recuperando a los organismos para entender la evolución: genes y desarrollo floral

Recuperando a los

organismos

para entender la evolución:

genes y desarrollo floral

Elena Alvarez-Buylla Roces

Instituto de EcologíaUNAM

¿En donde quedaron

los organismos?

Ahora ellos se aglomeran en enormes colonias, seguros

al interior de torpes autómatas ..Están en tí y en mí, ellos nos han creado en

cuerpo y mente y su persistencia es el único

motivo de nuestra existencia ... Ahora llevan el nombre de

genes y nosotros somos su medio de supervivencia.

Genes

Proteínas

Rutas bioquímicas

Células

Organismos

G

F

Relación no lineal entre Fenotipo & genotipo:

desarrollo

La gran mayoría de las características fenotípicas

(estructurales y funcionales) de los organismos vivos están

codificadas, de alguna forma,

en los genes.

El paradigma genético

El programa genético contiene la información de los distintos tipos de células en el organismo

Conjuntos distintos de genes se expresan en

tipos celulares distintos

€

{σ n1,σ n2

,K ,σ nkn} → σ n

gen σ1

gen σ2

gen σ3

gen σ4

TF 1

TF 2

TF 3

Cada gen σn está regulado por kn genes

E. Coli

tiene 4,300

genes; y la de

humano,

36,000 genes

gen σ1

gen σ2

gen σ3

gen σ4

TF 1

TF 2

TF 3

))(),(),(()1( 32144 tttFt σσσσ =+

Mapeo dinámico

Mapeo dinámico

€

σ n (t +1) = Fn σ n1(t),σ n2

(t),K ,σ nkn(t)( )

Fn

n

Fn es una función Booleana que depende de

kn argumentos. Cada gen sigue su propia

función Booleana.

Dinámica de la Red

)0(Σ

ATRACTOR 1 ATRACTOR 2

Condiciones iniciales pueden conducir a

atractores diferentes

tiem

po

Diferentesatractores

Diferentes tipos celulares

Un atractor corresponde a un tipo celular

Stuart Kaufman (1969)

Evolución de las flores:

Variaciones sobre

un mismo

tema

Sistema Modelo:Arabidopsis thaliana

se pe st carp

B

A C

se

pe

st

ca

Arabidopsis: meristemo inflorescencia

SEM:J. Bowman

Rousseau y las

Rosas Embrujadas

ó

Monstruos de

Identidad Alterada

ap1 / ap2

ag

ap3 / pi

Mutantes ABC

ca st st ca

B

C C

se pe pe se

B

A A

se se ca ca

A C

Nodos=genesBordes = InteraccionesRegulat (+/-)Punteada=hip

P CELL 2004

Red genética que regula la especificación de los

órganos de la flor

FTEM1TFL

1 LFY

FULAP1

AP3

PIAG

UFO

WUAP2

SEP

LUG

CLF

Cell

0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Infl 10 1 2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 Infl 20 1 2 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 Infl 30 1 2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 Infl 42 0 0 2 0 2 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Sepals

2 0 0 2 0 2 2 2 0 1 0 1 1 1 12Petal

s

2 0 0 2 2 0 2 2 2 1 1 1 1 1 12Stam

e

2 0 0 2 2 0 0 1 2 0 1 1 1 1 1Carpel

s

WUS

WUS + UFO

UFOMeristemo

sapicalMayer et al. 1998 & Samach et

al. 1999

La red genética de la flor converge a 10 atractores

(≈ 140,000 edos iniciales)

SépaloPétaloEstambreCarpelo

Conrad Hal Waddington1905-75: Paisejes epigenéticos

Paisaje epigenético de la red floral

peA+B

seA

stB+Cca

C

Secuencia temporal de aparación de órganos de la

flor:sep-pet-est-carp

Probabilidad

Eje1 Eje2

Gran diversidad pero el plan básico conservado en todas:

SEPALOS, PETALOS, ESTAMBRES, CARPELOS

250,000 especies de plantas con flores

Monstruo Esperanzadode la selva Lacandona:

una en un cuarto de millón

Lacandonia schismatica

ó

Las excepciones son laregla en evolución

Arabidopsis Lacandonia thaliana schismatica

A C

B

sépalos pétalos estambres carpelos

A C

B B

tépalos tépalos carpelos estambres

A C

B

tépalos tépalos carpelos estambres

Expresión de función B

en L. schismatica

Una nota

evolutiva cursi:

corazones y flores

protista plants fungi animals

Baldauf & Palmer 93

STFAKRKNGILKKANELSILC

TCSKRRQTVFSKAADLCLIS

IDIVLLM

SDIMLIVVSPTEKPTVFNTR

ANIAVFVTSPSDSSDVVYSF

SPTGKAAICCGT

TYPEI MADS-DOMAINS

AGL36 MGMKKVKLSLIANERSRKTSFIKRKDGIFKKLHELSTLCGVQACALIYSPFIPVPESWPS

AGL38 M-KRKMKLSLIENSVSRKTTFTKRKKGMTKKLTELVTLCGVEACAVVYSPFNSIPEAWPS

AGL37 M-RGKMKLSFIENDSVRKTTFTKRKKGMLKKFNELVTLCGVDACAVIRSPYNSIQEPWPS

AGL35 R-QKVKMMTFIENETARKSTFKKRKKGLLKKAQELGILCGVPIFAVVNSPYELNPEVWPS

SRF_Hs RGRVKIKMEFIDNKLRRYTTFSKRKTGIMKKAYELSTLTGTQVLLLVASETGHVYTFATR

DSRF KGRVKIKMEYIDNKLRRYTTFSKRKTGIMKKAYELSTLTGTQVMLLVASETGHVYTFATR

Ce1 KGRVKIKMEYINNKLRRYTTFSKRKTGIMKKAFELSTLTGTQVMLLVASETGHVYTYATP

MCM1 KERRKIEIKFIENKTRRHVTFSKRKHGIMKKAFELSVLTGTQVLLLVVSETGLVYTFSTP

TYPEII MADS-DOMAINS

AGL14 MGRGKIEMKRIENATSRQVTFSKRRNGLLKKAFELSVLCDAEVALIIFSPRGKLYEFSSS

AGAMOUS SGRGKIEIKRIENTTNRQVTFCKRRNGLLKKAYELSVLCDAEVALIVFSSRGRLYEYSNN

AGL4 MGRGRVELKRIENKINRQVTFAKRRNGLLKKAYELSVLCDAEVSLIVFSNRGKLYEFCST

AGL13 MGRGKVEVKRIENKITRQVTFSKRKSGLLKKAYELSVLCDAEVSLIIFSTGGKLYEFSNV

APETALA1 MGRGRVQLKRIENKINRQVTFSKRRAGLLKKAHEISVLCDAEVALVVFSHKGKLFEYSTD

AGL12 MARGKIQLKRIENPVHRQVTFCKRRTGLLKKAKELSVLCDAEIGVVIFSPQGKLFELATK

ANR1 MGRGKIVIRRIDNSTSRQVTFSKRRSGLLKKAKELSILCDAEVGVIIFSSTGKLYDYASN

AGL22 MAREKIQIRKIDNATARQVTFSKRRRGLFKKAEELSVLCDADVALIIFSSTGKLFEFCSS

AGL25 MGRKKLEIKRIENKSSRQVTFSKRRNGLIEKARQLSVLCDASVALLVVSASGKLYSFSSG

AGL15 MGRGKIEIKRIENANSRQVTFSKRRSGLLKKARELSVLCDAEVAVIVFSKSGKLFEYSS-

APETALA3 MARGKIQIKRIENQTNRQVTYSKRRNGLFKKAHELTVLCDARVSIIMFSSSNKLHEYISP

MEF2A_Hs MGRKKIQITRIMDERNRQVTFTKRKFGLMKKAYELSVLCDCEIALIIFNSSNKLFQYAST

MEF2C_Hs MGRKKIQITRIMDERNRQVTFTKRKFGLMKKAYELSVLCDCEIALIIFNSTNKLFQYAST

MEF2D_Hs MGRKKIQIQRITDERNRQVTFTKRKFGLMKKAYELSVLCDCEIALIIFNHSNKLFQYAST

CEMEF2 MGRKKIQITRIQDERNRQVTFTKRKFGLMKKAYELSVLCDCEIALIVFNSTNKLFQYAST

MEF2B_Hs MGRKKIQISRILDQRNRQVTFTKRKFGLMKKAYELSVLCDCEIALIIFNSANRLFQYAST

DMEF2 MGRKKIQISRITDERNRQVTFNKRKFGVMKKAYELSVLCDCEIALIIFSSSNKLYQYAST

RLM1_Sc MGRRKIEIQRISDDRNRAVTFIKRKAGLFKKAHELSVLCQVDIAVIILGSNNTFYEFSSV

TYPE? MADS-DOMAINS

AGL23 LGRRKVEIVKMTKESNLQVTFSKRKAGLFKKASEFCTLCDAKIAMIVFSPAGKVFSFGHP

AGL29 MGRRKIKMEMVQDMNTRQVTFSKRRTGLFKKASELATLCNAELGIVVFSPGGKPFSYGKP

AGL30 MGRVKLKIKKLENTNGRQ D FAGL33 MGRKKLKLKRIESLKERSSKFSKRKKGLFKKAEEVALLCDAGL39 GTKRKIEIKKRETKEQRAV G

EVOLUCIÓN: origen y cambio temporal de la constitución genética de las poblaciones y consecuente origen y cambio de fenotipos.

Neodarwinismo : Modelos lineales de genes que evolucionan independientemente entre sí (“todo igual a suma de sus partes”).

Reto: Modelos evolutivos de “todos” integrados: redes, células, organismos.

Marco general: interrelación de estructura y función de redes >> formación de patrones en fenotipo.

Recuperando a los organismos para

entender la evolución: genes, redes…desarrollo

X

Z

Y

Inform

a

ción

posicio

nalGeometría y tamañ

o celular

Vías de señalización

Comunicación

celular, proliferac

ion y crecimie

nto

Interacciones mecánicas

Redes de regulación genética no lineales

Recuperando a los organismos para

entender la evolución: genes, redes…desarrollo

Una nota

precautoria:

Maíz transgénico

México: centro de México: centro de origen & origen &

diversificacidiversificacióón n del madel maíízz

59 races

Photo: F. Eccardi

La liberación al ambiente mexicano de maíz

transgénicoImplica incertidumbres,

riesgos y peligros

• Anticuagulantes• Espermaticidas• Vacunas• Plásticos• Etc..

¡Gracias!