Mecanismos celulares del desarrollo embrionario

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describe brevemente el desarrollo embrionario a nivel genético por la acción de los genes de segmentación y homeóticos.

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Mecanismos celulares del desarrollo embrionario

  1. 1. 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  
  2. 2. 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.  
  3. 3. 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  
  4. 4. 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.      

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