconocen al menos 300 tipos de células (p. Ej., Glóbulos rojos, células nerviosas de Purkinje y células musculares lisas o estriadas). El número de subtipos de células es mucho mayor, quizás decenas de miles, cuando se tienen en cuenta otras diferencias relacionadas con la etapa de desarrollo de la célula y su ubicación en el cuerpo, como se ha descubierto en los últimos años. El desarrollo puede verse como la evolución y el ejemplo supremo de la regulación genética compleja. A partir del genoma único, deben expresarse miles de combinaciones de genes diferentes en momentos y lugares específicos en el organismo en desarrollo, y del huevo en desarrollo debe generarse la información para el uso selectivo de combinaciones.

Un factor importante en esta regulación es la transferencia de información química (es decir, señales) entre las células durante el desarrollo. A partir de investigaciones recientes, que se han basado en hallazgos anteriores, ahora se observa lo siguiente:

Las células embrionarias de artrópodos y nematodos toman muchas de sus decisiones de desarrollo en función de las señales químicas que reciben de otras células, tal como lo hacen las células embrionarias de vertebrados. Posteriormente, las células embrionarias de todos estos organismos tomarán decisiones adicionales basadas en otras señales. Los ciclos de señalización y respuesta se repiten una y otra vez a medida que avanza el desarrollo. Teniendo esto en cuenta y el hecho de que un genotipo admite cientos o miles de fenotipos celulares, se puede decir que el desarrollo se basa en las interacciones "genotipo-entorno", en las que el entorno local de cada célula es generado por grupos de células vecinas. Las decisiones de desarrollo previas del genotipo y de la célula determinan sus opciones de respuesta a las señales actualmente presentes (Wolpert 1969).

Se sabe que las vías de señalización implicadas en esta transferencia de información son de 17 tipos (algunas más pueden permanecer sin descubrir). Se utilizan repetidamente

en diferentes momentos y lugares del embrión, desde las etapas más tempranas hasta la organogénesis y la citodiferenciación, e incluso en los diversos tejidos en proliferación y renovación del juvenil y del adulto (ver Apéndice C).

Las vías de señalización están altamente conservadas en una amplia gama de fila de animales (desde cordados hasta artrópodos y lombrices intestinales), presumiblemente porque estaban presentes y ya eran funcionales en el antepasado común precámbrico de esos animales.

También se conservan muchos de los tipos de respuestas celulares a las señales (p. Ej., Respuestas de expresión, secreción, proliferación celular o migración celular selectiva de genes). La respuesta de las células en desarrollo a las señales implica la activación o represión de la expresión de genes específicos por factores de transcripción contenidos dentro de los circuitos reguladores genéticos. Las vías de señalización afectan con frecuencia la actividad de esos factores. Muchos de los factores y circuitos de transcripción se conservan en una amplia gama de filos de animales.

Por lo tanto, un enfoque general y eficaz para el análisis experimental de los procesos de desarrollo en todas las etapas ha sido indagar sobre las vías de señalización y los circuitos reguladores de la transcripción que operan en la instancia particular del desarrollo en estudio. Los diferentes organismos, que difieren en aspectos de su desarrollo, utilizan no obstante las mismas vías de señalización conservadas y circuitos reguladores, pero en diferentes combinaciones, tiempos y lugares, y tienen diferentes genes como objetivos de sus circuitos reguladores transcripcionales. Los procesos de desarrollo, que parecían confrontar a los científicos con una complejidad y variedad infinitas hace solo unos años, ahora parecen interpretables como compuestos de un pequeño número de procesos elementales conservados, a saber, los de señalización intercelular, circuitos reguladores intracelulares y una variedad limitada de procesos. respuestas específicas. Estas conclusiones, a las que se llegó mediante el análisis del desarrollo en animales tan remotos como ratones, moscas y nematodos, dan gran validez al uso de organismos modelo en el estudio del desarrollo de los mamíferos, incluido el de los humanos, y en el análisis futuro de la acción. de tóxicos del desarrollo y en su detección.

Aunque las vías señal-respuesta están muy conservadas, la evolución ha producido una complejidad creciente de la "comunidad" de vías en los vertebrados. Esta complejidad es evidente tanto en el mayor número de componentes de la vía estrechamente relacionados (miembros de la familia de proteínas diversificados) como en las mayores posibilidades de interferencia entre las vías. La función redundante de componentes estrechamente relacionados se hizo evidente por la existencia de numerosas mutaciones de eliminación de genes dirigidas en el ratón que produjeron poco o ningún fenotipo identificable, es decir, los ratones son normales o casi normales en condiciones de laboratorio (ver Tabla 6-5, más adelante en este capítulo). Sin embargo, debe enfatizarse que la redundancia funcional ofrece dos ventajas. Protege al organismo asegurando que un proceso fundamental pueda continuar incluso en ausencia o presencia reducida de una actividad genética crítica. A escala evolutiva, la multiplicidad de superposiciones

Las funciones de ping proporcionan una base para generar diversidad sin perder la funcionalidad esencial.

Los Drosophila Descubrimiento

La comprensión molecular reciente de los procesos y componentes del desarrollo se obtuvo a partir del análisis experimental de algunos organismos modelo, como Drosophila melanogaster (la mosca de la fruta), Caenorhabditis elegans (un nematodo de vida libre), Danio rerio (el pez cebra), Xenopus laevis (una rana), el polluelo y el ratón (consulte el Capítulo 7 para obtener propuestas sobre su uso en la evaluación de las toxicidades para el desarrollo). D. melanogaster y C. elegans fueron elegidos por los investigadores por su facilidad para el análisis genético, gracias a su pequeño tamaño (por lo tanto, grandes poblaciones) y ciclo de vida corto (por lo tanto, muchas generaciones). N & uumlsslein-Volhard y Wieschaus (1980) comenzaron una búsqueda sistemática de mutantes de desarrollo de Drosophila a mediados de la década de 1970. Sometieron a los adultos a mutagénesis química de alta frecuencia y luego inspeccionaron grandes poblaciones de descendientes en busca de individuos mutantes con defectos de desarrollo fuertes y tempranos (antes de la eclosión) en ubicaciones y etapas discretas del embrión. Descartaron mutantes con efectos débiles o pleiotrópicos por ser demasiado difíciles de analizar al principio. Examinaron moscas mutagenizadas hasta que los mismos tipos de mutantes comenzaron a aparecer repetidamente en sus colecciones. La recurrencia fue evidencia de que habían obtenido todos los diferentes tipos de mutantes cigóticos (los afectados en genes transcritos después de la fertilización) que las moscas mutagenizadas podían producir bajo las condiciones de inspección. Este procedimiento se denomina & ldquosaturación mutagénesis & rdquo, en el que se cree que se revelan todos los genes susceptibles cuyos productos codificados son importantes para el desarrollo. Varios laboratorios, incluidos los de N & uumlsslein-Volhard y Wieschaus, también estaban recolectando mutantes de efecto materno (los afectados en genes transcritos en células germinales femeninas antes de la fertilización) y continuaron esta búsqueda hasta la saturación.

los Drosophila Los mutantes se categorizaron por fenotipo y comportamiento de complementación (juntando dos mutaciones en un heterocigoto para ver si son iguales o diferentes) para establecer el número de genes diferentes cuyas mutaciones dan el mismo defecto fenotípico de desarrollo. Sus categorías incluían aquellos embriones que no lograban desarrollar el extremo anterior o posterior, segmentos pares o impares, partes dorsal o ventral, mesodermo, endodermo o sistema nervioso. Se realizaron más combinaciones mutantes para establecer la epistasis (la interacción de diferentes productos génicos, reflejada en el dominio de un defecto mutante sobre otro) y para deducir vías de desarrollo plausibles en las que las acciones de los productos génicos codificados podrían relacionarse y ordenarse. A fines de la década de 1980, una base sólida de observaciones de Drosophila Se habían construido fenotipos mutantes y ubicaciones de genes, y se habían propuesto vías de función ordenadas basadas en las interacciones mutantes. Esta información sirvió como base para futuros análisis genéticos moleculares. La investigación fue el primer enfoque sistemático y exhaustivo para comprender

el desarrollo de un organismo y sus rsquos y la identificación de los componentes de los procesos de desarrollo.

Sinergia con los avances de la investigación en otras áreas

Mientras tanto, otros investigadores de todo el mundo lograron avances en bioquímica, biología molecular, biología celular y genética. Aprendieron mucho sobre la función de las proteínas en la replicación, transcripción, traducción, secreción, captación, tráfico de membranas, motilidad celular, división celular, ciclo celular, adhesión celular y apoptosis (muerte celular programada), por mencionar solo algunos. de los procesos celulares. Los investigadores mejoraron los métodos para aislar genes, secuenciarlos, manipular secuencias, realizar transcripciones in vitro, detectar ARN mensajero (m) en células mediante hibridación in situ, traducir ARN en proteínas in vitro y producir anticuerpos contra proteínas. La hibridación in situ, que reveló gráficamente el tiempo y el lugar de expresión de genes específicos en el embrión, resultó ser particularmente importante para conectar el nuevo análisis molecular con la anatomía del desarrollo más antigua. Gran parte del trabajo se realizó inicialmente con organismos unicelulares: bacterias, levaduras o células animales en cultivo. Algunas ideas y técnicas provienen del estudio de las células cancerosas en la búsqueda de oncogenes.

En el curso de ese trabajo, se descubrió que muchos de los procesos, funciones de las proteínas y secuencias de proteínas se conservaban fuertemente entre organismos tan diversos como la levadura y los humanos o incluso las bacterias y los humanos. Varias proteínas de diferentes organismos, y también dentro del mismo organismo, compartían & ldquosecuencia de motivos & rdquo por los cuales la proteína podría ser reconocida como miembro de una familia de proteínas con una función particular y descendiente de un ancestro de secuencia común. A las proteínas recién descubiertas se les podría asignar una función simplemente por poseer un motivo particular. A medida que se encuentren más motivos, será más fácil clasificar las proteínas recién descubiertas. Por ejemplo, las tirosina quinasas receptoras eran reconocibles por sus motivos hidrófobos transmembrana y dominios de unión a trifosfato de adenosina (ATP). Los receptores ligados a proteína G podrían distinguirse por un motivo transmembrana de siete pasos (serpentina). Los factores de transcripción podrían reconocerse por los motivos de secuencia de sus dominios de unión de ácido desoxirribnucleico (ADN) (por ejemplo, dominios de dedo de zinc, hélice-bucle-hélice básica, homeodominio o dominios de cremallera de leucina). De los genomas secuenciados recientemente de levadura y C. elegans, por ejemplo, aproximadamente el 40% de los marcos de lectura abiertos (ORF) son reconocibles por motivos conocidos (Chervitz et al. 1998). La función puede asignarse, al menos de forma preliminar, a los productos de esos genes. Hay planes en marcha para definir la función de los ORF faltantes de la levadura y hacer que las funciones de todas las proteínas sean asignables a partir de la secuencia. Al mismo tiempo, se prevé identificar un gran número de secuencias de unión a proteínas en las regiones reguladoras de los genes para poder predecir mejor las condiciones de expresión de los genes. Estos planes se encuentran entre los objetivos de la & ldquofuncional genómica & rdquo, como se describe en el Capítulo 5. Toda la información sobre secuencias, motivos y funciones se almacena en las bases de datos disponibles.

a investigadores de todo el mundo (por ejemplo, la herramienta básica de búsqueda de alineación local (BLAST) y lthttp: //www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/>).

Drosophila Desarrollo a nivel genético molecular

Para cuando el Drosophila Los mutantes se caracterizaron a mediados de la década de 1980, las técnicas eran adecuadas para el análisis genético molecular de genes y productos génicos afectados. Esta parte del trabajo avanzó rápidamente, gracias a las técnicas de clonación de genes, la información de antecedentes sobre los motivos de la secuencia de genes y la función de las proteínas, y las bases de datos disponibles para los investigadores de todo el mundo. El aislamiento exitoso de un gen responsable de un fenotipo de desarrollo (cuando el gen estaba mutado) podría validarse mediante el rescate del fenotipo mutante por transformación con el gen de tipo salvaje (generalmente como ADN incluido en un transposón del elemento P). La hibridación in situ, junto con tinciones de color, reveló fácilmente el tiempo y el lugar normales de expresión de los genes específicos cuyas mutaciones se habían aislado. Con respecto a la función de estos genes del desarrollo, se encontró que muchos codificaban proteínas con motivos familiares, como los de los receptores de tirosina quinasas o varios factores de transcripción. De hecho, un número sorprendentemente grande resultó ser reguladores de la transcripción. La función se puede concluir rápidamente a partir de los datos de la secuencia. Otro Drosophila los genes codificaban proteínas cuyas funciones específicas eran desconocidas, pero eran reconocibles generalmente como proteínas secretadas por sus secuencias señal o como nuevos factores de transcripción por el hecho de que se acumulaban en los núcleos y podían unirse al ADN. En el curso de este análisis, se descubrieron nuevas vías de señalización intercelular, como las que involucran a los ligandos Decapentapléjico (DPP), Hedgehog (HH), Wingless (WG) y Notch / Delta. (Los nombres caprichosos son los que dan los investigadores a los mutantes en función de los fenotipos).

Cientos de laboratorios en todo el mundo se unieron al trabajo en Drosophila mutantes, y la imagen del desarrollo temprano adquirió una coherencia y claridad satisfactorias, especialmente los pasos de generación de segmentación y de la organización general del cuerpo en las dimensiones anteroposterior y dorsoventral. Estos pasos del desarrollo temprano se conocen colectivamente como "especificación ldquoaxis". El siguiente es un breve resumen de esa imagen para ilustrar su integridad a nivel molecular. Los pasos son mecanismos de desarrollo específicos de cada etapa. Los mecanismos ahora se comprenden mejor en Drosophila que en cualquier otro organismo. Es el tipo de información que a los científicos les gustaría tener, pero que todavía no tienen, para el desarrollo de los mamíferos.

Al inicio de Drosophila Durante el desarrollo, el ovocito recibe cientos de productos genéticos maternos que se distribuyen uniformemente en el huevo durante la ovogénesis. Sin embargo, cuatro productos génicos están localizados espacialmente en el óvulo y proporcionan las asimetrías iniciales sobre las que se construye gradualmente toda la organización anteroposterior y dorsoventral del embrión en el desarrollo después de la fertilización. Los cuatro productos genéticos incluyen lo siguiente:

Un ARNm ubicado internamente en el extremo anterior (que codifica un factor de transcripción, llamado Bicoide).

Un ARNm ubicado internamente en el extremo posterior (que codifica un inhibidor de la traducción del ARNm para un factor de transcripción, llamado Nanos).

Una proteína externa anclada a la cáscara del huevo en ambos extremos del huevo (involucrada en la producción de un ligando de un receptor de tirosina quinasa en la membrana plasmática de la célula del huevo).

An external protein also anchored to the egg shell but at the prospective ventral side (involved in the production of a signal ligand of the Toll receptor in the egg-cell plasma membrane).

To exemplify the steps of use of those gene products, only one of the dimensions, the anteroposterior, will be described. The two mRNAs are initially at opposite ends of the egg. They are translated after fertilization, and the encoded proteins diffuse from the ends to form opposing gradients reaching to the middle of the egg. These proteins will act in concert to generate a gradient, high at the anterior end and low at the posterior end, of another transcription factor. The nuclear number increases rapidly in the uncleaved cytoplasm. The graded transcription factors, called members of the &ldquocoordinate class&rdquo or &ldquoegg-polarity class&rdquo of gene products, activate at least eight gap genes in nuclei along the egg&rsquos length at different positions, each position unique in terms of the local quantity of transcription factors of the coordinate class. (The terms &ldquocoordinate,&rdquo &ldquoegg polarity,&rdquo and &ldquogap&rdquo also derive from mutant phenotypes.) The encoded gap proteins, which are all transcription factors themselves, accumulate in a pattern of eight broad and partially overlapping stripes along the egg&rsquos length. The proliferating nuclei are not yet separated by cell membranes&mdashthat comes later. These proteins in turn activate at least eight pair-rule genes, all of which also encode transcription factors. Complejo cis-regulatory regions of the various pair-rule genes define their expression responses to the spatially distributed gap proteins. The pair-rule proteins then activate at least 12 segment-polarity genes, some of which encode transcription factors and some of which encode secreted protein signals. The pair-rule and gap proteins together also activate eight homeobox (Hox) genes to be expressed in broad stripes, as discussed in the next section. Thus, the early steps of development involve cascades of transcription factors distributed in space according to the initial gradients of a few agents and to the expression rules contained in the complex cis-regulatory regions of genes for yet other transcription factors. These key steps are accomplished in the first 3 hours of development, mostly before cell membranes are formed and gastrulation begins, although the final elaboration of the segment-polarity and Hox genes occurs after cells form.

Once the segment-polarity genes and Hox genes are activated, they maintain their expression in cells by an auto-activating circuitry, in some cases by the encoded transcription factor activating expression of its own gene. The coordi-

nate, gap, and pair-rule proteins are then no longer needed. Their products disappear, and the genes are no longer expressed.

Similar conclusions apply to the development of the termini and the dorsoventral dimension, which also rely on initially asymmetric signals. The developmental mechanisms of the termini and dorsoventral dimension are of additional interest, because the signals bind to transmembrane receptors and activate signal transduction pathways, eventually leading to the activation of transcription factors and new gene expression. These inductions are the first to occur in the developing Drosophila egg. Approximately 100 genes and encoded gene products have been identified as necessary to establish the organization of the early gastrula. Hundreds more participate in the accomplishment of these events, but they are less well described at present. In most cases, these genes probably encode proteins required in numerous developmental processes and, hence, were not recovered under the conditions of the mutant inspections used here.

As shown in Figure 6-1A-D, a coherent scheme of early development was proposed and well supported by 1992, the first of such complexity and completeness at the molecular level for any organism.

FIGURE 6-1A Outline of anteroposterior development in Drosophila and the steps of regulated gene expression (Ingham 1989). Heavy dashed arrows indicate the activation of specific gene expression by transcription factors. Thin solid arrows indicate transcription and translation. Note that Hox genes are activated by both pair-rule and gap proteins, whereas segment-polarity genes are activated by pair-rule proteins alone. In the anteroposterior dimension, segments and HOX domains are formed. Further explanation is given in Figure 6-1B.

FIGURE 6-1B Anteroposterior development in Drosophila (Nüsslein-Volhard 1991). Figure 6-1B is shown diagrammatically here, for segment formation and HOX compartment formation. The coordinate proteins Bicoid, Nanos, and Cad are translated from mRNAs localized at the two poles of the egg during oogenesis. Translation generates gradients of proteins. Bicoid and Cad are transcription factors, whereas Nanos protein inhibits the translation of another translation factor (Hunchback) in the posterior half of the egg. The graded transcription factors activate eight gap genes, and different factor concentrations activate different gap genes. The gap proteins are also transcription factors. Each diffuses locally and inhibits other gap genes, setting up eight partially overlapping stripes of gap protein along the egg&rsquos length. The gap proteins activate eight pair-rule genes, each of which has a complex cis-regulatory region and is activated by seven combinations of gap proteins, each making seven evenly spaced stripes of protein. Thus, there are 8 × 7 or 56 stripes of pair rules along the egg&rsquos length, arranged in 7-fold repeats. The pair-rule proteins are all transcription factors. These activate eight segment-polarity genes, each of which has a complex cis-regulatory region activated by at least two combinations of pair-rule proteins, to give 14 stripes of expression each. Thus, there are 14 × 8 or 104 stripes of segment-polarity proteins. The 14-fold repeat is the basis for 14 segments of the posterior head, thorax, and abdomen. The pair-rule and gap proteins together activate Hox genes in eight domains in the posterior head, thorax, and abdomen. Cell outlines are not shown, but cells are present in the two lowest panels.

FIGURE 6-1C Dorsoventral development in Drosophila (Nüsslein-Volhard 1991). The egg shell contains Pipe protein on the future ventral side, deposited there during oogenesis. After fertilization, the egg secretes several proteins into the space between the egg shell and plasma membrane. Pipe activates one of the proteins, which then sets off others in a protease cascade, the last member of which cleaves the Spätzle protein, releasing a ligand that binds to the Toll transmembrane receptor, which is uniformly distributed over the egg surface but ligand-activated only on one side. The activated receptor, via several intracellular steps, activates the Dorsal protein, a transcription factor, which enters local nuclei and activates two genes, Twist y Snail, which also encode transcription factors. Those activate other genes for gastrulation and for mesoderm formation on the ventral side. Thus, the Pipe protein is involved in a kind of mesoderm induction. Active Dorsal protein also represses the Zen y Dpp genes on the ventral side. On the dorsal side, Dorsal protein remains inactive and the Zen y Dpp genes are expressed. Laterally, there is enough active Dorsal protein to repress Zen y Dpp but not enough to activate Twist y Snail. Here, the Sog gene is permissively expressed and not repressed, preparatory to neurogenic ectoderm formation. Thus, the dorsoventral dimension of the egg is divided into three domains of gene expression. Later, the Sog protein is secreted and diffuses to the Zen, Dpp region, inhibiting Dpp signaling and allowing the division of that region into two subregions the prospective amnioserosa and prospective dorsal ectoderm.

FIGURE 6-1D The development of termini in Drosophila (Nüsslein-Volhard 1991). The Torso-like protein is present in the egg shell at the two ends of the egg, deposited there during oogenesis. After fertilization, the egg secretes several proteins into the space between the plasma membrane and egg shell. The proteins include proteases that are locally activated at the end by the Torso-like protein and release a ligand that binds locally to the transmembrane Torso receptor, a member of the RTK signal transduction family. The activated receptor locally activates Raf and MAPK, which phosphorylate a transcription factor locally, inhibiting its repression of genes and allowing local expression of the Tailless (Tll) and Huckebein (Hkb) genes involved in formation of the endoderm, terminal ectoderm, and gut involution during gastrulation. Thus, the Torso-like protein is involved in endoderm induction.

Hox Genes and the Drosophila Connection to Vertebrate Development

Even though researchers in other areas widely appreciated the breakthroughs in Drosophila development, they questioned the relevance of the information to vertebrate development. Vertebrates, as chordates, were thought to have branched from arthropods long ago and last shared a very simple common ancestor in the pre-Cambrian era (about 540 million years ago). The two groups were thought to have evolved their segmentation and heads independently. One of the first significant similarities between vertebrate and fly development came from work on homeotic genes, now called Hox genes. As mentioned before, the Hox genes are expressed in eight broad bands or spatial compartments in the anteroposterior dimension of the body shortly after gastrulation but prior to organogenesis and cytodifferentiation. Their encoded products make each spatial compartment different from the others.

The study of the eight Hox genes of Drosophila was primarily pioneered by E. Lewis from 1940 to 1970. For his work in that area, he shared the Nobel Prize

with Nüsslein-Volhard and Wieschaus in 1995. Lewis selected Drosophila mutants that exhibited mislocated body parts (e.g., wings in place of halteres (balancing organs) and legs in place of antennae). The term &ldquohomeotic&rdquo connotes such mislocation without distortion. In the homeotic mutant, the anteroposterior dimension of the animal has fewer anatomical differences along its length. For example, the Ubx mutant has an extra mesothorax located at the normal metathorax position but lacks a metathorax. It has four wings but no halteres, whereas normal Drosophila have two wings and two halteres. When the first two Hox genes (Ubx y Antp) were isolated, their sequences were compared (McGinnis et al. 1984a,b Weiner et al. 1984), and a shared 60-base sequence was found, the homeobox. The sequence is the same in both genes except for a few bases. That sequence encodes the DNA-binding motif of the encoded proteins, which are members of a large and ancient family of transcription factors. The other six Hox genes were soon isolated from Drosophila, and those too had closely related homeobox sequences. Then the eight genes were shown to exist in a contiguous cluster (actually two subclusters in D. melanogaster but one in another arthropod, Tribolium), probably all tandemly duplicated and diverged from a few founder sequences in an ancestor of arthropods. Furthermore, the members are expressed in stripes in the anteroposterior dimension of the body, in an order identical to their gene order on the chromosome (a correspondence referred to as &ldquocolinearity&rdquo of gene order and expression).

In the mid-1980s frogs and mice were found to contain similar sequences, also arranged in contiguous gene clusters. Interestingly, their expression in mice showed the same anteroposterior colinearity as that in Drosophila. As an evolutionary explanation, the common ancestor of arthropods and chordates must have had a complex Hox cluster already functioning in its development. Vertebrates, however, differ from arthropods in having at least four multi-member clusters instead of one (Krumlauf 1994). A comparison of gene arrangements and domains of expression in Drosophila and mammalian (mouse) Hox clusters is shown in Figure 6-2.

Such genes are called selector genes because their encoded products, which are transcription factors, select which other genes will be expressed in that spatial compartment of the body. The thousands of target genes of a selector-gene product encode proteins involved in subsequent local development, including the many kinds of organogenesis of different parts of the body. Hox genes have a central role in development. Because of them, the coordinate, gap, and pair-rule proteins of early development do not have to directly activate those thousands of target genes in a region-specific way but activate only the Hox genes, whose encoded proteins then do the job of regulating sets of genes in their respective regions. Methods for the directed knockout of genes in mice were invented by the mid-1980s as a way to test gene function, and the Hox genes of mice were found to control aspects of local development in their compartments, especially in vertebrae, neural tube, and neural crest derivatives. Their selector role was similar to

FIGURE 6-2 This figure illustrates the striking similarities of gene organization and expression of Hox clusters in Drosophila and mammalian (mouse) embryos. At the top is a 10-hour Drosophila embryo showing expression zones of individual Hox genes in thoracic (T1-3) and abdominal (A1-9) segments and parts of the head (Lab, labrum Mx, maxillary Ma, mandible Int, intercalary segment). Note the colinearity of Hox gene expression sites along the anterior-posterior body axis to their 3&prime to 5&prime location along the chromosome. The greatly expanded vertebrate Hox gene family is shown in the middle. These genes are arranged in four clusters (labeled A, B, C, D), each on a separate chromosome. Having arisen by duplications early in chordate evolution, Hox genes in paralogous groups (e.g., A4, B4, C4, D4 shown enclosed in dashed boxes) are more closely related than are adjacent genes (e.g., B3 vs. B4 vs. B5). The four most 5&prime paralogous groups have no close equivalent in arthropods these are expressed in the tail and fins or limbs. Lines extending from each paralogous group to the schematic brain and cranial spinal cord show the rostral limits of expression of members on each group. Note, again, the colinearity between expression sites and relative chromosomal position of most Hox genes. The same is generally true for somites and, in the proximo-distal orientation, for limbs.

that in Drosophila (Behringer et al. 1993). However, many of the target genes of Hox proteins in mice and flies are clearly different.

los Hox clusters of Drosophila and chordates are under intense study. It is now known that genes of four mouse clusters are coordinated in an elaborate circuitry of auto- and cross-activation and repression, in which the genes near the 5&prime end of the DNA sequence tend to repress genes near the 3&prime end when both are initially expressed in same cell. Equivalent paralogs in different clusters tend to overlap in the target genes they activate and repress, but each has some unique targets, as shown by the phenotypes of single-Hox knockout mutants of the mouse. As a whole, the Hox genes operate as a complex genetic regulatory system rather than as independent members.

More recently, the Hox-like Ems y Otd genes have been discovered in Drosophila as expressed in the head in regions anterior to the expression compartments of the Hox genes. Homologs of these genes (called Emx y Otx) have been found expressed in the head of the frog and mouse anterior to the Hox gene domains of the posterior head, thorax, and trunk. This was a surprise, because evolutionary biologists had thought that the vertebrate head is unique to that group and has little in common with the head of a common ancestor of vertebrates and arthropods. However, even that complexity of body organization, like HOX compartments, must predate the branching of arthropods and chordates.

The Emergence of Caenorhabditis elegans

The free-living nematode Caenorhabditis elegans emerged as an important model system in the 1970s, as the result of pioneering work on its genetics by S. Brenner (1974). Chosen for its short life cycle (3 days) and general amenability for genetic analysis, small size (1-mm length), transparency, and simplicity (only 959 somatic cells), C. elegans quickly attracted a following among developmental biologists and geneticists. In particular, J. Sulston was primarily responsible for first describing the complete cell lineage from fertilization to adulthood (Sulston and Horvitz 1977 Sulston et al. 1983) and then spearheading the physical mapping and DNA sequencing of the genome. C. elegans recently became the first metazoan organism whose genome is completely sequenced (C.elegans Sequencing Consortium 1998). In the meantime, researchers from many laboratories isolated mutants and identified many important genes controlling development, the result being that C. elegans is now the most completely described and one of the best understood models for development (see Chapter 7). In some ways, the development of vertebrates is more similar to that of C. elegans than of Drosophila (e.g., having a cellular rather than a syncyctial early embryo), and in other ways less similar (e.g., having a highly invariant cell lineage and a fixed small number of cells, no Sonic Hedgehog signaling pathway, and few HOX genes). These two model animals complement each other usefully for research into fundamental mechanisms of metazoan development.

Conserved Developmental Processes

Researchers increasingly suspected similarities of development between fruit flies and mice and began to look systematically for homologs of Drosophila developmental genes in mice, frogs, and chicks. In the late 1980s, this was a new research approach. Its success has favored the impression that at a gross level, nematodes, flies, and mice are &ldquoall the same organism&rdquo and that what is learned about one will have relevance to the others. In a genetically tractable organism, such as Drosophila o C. elegans, a gene is isolated by using a screen for a particular kind of developmental failure, and then the role of its encoded product in development is efficiently deciphered in that organism. Homologs of &ldquodevelopmentally interesting&rdquo genes are then sought in vertebrates, such as mice or frogs, in which mutant searches are still daunting due to the comparatively small populations and slow development. The homolog&rsquos function is thereafter studied in the vertebrate, for which the Drosophila o C. elegans information is used as a guide. The mouse is attractive for such studies, because the homologous gene can be knocked out and the phenotype of the null mutant examined to learn about the function of the encoded product.

A surprising array of developmental components and processes is shared between Drosophila and vertebrates (i.e., between arthropods and chordates). In addition to the EMX, OTX, y HOX organization of the body plan, they share the compartments of the dorsoventral dimension (which are thought to be inverted in orientation in one group relative to the other) the presence and mode of organogenesis of limbs (appendages), eyes, heart, visceral mesoderm, and gut the steps of cytodifferentiation during neurogenesis and myogenesis and even segmentation. Although the anatomical structures themselves are very different between arthropods and chordates, a number of the underlying steps of development are the same. These are listed in more detail in Table 6-1. The last common ancestor of chordates and arthropods was, it seems, a pre-Cambrian animal of much greater complexity than previously realized. Divergent groups of metazoa (members of the animal kingdom) can be treated as &ldquothe same organism&rdquo in the experimental analysis of many fundamentals of development. From all of those similarities, the value of model systems for gaining an understanding of difficult basic problems in mammalian development, including that of humans, is undeniable. Humans, flies, and even roundworms are less different than widely thought just 10 years ago.

Signaling Pathways in Development

An important realization to come from the Drosophila research concerns the pervasive use of cell-cell signaling in most aspects of development, starting with the termini and dorsoventral dimension (see Figures 6-1A-D) and extending to organogenesis of many kinds. Inductive signaling was thought to be important in vertebrate development, as mentioned above, but insects and other invertebrates

TABLE 6-1 Similarities of Arthropods and Chordates

Organisms That Share Process

Hox gene complex: similar order of genes in the cluster and similar order of expression domains in the posterior head and trunk (thorax and abdomen)

Anterior head organization

Ems-Otd (Emx-Otx) selector genes: similar nesting expression domains in the anterior head

Sog-Dpp-Tolloid (Chordin-BMP2,4-xolloid): similar gene expression domains, similar protein interactions in the neural versus epidermal regions similar gene expression domains in the visceral mesoderm and heart. Was the chordate dorsoventral axis formed by inverting the axis of an arthropod ancestor?

Engrailed y HH-SHH expression domains are similar in posterior half of segment or somite Hairy gene expression in alternate segments or somites

Drosophila, amphioxus, and zebrafish

Appendage or limb patterning

Similar domains of WG-HH-DPP (WNT-SHH-BMP) signaling and expression of En, Ap (En, Lmx) selector genes

Drosophila, chick, and mouse

Similar domains of expression of Eyeless-Pax6 y Sine oculis-eye selector genes

Drosophila, mouse, and human

Note: Although the organisms of these two phyla seem very different (e.g.,insects and crustaceans versus fish and mammals), they share many developmental processes at the level of their use of combinations of signaling pathways and genetic regulatory circuits. In italics are various similar conserved genes used in the conserved processes. These similarities serve as evidence that the pre-Cambrian common ancestor of chordates and arthropods was already complex in its anteroposterior and dorsoventral organization and perhaps segmented. Many aspects of cytodifferentiation are also similar (e.g., the use of MyoD in muscle and Achaete-Scute in nerve cells).

had been assumed to develop as composites of independent lineages of cells (&ldquomosaic&rdquo development). This is not at all the case. Six signaling pathways are used repeatedly in early Drosophila development: the Hedgehog, Wingless-Int (Wnt), transforming growth factor &beta (TGF&beta), Notch, receptor tyrosine kinase (RTK), and cytokine receptor (cytoplasmic tyrosine kinase) pathways. Comparative studies soon showed that these pathways exist in vertebrates as well, and most also exist in nematodes (except the Hedgehog pathway). Four other conserved pathways in addition to those six are used heavily in later development, mainly in organogenesis, and seven others come into use in the physiological functioning of the organism&rsquos differentiated cell types. The number of known pathways has now reached 17. Each pathway is distinguished by its unique set of transduction protein intermediates. The 17 pathways are listed in Table 6-2. Details of the components and steps of the individual pathways are given in Appendix C.

As a generalization, most of the pathways involve transmembrane receptor proteins that bind ligands at the extracellular face, as diagramed in Figure 6-3. Ligands arrive in some cases by free diffusion after secretion from distant neighbor cells. Others diffuse only short distances or remain attached to the surface of the cell of origin, reaching only the contacting cells. Activated receptors of the recipient cell activate the first intracellular component of a signal transduction pathway, and this then activates a subsequent component, and so on. Some pathways are long, with 7-10 intermediates. Others have one or two. The nuclear hormone receptor pathway is the shortest, having only one step. In this case, hydrophobic ligands penetrate the cell membrane on their own and bind to a receptor protein, which also functions as a transcription factor. In the longer pathways, a change of activity is passed along a series of on-off switches, which constitutes an information relay pathway, or signal transduction pathway. Ultimately, in some pathways, a protein kinase is activated at the end of the series, and that enzyme phosphorylates numerous target proteins, which change their activity (activated or inhibited) because of the phosphate addition. The target proteins are components of various basic cell processes, such as transcription, the cell cycle, motility, or secretion. Hence, these processes are turned on or off, and the change of function constitutes the cell&rsquos response to a signal. In many other pathways, a specific transcription factor is activated at the end of the pathway, and this factor is a pathway component. In development, the most frequent target of signaling pathways is indeed transcription. The pathways used in early development tend to have transcription as the only target. That is, particular transcription factors are phosphorylated or proteolyzed as a signal transduction step of the pathway, changing their activity in activating or repressing particular genes.

The pathways are used repeatedly at different times and places of development in Drosophila, nematode, and vertebrates, as listed in Table 6-3. Drosophila null mutants are usually lethal if they lack a step in any of those pathways. Lethality is an indication of the essentiality of those signaling functions. However, in the mouse (and probably all vertebrates), a null mutant for a step of a


The scope of development

All organisms, including the very simplest, consist of two components, distinguished by a German biologist, August Weismann, at the end of the 19th century, as the “ germ plasm” and the “ soma.” The germ plasm consists of the essential elements, or genes, passed on from one generation to the next, and the soma consists of the body that may be produced as the organism develops. In more modern terms, Weismann’s germ plasm is identified with DNA ( deoxyribonucleic acid), which carries, encoded in the complex structure of its molecule, the instructions necessary for the synthesis of the other compounds of the organism and their assembly into the appropriate structures. It is this whole collection of other compounds (proteins, fats, carbohydrates, and others) and their arrangement as a metabolically functioning organism that constitutes the soma. Biological development encompasses, therefore, all the processes concerned with implementing the instructions contained in the DNA. Those instructions can only be carried out by an appropriate executive machinery, the first phase of which is provided by the cell that carries the DNA into the next generation: in animals and plants by the fertilized egg cell in viruses by the cell infected. In life histories that have more than a minimal degree of complexity, the executive machinery itself becomes modified as the genetic instructions are gradually put into operation, and new mechanisms of protein synthesis are brought into functional condition. The fundamental problem of developmental biology is to understand the interplay between the genetic instructions and the mechanisms by which those instructions are carried out.


Developmental Biology

Scott F. Gilbert 
Developmental Biology.
10th Edition. 2014. Sinauer Associates: Sunderland, MA. ISBN: (Hardcover) 978-0878939787. US $114. 719 p.

At the core of biology is the study of development. How do organisms from all modes of life grow from one single cell to a complete and functional body? How do we know to establish “right” from “left,” or know to form a certain number of fingers and toes? Why can some organisms regenerate organs, while others must do without if they are lost? What processes occur as a tadpole becomes a frog? As the author states in the preface, “Metamorphic change is in the nature of science.”

Since the first edition of this textbook was written in 1985, the field of Developmental Biology has undergone a revolutionary metamorphosis from experimental embryology to developmental genetics and now integrates anatomy and genomics and systems theory to try and provide a comprehensive understanding of the developmental transitions that occur as organisms grow. This textbook seeks to describe developmental processes from all of these perspectives and is extremely successful at doing so.

Written primarily for the undergraduate student, Gilbert’s 10th edition starts at the beginning: the cycle of life. It quickly moves on to differential gene expression, a topic that most certainly has been expanded upon since the editions of previous years. The majority of the text focuses on the ever-popular stem cell: specification and cell commitment, organogenesis, embryonic development. One thing that this text does superbly well is incorporate the developmental paradigms of numerous species, including, but not limited to, drosophila, tunicates, zebrafish, frogs, birds, and, of course, humans. The text takes classic experiments dating back to the 1700s and successfully brings them up to date with fantastic fluorescent images and high resolution microscopy techniques. The diagrams that are found on nearly every page are clear and helpful, especially as a supplement for the photos. The final section of the book is on Systems Biology, or the expansion of developmental biology to medicine, ecology, and evolution. This final section, while the shortest set of chapters, will surely be expanded upon in the upcoming years.

Overall, the text is all encompassing, but if the reader wants to learn more, the 10th edition also comes with a registration code for the DevBio online laboratory. This extensive website companion to the text contains additional information on many of the subjects of the text, as well as historical and ethical perspectives on issues in developmental biology today. For the student, the videos, technique instruction, and study questions found on the site may be incredibly helpful.


Developmental Biology Center

The DBC is a group of some 50 faculty who share an interest in the processes that create the form and function of the biological world around us. At the heart of developmental biology lies a search for the mechanisms that specify cell fates, control patterning in complex tissues, and organize collections of diverse cells into organs. Deciphering these mechanisms requires many approaches, including cell biology, genetics, molecular biology, biochemistry, and neurobiology. These areas are reflected in the interests and research efforts of our faculty.

We employ a wide range of organisms and systems, and are fortunate to occupy new facilities on both the Minneapolis and St. Paul campuses. Developmental biology examines the function and interplay of genes in the context of an intact organism, and for this reason developmental biology continues to provide key insights into the functions of genes that have a huge impact on human disease. The DBC therefore provides a forum for interaction between basic research and clinical faculty, and a place for faculty from many departments to mix and exchange ideas. There are several scientific venues organized by the DBC, including weekly research talks where members share their latest results and our annual Developmental Biology Symposium. The Symposium invites top researchers from around the world to present their work in selected areas of developmental biology research and to interact extensively with our faculty, postdocs, and students.

We invite you to peruse our web site, see the breadth and depth of our research, and participate in our activities. It is a wonderful time to be a developmental biologist and at the University of Minnesota we are working hard to realize the promise that our new understanding of development can offer society.


Major contributions

Throughout its history the department has made major discoveries, including pioneering Nobel electrophysiological experiments, which identified classes of nerve fibers leading to the understanding of pain. These studies were the forerunner to today’s field of electrophysiology. And they tie in to the revolutionary pain treatment with a new class of non-steroidal anti-inflammatory therapeutics discovered here.

Experiments elucidating the mechanism of action of penicillin and commonly used antifungal agents also were first described in the department.

Recently a recombinant human therapeutic to facilitate assisted reproduction was invented here and represents the first marketable clinical agent developed at Washington University.

These findings, in addition to major contributions in fundamental biochemistry and neurophysiology, were the hallmarks of the department.


Your browser needs to have JavaScript enabled to view this timeline

As a result of the significant disruption that is being caused by the COVID-19 pandemic we are very aware that many researchers will have difficulty in meeting the timelines associated with our peer review process during normal times. Please do let us know if you need additional time. Our systems will continue to remind you of the original timelines but we intend to be highly flexible at this time.

Seguir

Annual Journal Metrics

Speed
45 days to first decision for reviewed manuscripts only
40 days to first decision for all manuscripts
152 days from submission to acceptance
27 days from acceptance to publication

Usage
304,685 Downloads
91 Altmetric Mentions


Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023

Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023 is an indexed listing of upcoming meetings, seminars, congresses, workshops, programs, continuing CME courses, trainings, summits, and weekly, annual or monthly symposiums.

Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023 lists relevant events for national/international researchers, scientists, scholars, professionals, engineers, exhibitors, sponsors, academic, scientific and university practitioners to attend and present their research activities.

Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023 will bring speakers from Asia, Africa, North America, South America, Antarctica, Europe, and Australia.

Developmental Biology conference listings are indexed in scientific databases like Google Scholar, Semantic Scholar, Zenedo, OpenAIRE, EBSCO, BASE, WorldCAT, Sherpa/RoMEO, Compendex, Elsevier, Scopus, Thomson Reuters (Web of Science), RCSI Library, UGC Approved Journals, ACM, CAS, ACTA, CASSI, ISI, SCI, ESCI, SCIE, Springer, Wiley, Taylor Francis, and The Science Citation Index (SCI).


Developmental Biology

The Department of Developmental Biology encompasses the clinical specialties of pediatric dentistry and orthodontics, as well as scientists focused on basic research. Members of the department teach and mentor postdoctoral fellows, orthodontics fellows, pediatric dental residents, students enrolled in the DMD program, MD and PhD candidates at Harvard Medical School, and undergraduate students at Harvard University.

Full-time clinical faculty practice dentistry in the Harvard Dental Center's Faculty Group Practice , the Department of Dentistry at Boston Children’s Hospital, and at Massachusetts General Hospital part-time clinical faculty maintain private dental practices.

Full time faculty with labs at HSDM conduct research in early embryonic development, skeletal and vascular morphogenesis, the regulation of tissue growth and repair, osteoarthritis, fibrosis and osteoporosis.

This department also includes faculty at the affiliated Forsyth Institute.


Ver el vídeo: Apoptosis. Biología del desarrollo. Biología. Khan Academy en Español (Enero 2022).