Post on 11-May-2015
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Mecanismos celulares del desarrollo embrionario. Introducción. Los organismos de los tres reinos pluricelulares – fungi, plantae y animalia – deben producir células especializadas que permiten mantener la integridad del organismo, por ello es necesario que estas células expresen diferentes genes en diferentes tiempos. Para comprender el desarrollo es necesario comprender cómo la célula determina qué genes se activan y cuándo. El desarrollo de los hongos pluricelulares (basidiomicetes y ascomicetes) es más simple al comprarlo con las plantas y animales, pues implica en términos generales crecimiento seguido posteriormente por la diferenciación de las células. En las plantas, los individuos adultos contienen un gran número de células especializadas organizadas en tejidos y órganos. Una característica del desarrollo de las plantas es que es muy flexible, la influencia del ambiente influye mucho en la diferenciación de las células. En contraste, los animales el desarrollo es complejo y está muy regulado, produciendo un amplio grupo de células especializadas a través de mecanismos que son mucho menos sensibles al ambiente. Casi todos los organismos pluricelulares atraviesan las mismas (Klug, Cummings, & Spencer, 2006) (Sadava, Purves, Heller, Orians, & Hillis, 2009) (Klug, Cummings, & Spencer, 2006; Raven & Johnson, 2006; Rojas Leiva, Manuel José, 2007)etapas del desarrollo. Este proceso ha sido bien estudiado en animales, como mamíferos, insectos y nemátodos, como también en plantas con flores. Desarrollo embrionario en mamíferos. El desarrollo embrionario en vertebrados es un proceso dinámico en el cual las células se dividen rápidamente y se mueven unas sobre otras para establecer el plan básico del organismo (bauplan). En diferentes sitios, células particulares forman órganos específicos, entonces el cuerpo alcanza un tamaño y una forma que le permita sobrevivir después del nacimiento. El proceso entero, por lo general, se divide en fases para su mejor comprensión.
• Segmentación o clivaje: una vez que el óvulo es fecundado por el espermatozoide, ocurren una serie de divisiones sucesivas del cigoto, lo que permite un aumento significativo de células, este proceso de proliferación celular, divide el cigoto en células que se conocen con el nombre de blastómeras.
• Formación de la blástula: cuando se alcanza un número aproximado de 16 células durante la segmentación, un grupo de células internas empieza a bombear Na+ desde el citoplasma al espacio intersticial (entre las células). Esto provoca una gradiente osmótica que causa que el agua ingrese al interior del cigoto aumentando el espacio intercelular, formando una cavidad, el blastocele, desde este momento el embrión recibe el nombre de blastocito o blástula. Las células internas forman una masa llamada embrioblasto, y las células externas forman el trofoblasto. La zona pelúcida que rodeaba al cigoto al momento de la fecundación desaparece lo que permite la implantación del embrión.
• Gastrulación: algunas células del blastocito se mueven invaginándose (movimiento hacia el interior del blastocito), la gastrulación genera los principales ejes en los cuerpos de los vertebrados, convirtiendo al blastocito en un embrión simétricamente bilateral. También en este punto, se generan las tres capas embrionarias que permiten organizar los órganos del futuro cuerpo del adulto. Del endodermo, la capa más interna, derivan el estómago, los pulmones, el hígado y otros órganos internos; del mesodermo, la capa media, se forma la notocorda, músculos, vasos sanguíneos, tejidos conectivos, huesos y músculos; del ectodermo, la capa externa del embrión, derivan la piel y el sistema nervioso.
• Morfogénesis: es la denominación general al los procesos que implican la formación de los órganos, y por ende de los sistemas, en el embrión. Se inicia con la migración celular, que permite la formación del sistema nervioso (conocido como neurulación) donde se observa la formación del tubo neural y las crestas neurales que cuando se fusionan forman el sistema nervioso, además de los somitos derivan el músculo esquelético. Posteriormente continúan
una serie de migraciones y colonizaciones de células para formar el resto de los órganos e incluso algunas células mueren por medio de la apoptosis celular.
El estudio del desarrollo embrionario en insectos utiliza como modelo a la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. A diferencia de lo que ocurre en vertebrados, en los insectos existen dos etapas muy diferenciadas entre si, el estado de larva y posteriormente la metamorfosis, sólo en esta última fase el insecto es capaz de reproducirse. Se ha descrito que durante la formación del huevo de mosca, las células enfermeras (nurse cells) mueven su propio ARNm hacia el huevo que se está formando. Este ARNm se encuentra distribuido heterogéneamente en el huevo, en una posición particular, lo que implica que una vez que es fertilizado, las células hijas que se forman tienen distintos productos de expresión. Esto determina el curso inicial del desarrollo. Las etapas siguientes son muy similares a lo que se observa en vertebrados que concluye con la formación de la larva, que se alimenta constantemente aumentando de tamaño. Normalmente ocurren tres estados larvarios. Después del último estado larvario, se forma una coraza sobre la larva, a esta etapa se le conoce como pupa. Dentro de la pupa, la larva utiliza los nutrientes consumidos para generar las partes de los discos imaginarios (una serie de segmentos que se relacionan con una parte del cuerpo). La metamorfosis de una larva de Drosophila a una pupa y desde aquí a un adulto toma alrededor de 4 días, después de eso el adulto emerge de la pupa. En el caso del desarrollo embrionario en plantas, se observa que comparten eventos claves con el desarrollo de los vertebrados, sin embargo, los mecanismos usado para alcanzar la forma adulta son un poco diferentes. A diferencia de las células animales, las células vegetales están enclaustradas en una pared celular rígida, por lo tanto no se pueden mover. Cada célula en la planta está fija en su posición desde que se genera. Para solucionar esto, existen un grupo de células que constantemente están en división, este tejido recibe el nombre de meristema. El meristema puede generar cualquier tejido de la planta. La otra diferencia importante con los animales es que estos pueden desplazarse cuando las condiciones son desfavorables, en cambio las plantas deben soportar los cambios en el ambiente. Las plantas compensan esta restricción con reglas de desarrollo que se acomodan a las circunstancias del momento. Cada planta está estructurada en módulos (hojas, raíces, ramas, nodos y flores) cada módulo está estrictamente controlado en su estructura y organización, pero el cómo son utilizados es mucho más flexible. Cuando una planta se desarrolla, simplemente adiciona más módulos, teniendo el ambiente una fuerte influencia en el tipo, número, tamaño y lugar donde se adiciona. De esta forma a la planta le permite ajustar la ruta del desarrollo a circunstancias locales. El óvulo fecundado se divide en dos células de manera no equitativa. La célula más pequeña tiene el citoplasma más denso y de ella deriva el futuro embrión, comienza con una serie de divisiones sucesivas. La otra célula más grande, también se divide, formando una estructura alargada llamada suspensor, que le permite vincular al embrión con los tejidos nutritivos de la semilla. Como en los animales, el embrión adquiere el eje inicial durante la segmentación, adquiriendo el eje “ramas-‐raíz”. Las células cercanas al suspensor formaran raíz y las más lejanas, ramas. En cuanto a la formación de los tejidos vemos que se forman tres capas de células, análogas al las capas germinales de los animales, pero sin la migración celular. Las más externas forman las células epidérmicas, la masa interna del embrión forman parte de las células de tejido basal (ground tissue cells) que se encargan de almacenar agua y alimento. Por último, las células centrales del embrión están destinadas a formar el futuro tejido vascular. Una vez formado los tejidos básicos de la planta, el embrión desarrolla 1 o 2 hojas especializadas que forman la semilla, estas hojas están especializadas en el almacenamiento de alimento para el embrión, recibiendo el nombre de cotiledones (en singular, cotiledón). En este momento el desarrollo se detiene entrando el embrión en un estado de dormancia protegido y alimentado por los cotiledones, el resultado de esto es la semilla. Posteriormente la semilla germina como respuesta a cambios ambientales como la disponibilidad de agua, temperatura u otros factores. El embrión dentro de la semilla reactiva su desarrollo y crece rápidamente, sus raíces se extienden hacia abajo y sus hojas se empiezan a desarrollar.
Posterior a la germinación, viene el desarrollo del meristema donde la actividad hormonal determina la especialización celular del meristema de cada módulo de la planta, diferenciándose en los distintos tejidos del organismo. En resumen, el desarrollo de una planta implica que las hojas, flores, raíz, y ramas son agregados al crecimiento del cuerpo por mecanismos que están fuertemente influenciados por el ambiente. Procesos involucrados en el desarrollo embrionario Desde la formación del cigoto ocurren una serie de procesos involucrados en la formación de los tejidos del futuro organismo que parten por las sucesivas divisiones de las células madres o troncales, células que son totipotenciales, es decir, que son capaces de formar cualquier tejido y órgano del individuo. Los procesos involucrados en el desarrollo embrionario son:
1. Proliferación celular: luego de la formación del cigoto, las células se multiplican por división celular, este aumento en número contribuye con el crecimiento del embrión. Posterior al nacimiento, las células del individuo continúan multiplicándose, permitiendo el crecimiento de los tejidos y órganos durante la niñez y adolescencia. En la etapa adulta sólo proliferan las células que renuevan o reparan algunos tejidos y órganos.
2. Migración celular e inducción: las células embrionarias se mueven y desplazan en el tejido hacia la región donde son requeridas. Esta migración permite el movimiento de grupos de células para formar las capas germinales o embrionarias, este proceso se denomina gastrulación. Además, la migración celular interviene en la formación, crecimiento, renovación y reparación de tejidos y órganos del individuo. También es posible observar que ciertas células interactúan con las células adyacentes provocando que sigan una ruta celular diferente, este proceso es denominado inducción celular, este proceso implica que la célula inductora produce una serie de proteínas que libera al espacio intersticial que actúan como mensajeros químicos, capaces de producir cambios abruptos en los patrones de transcripción de genes en la célula inducida. En algunos casos un grupo de células inductoras forman grupos llamados organizadores produciendo moléculas señal difundibles, llamadas morfógenos, que envían información posicional a otras células. Un sólo morfógeno puede tener diferentes efectos, dependiendo que tan lejos del organizador se encuentre la célula que se ve afectada. Por ejemplo, en Xenopus, altas concentraciones de un morfógeno pueden provocar que se desarrolle la notocorda, una concentración menor permite el desarrollo de los músculos y bajas concentraciones determinan el desarrollo de la epidermis.
3. Determinación celular: las células que van a formar los tejidos y órganos específicos se comprometen con un destino celular común, es decir, el tipo celular en que se convertirán. Es la etapa inicial de la diferenciación celular.
4. Diferenciación celular: es el proceso en el cual una célula adquiere una forma y función particular que le permite desempeñar una función especializada en un tejido u órgano. Por lo tanto, este proceso da origen a todos los tipos celulares especializados que estructuran los distintos tejidos y órganos del cuerpo.
5. Apoptosis: o también conocida como la muerte celular programada, consiste en la muerte controlada de células en distintos órganos y tejidos. A diferencia de la muerte accidental (necrosis) provocada por heridas, agentes físico o químicos, la apoptosis es necesaria para la formación y modelamiento de nuevas estructuras, así como para el normal funcionamiento de tejidos y órganos.
Patrones de formación. Todos los animales utilizan información posicional que determina el patrón básico de compartimentalización del cuerpo, y por extensión, la arquitectura general del adulto. El cómo esta información posicional influye en el patrón básico del embrión es bien conocido en Drosophila, y comienza con la adquisición de una asimetría durante la formación del ovocito como resultado de la actividad de ARNm que fue depositado por las células enfermeras. Parte de este ARNm proviene de la expresión de un gen llamado bicoide que, durante la fecundación se expresa en una proteína que
difunde a lo largo del cigoto formando una gradiente de un morfógeno. Si la madre no es capaz de producir la proteína bicoide el embrión no tiene cabeza o tórax, de hecho, tienen dos zonas caudales (bicaudal, de ahí que se llame bicoide, bi: dos; coide: cola). La proteína bicoide establece el eje céfalo-‐caudal del embrión. El gen bicoide pertenece al grupo de los genes de desarrollo materno, que durante el desarrollo embrionario sus productos génicos activan o reprimen la expresión del genoma del cigoto en una secuencia temporal (heterocronía) y espacial. Los genes del cigoto se clasifican en genes de segmentación y genes homeóticos. Los primeros corresponden a los genes GAP, genes de la regla par (pair rule gen) y los genes de la polaridad del segmento. Estos genes dividen al embrión en una serie de bandas o segmentos y definen el número, tamaño y la polaridad del segmento. En el caso de los genes homeóticos especifican la identidad y el destino de cada segmento. Es muy importante destacar que los genes cigóticos se activan o reprimen según la gradiente posicional de los productos de los genes de desarrollo materno. También es importante destacar que en el caso de los genes homeóticos poseen dos propiedades en común. Primero, cada gen codifica un factor de transcripción, que incluye un dominio de 180 pb (pb = pares de bases o nucleótidos) de unión al ADN, conocido como caja homeótica (homeobox). Los genes Hox (contracción de caja homeótica) codifican una proteína de 60 aminoácidos denominada homeodominio. Segundo, la expresión de los genes es colinear. Los genes del extremo 3’ de un grupo se expresan en el extremo anterior del embrión y los genes del extremo 5’ se expresan en la parte posterior del embrión. Aunque los genes Hox se encontraron primero en Drosophila se encuentran en los genomas de la mayoría de los eucariotas con plan corporal segmentado. En resumen, los genes que controlan el desarrollo actúan en cascada, ordenada espacial y temporalmente, comenzando con los genes que establecen el eje antero-‐posterior (y dorso-‐ventral), la acción de las proteínas de estos genes (de desarrollo materno) activan los genes GAP, que subdividen el embrión en regiones amplias. Los genes GAP activan a su vez a los genes de la regla par, que divide el embrión en segmentos. El grupo final de los genes de segmentación, divide cada segmento en regiones anterior y posterior dispuestas linealmente a lo largo del eje antero-‐posterior. Luego, los genes Hox dan identidad a los segmentos. Todo esto implica que existe una regulación de la expresión génica a nivel transcripcional y traduccional de la información génica de las células. Bibliografía Alberts, B. (2000). Biología Molecular de la Célula. Madrid, Madrid, España: Ediciones Omega. CEPECH, D. a. Ciencias-‐Biología. Santiago: CEPECH S.A. Klug, W. S., Cummings, M. R., & Spencer, C. A. (2006). Conceptos de Genética (octava ed.). Madrid, España: Pearson Educación S.A. Langman, T. W. (2006). Embriología médica con orientación clínica. D.F, México: Médica Panamericana S.A. Lodish, H. (2005). Biología Molecular y Celular (quinta ed.). New York: Freeman and Company. Raven, P. H., & Johnson, G. B. (2006). Biology (novena ed.). New York: Mc Graw-‐Hill. Rojas Leiva, Manuel José. (2007). Manual Esencial Santillana (Vol. I). Santiago, Chile: Santillana del Pacífico S.A. Ediciones. Sadava, D., Purves, B., Heller, C., Orians, G., & Hillis, D. (2009). Life: Science of the Biology (octava ed.). Buenos Aires, Argentina: Médica Paramericana.