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Mecanismo básico del desarrollo

En el artículo Panorama general del desarrollo se describe de manera resumida el desarrollo de los organismos multicelulares, es recomendable leer aquel artículo primero a fin de conocer el significado de varios términos que se usan aquí sin descripción.

Aun con la gran diversidad de organismos existentes y sus diferencias en el desarrollo, descritas en el referido artículo, se puede encontrar que el mecanismo general básico utilizado por todos tiene muchas similitudes. De tal similitud se puede asumir que este mecanismo celular general de desarrollo debió evolucionar muy temprano en la historia de la existencia multicelular. En este artículo centraremos la atención en seis procesos que forman parte del mecanismo celular general, debido a que son utilizados durante el desarrollo en una amplia gama de organismos.

1.- Movimiento celular: La migración de células es muy importante en varias etapas del desarrollo, especialmente de los animales, a través de este movimiento celular se completa la gastrulación y más tarde la formación del sistema nervioso en la morfogénesis.

2.- Inducción: Se refiere a los cambios en el desarrollo que se producen en unas células motivados por la interacción con otras células, esto es, la dirección que toma el desarrollo de unas células puede estar inducido por la interacción con otras.

3.- Determinación: En cierto momento del desarrollo, debido a la interacción entre las células, el destino de algunas de ellas queda comprometido a una particular especialización, o lo que es lo mismo, las células en cuestión resultan determinadas a ser un tipo específico dentro del conjunto de células que forman el organismo.

4.- Formación del patrón: Usualmente, durante las primeras etapas del desarrollo se define la arquitectura de conjunto del futuro cuerpo adulto, estableciéndose lo que se le llama polaridad, es decir, la definición de los ejes anterior-posterior (A/P) y dorsal-ventral (D/V). Estos dos ejes perpendiculares proporcionan la simetría radial e imponen la formación de un patrón que por esta vía resulta ser bilateralmente simétrico.

5.- Genes homeóticos: Se les llama así a ciertos genes que determinan la identidad y el destino de los segmentos o partes individuales del embrión en sus etapas iniciales. Estos genes, vistos de forma simplificada, indican a las células si formarán parte de la cabeza, del tórax o del abdomen del futuro individuo una vez desarrollado. 6.- Muerte celular programada: Ciertas células o grupos de células que se produjeron durante algunas etapas del desarrollo deben ser eliminadas más adelante para mantener el curso apropiado del desarrollo. Como parte del programa general de desarrollo la muerte de estas células está programada, no es accidental, y ello se hace en el momento adecuado a través del proceso denominado apoptosis durante el cual la célula se suicida.

Veamos ahora los seis mecanismos más de cerca.

Movimiento celular

Las células migran utilizando un procedimiento en el cual la célula se adhiere a otra entidad (otra célula o a un sustrato), este anclaje a una estructura externa le permite a la célula "tirar" del enlace y desplazarse, luego se despega de esta unión para abandonar el sitio alcanzado y realiza otro "agarre" para lograr un nuevo avance por el mismo procedimiento. El movimiento en su conjunto se asemeja al que realiza un escalador de montañas, cada vez que puede asirse a un sitio en la pendiente lo usa para avanzar algo cuesta arriba, y una vez allí utiliza el próximo asidero para continuar la escalada.

La adhesión entre las células usualmente está mediada por cadherinas, una familia de proteínas transmembranales? que comparten un motivo común denominado dominio cadherina que es un dominio de 110 amino ácidos ubicados en la parte extracelular de la proteína y que participa en los enlaces dependientes de iones calcio (Ca2+) entre cadherinas de diferentes células. Por su parte, la adhesión a un sustrato, como por ejemplo, a la matriz extracelular, se hace a través de otra familia de proteínas denominadas integrinas. La integrinas cruzan la membrana plasmática y forman un puente de unión entre las fibras de actina del citoesqueleto en la parte interna de la célula y las fibras de colágeno o fibronectina de la matriz extracelular.

Cadherinas


Se ha demostrado que las cadherinas están codificadas por una larga familia de genes que se han encontrado en diversos organismos, como la mosca de la fruta Drosophila melagaster y el nemátodo C. elegans, así como también en los humanos, formando cuatro sub-familias que pueden a su vez subdividirse de acuerdo a su función y la distribución en las especies.

Los experimentos realizados in vitro en los que se permitió a las células ordenarse libremente, muestran la función de las cadherinas. Estos experimentos arrojaron que las células con las mismas cadherinas se adhieren unas a otras, mientras la adherencia no se produce entre células con diferentes cadherinas. Los investigadores colocaron juntas dos poblaciones dispersas de células con diferentes cadherinas y observaron la forma en la se organizaron, una vez que se les permitió hacerlo. Las células se agruparon en dos "bandos" en dependencia de la naturaleza de las cadherinas en sus superficies.

Extendiendo el experimento, se colocaron in vitro un grupo de células con diferentes cantidades de la misma cadherina en sus superficies, y como era de esperarse las células se agruparon formando una masa celular. La agrupación de células generada, presentaba a las células con mayor cantidad de cadherina en el interior de la masa, y en el exterior, aquellas con menor cantidad. De tales experimentos se desprende sin duda que las caherinas son importantes en la adhesión de las células, y que además, esta adhesión es selectiva de acuerdo al tipo de cadherina presente en unas y otras, por lo que se asume que puede servir como elemento básico para agrupar juntas las células que luego formarán un tejido o las partes de un órgano.

Integrinas

Cuando existen conjuntos de células en convivencia, tal y como sucede en los tejidos, una parte importante de la masa formada está ocupada por el espacio entre las células, espacio que no está vacío, por el contrario, está lleno de un entramado de moléculas segregadas por las células adyacentes, y estas moléculas son mayoritariamente polisacáridos ligados a proteínas por enlaces covalentes llamados proteoglucanos. En el interior de este conjunto de moléculas están embebidas hebras de proteínas fibrosas como colágeno, elastina y fibronectina, y todo el conjunto se conoce como matriz extracelular. Las células pueden "arrastrarse" a través de este intrincado conjunto uniendo sus integrinas superficiales alternativamente a diferentes fibras. Las integrinas están unidas dentro de la célula a las fibras del citoesqueleto y sobresalen al exterior de la célula en pares como si fueran "pinzas". Tales pinzas se "agarran" a componentes fibrosos particulares de la matriz extracelular y sujetan de ese modo a la célula. Además de esta función de fijación y avance, cuando la integrina hace contacto con las fibras de la matriz se pueden desencadenan en el interior de la célula determinados eventos que alteran el crecimiento del citoesqueleto y cambian el modo en el que la célula segrega materiales a la matriz.

Inducción

Decíamos arriba que "la dirección que toma el desarrollo de unas células puede estar inducido por la interacción con otras" y esto queda demostrado en el siguiente experimento.

Cuando se toman células de la blástula en sus etapas tempranas de desarrollo y se les deja luego desarrollar de forma independiente, se produce un hecho interesante que demuestra la importancia de la interacción célula-célula. Los blastómeros del polo animal desarrollan características de ectodermo mientras que los blastómeros del polo vegetal desarrollan características de endodermo sin que aparezcan rasgos de desarrollo de mesodermo en ninguna de las dos. Pero si ambos tipos de células se colocan cerca unas de las otras, algunas de las células del polo animal se desarrollarán como mesodermo. Sin duda, la interacción entre células adyacentes hace que el desarrollo de unas se oriente por una vía diferente a la vía que resulta si están solas. A ese fenómeno se le llama inducción.

La "conversación" entre las células vecinas aparentemente se hace a través de proteínas segregadas por la célula inductora que actúan como señales entre ellas. Las señales químicas son capaces de cambiar de manera abrupta el patrón de transcripción de los genes.

Con este sentido están los llamados organizadores, que son grupos de células específicas que producen moléculas que al difundir transmiten señales de ubicación a otras células. Estas sustancias, conocidas como morfógenos pueden tener un gran impacto en el desarrollo de los tejidos a su alrededor ya que funcionan como localizadores que indican a las células del entorno la distancia al organizador a través de su concentración, la que es cada vez menor a medida que la célula en cuestión esté más alejada del organizador.

Un morfógeno no siempre actúa de la misma manera y la respuesta de las células que lo rodean dependerá de la distancia a la que se encuentren del organizador, de esta forma, un nivel bajo del morfógeno activina induce a las células del polo animal del embrión de la rana africana Xenopus laevis a desarrollarse como epidermis, mientras los niveles ligeramente más altos inducen la generación de músculos, y algo más altos aún, la formación de la notocorda.

Determinación


La división del cigoto comienza muy pronto después de fertilizado el huevo, y hasta el estado en el cual se han producido ocho células, todas son equivalentes, lo que significa que tienen la capacidad potencial de expresar todos los genes de sus genomas. A tales ocho células se les llama totipotentes y si se les separa, cada una de ellas por si sola puede continuar el desarrollo y generar un individuo adulto normal.

Esta capacidad de las primeras ocho células se ha aprovechado en la práctica comercial para "fabricar" cuatro u ocho descendientes idénticos en lineas de cualidades especiales de ganado. Igualmente, en sentido inverso, se producen las quimeras, individuos que al nacer contienen células de lineas genéticas diferentes. Estos nacimientos quiméricos surgen de combinar células de dos embriones en el estado de ocho células para desarrollar un solo individuo con cuatro padres.

En los vertebrados, los blastómeros empiezan a ser diferentes a partir del estado de ocho células debido a la interacción célula-célula tal y como acabamos de describir. A partir de ese momento las células van quedando comprometidas a la especialización al quedar establecida la futura vía de desarrollo que define el destino de cada célula. Este compromiso con una vía de desarrollo se conoce como determinación. No puede confundirse la determinación con la diferenciación que sucede al final del ciclo de desarrollo. La determinación de una célula se produce durante el desarrollo mucho antes que la especialización, por ejemplo, una célula puede estar determinada para producir un cierto tejido en las etapas tardías de la blástula, sin embargo, se puede diferenciar como tal al final del desarrollo.

Es común que antes de que una céula quede completamente determinada y esté comprometida con una vía específica de desarrollo, primero esté parcialmente comprometida adquiriendo lo que se conoce como etiqueta posicional que refleja su ubicación en el embrión. Estas etiquetas pueden tener gran influencia en el subsiguiente patrón de desarrollo del cuerpo. Digamos que esto significa a groso modo que la célula está comprometida a formar parte de un órgano, pero ese compromiso es "genérico", y al final del desarrollo su ubicación específica puede dar lugar a uno u otro elemento del órgano.

La determinación no es absoluta

Durante muchos años se pensó que una vez que una célula quedaba determinada a formar un tipo particular del tejido durante el desarrollo, esta determinación era irreversible. Esta conclusión fue el resultado de una larga cadena de experimentos iniciados por John Gurdon a mediados del siglo XX y continuados después por muchos investigadores. En los experimentos pioneros de Gurdon, se sustituyeron los núcleos de huevos de rana por núcleos de células procedentes del cuerpo de otro individuo. Cuando el núcleo se obtenía de un embrión que había avanzado en el desarrollo, el huevo continuaba a la etapa de renacuajo, pero la mayoría moria antes de convertirse en un adulto. En lo adelante se realizaron muchos experimentos de trasplante de núcleos sin éxito hasta 1984, fecha en la que el embriólogo danés Steen Willadsen logró hacer la clonación de una oveja usando un núcleo de célula de un embrión muy joven. A este logro siguieron otros en diferentes organismos como cerdos y monos. La clave del éxito radicaba en utilizar núcleos de células tomadas en las etapas muy tempranas del desarrollo embrionario, ya que los intentos de lograrlo con núcleos de células de mayor edad eran infructuosos, esta situación hizo pensar a  los investigadores que las células animales estaban irreversiblemente comprometidas después de unas pocas divisiones en el desarrollo del embrión, y por tanto, no podían generar la diversidad de células necesarias para formar un animal adulto.

Ahora se sabe que esta conclusión no es definitiva, la clave que dio al traste con la vieja conclusión fue determinada por los genetista Keith Cambell e Ian Wilmut, los que razonaron que quizás lo que debía hacerse era utilizar un huevo y una célula donante del núcleo que estuvieran en la misma etapa en el ciclo de la célula (el ciclo de la célula se trata en el artículo, La división celular y la mitosis). Para verificar si su hipótesis era válida extrajeron células de las mamas de una oveja de seis años de edad y las mantuvieron en cultivo. Cinco días antes de hacer el trasplante, y como preparación para este, redujeron sustancialmente la concentración de nutrientes en el suero de cultivo y allí tuvieron que sobrevivir las células mamarias. Este "ayuno" trajo la consecuencia de que las células detuvieron sus ciclos en las etapas muy tempranas. Mientras tanto, se extrajeron los núcleos de óvulos procedentes de una oveja.

Ambos, óvulos y células se combinaron usando microcirugía en enero del 1996, algo más de cinco meses después nacía un corderito de la oveja al que se le llamó Doly. Doly fue la prueba irrefutable de que se podía generar un individuo normal partiendo de una célula de un individuo adulto y con ello también, que la determinación era reversible, por lo que, usando las técnicas apropiadas el destino de una célula completamente diferenciada podía cambiarse.

Partiendo de este excitante resultado se clonaron otros muchos animales: ratones, cerdos, vacas, gatos, cabras y conejos, sin embargo, la eficacia del método resultó en todos los casos muy baja y solo entre el 3 y el 5% de los núcleos transferidos resultaron en un adulto. Esta baja eficiencia indicaba que algo más que el ayuno celular era necesario para que el núcleo adulto actúe bien como núcleo embrionario. En el artículo Reproducción clonada de animales se brindan detalles al respecto.

Formación del patrón

Aunque no resulta tan evidente como en la mosca de la fruta Drosophila que describiremos más adelante en este punto; al parecer todos los animales durante las primeras etapas del desarrollo embrionario planifican globalmente el cuerpo adulto utilizando cierta información de ubicación. Esta información de ubicación determina el patrón básico de organización de las diferentes partes generales en que se compartimentará el cuerpo.

La formación del patrón corporal comienza muy temprano en el desarrollo, y en sus etapas tardías puede involucrar la morfogénesis de los órganos, pero durante los eventos iniciales del desarrollo se ocupa de establecer el esquema básico del cuerpo, al fijar los ejes anterior-posterior (A/P) y dorsal-ventral (D/V), de modo que durante estas etapas iniciales la formación del patrón puede considerarse un proceso en el que se toma una célula radialmente simétrica y se le imponen dos ejes perpendiculares que definen la arquitectura básica de simetría bilateral.

El proceso de formación del patrón difiere sustancialmente entre diferentes organismos y en este artículo describiremos más detalladamente la formación del patrón en el invertebrado Drosophila melanogaster que es el mejor conocido. Adicionalmente, brindaremos alguna información general de esta formación en vertebrados y mamíferos.

Formación del patrón en Drosophila

El proceso inicial del modelado del patrón en la mosca Drosophila es el mejor comprendido, y se desarrolla siguiendo de forma ordenada la expresión de genes, comenzando con genes maternos preformados (esto es como ARNm) proporcionados por la células foliculares? al futuro oocito antes de formarse como huevo maduro, y por tanto, antes de la fertilización.

Son dos las rutas de señalización que establecen la polarización A/P y D/V:

1.- El eje antero-posterior (cabeza-cola): se forma como consecuencia del gradiente de concentración de la proteína bicoide, la que nace de la traducción del ARNm bicoide proporcionado por la madre y anclado al polo anterior. Debido a la ubicación espacial de este ARNm, su traducción genera un gradiente de concentración de la proteína en la dirección anterior a posterior, creando así la polarización. De la misma forma la proteína oskar generada también a partir del ARNm oskar materno determina el polo posterior. La acción de la proteína bicoide más adelante en el proceso es controlar la expresión de los llamados genes gap que se expresarán en el cigoto.

2.- El eje dorsal-ventral: está controlado por un mecanismo diferente que no involucra algún determinante citoplasmático localizado como el bicoide. En su lugar, se acumula el ARNm gurken a un lado, en la superficie del núcleo, de manera que cuando este ARNm se traduce genera la acumulación de la proteína dorsal en un lado de la membrana de la célula cuyo gradiente en la dirección dorsal a ventral establece la polaridad en similitud con bicoide. Note que aunque se utilizan mecanismos muy diferentes, el factor común en el establecimiento de los ejes A/P, D/V y la polaridad radica en que ambos, bicoide y gurken, son genes maternos que se expresan en el oocito usando información que proviene del genoma materno. En los dos casos está involucrada la interacción del futuro oocito y las células foliculares.

Planificación del cuerpo en Drosophila

Un factor clave en este proceso es la proteína bicoide, la que produce un profundo efecto en la organización del embrión al activar genes que codifican los primeros ARNm transcritos después de la fecundación. El proceso comienza muy pronto (dentro de las dos horas) tras la celularización del blastodermo sincitial y se dirige a la transcripción de un grupo de seis genes denominados en conjunto genes gap los que trazan la subdivisión basta del cuerpo.

Entre los genes gap está el denominado hunchback (que significa en inglés "jorobado") debido a que los embriones sin este gen pierden el tórax y toman una forma encorvada. Aunque la transcripción de hunchback produce el ARNm distribuido por todo el citoplasma, su traducción está controlada por la proteína nanos generada a partir de otro ARNm materno. El nombre de la proteína nanos proviene de la palabra griega νάνος que significa "enano", debido a que los mutantes sin nanos adolecen de segmentos abdominales y por ello son pequeños. El control de la traducción del ARNm hunchback lo ejerce la proteína nanos al acoplarse a este ARNm evitando así que se traduzca. La única región en el embrión en el que nanos escasea lo suficiente como para no poder evitar la traducción de hunchback es la parte más lejana del extremo anterior, de modo que en ese extremo anterior es donde la proteína hunchback se fabrica inicialmente. A medida que hunchback difunde hacia el polo posterior se va creando un segundo gradiente de morfógeno (además del ya tratado bicoide) responsable por el establecimiento de dos regiones o segmentos que darán lugar luego al tórax y el abdomen.

Bajo la influencia de otros genes gap se activan once o más genes conocidos como genes de la regla par (pair-rule genes en inglés). Uno de estos genes denominado hairy produce una serie de bandas de proteínas que lucen como franjas en el embrión cuando estas se destacan con marcadores fluorescentes. Tales bandas resultan las fronteras que dividen el embrión en siete zonas. Luego, los denominados segment polarity genes sub-dividen esas zonas. Uno de estos últimos genes llamado engrailed, divide cada una de las siete zonas establecidas por hairy en un compartimiento anterior y otro posterior dando lugar a 14 de estos. De los 14 compartimientos, tres corresponden a segmentos de la cabeza, tres a segmentos del tórax y ocho a segmentos del abdomen del embrión.

En esencia, en un plazo no mayor de tres horas después de la fertilización se ha organizado una secuencia de activación de genes que produce el esquema básico del embrión. La activación de estos genes depende de la difusión libre de morfógenos, la que es posible dado a que todo sucede dentro del espacio del blastodermo sincitial. En los embriones divididos en células, como en los mamíferos, se utiliza otro mecanismo.

Formación del patrón en vertebrados

Tomaremos como ejemplo de vertebrado a la rana Xenopus. El establecimiento del eje D/V ha sido por mucho tiempo del interés de los embriólogos debido a que tan temprano como en la década de los años 1920, experimentos llevados a cabo por Spemman y Mangold mostraron la existencia del que luego fuera llamado organizador Spemman. En sus experimentos, los investigadores demostraron que si se secciona en dos un embrión de Xenopus, la parte que contiene la mitad dorsal se desarrolla normalmente. Yendo más lejos, si se transplanta solo el labio dorsal del blastoporo se produce un segundo eje embriónico. Desde que se realizaron estos experimentos se ha trabajado para desentrañar la naturaleza molecular del organizador de Spemman y se ha encontrado que los primeros eventos que conducen a la determinación del eje D/V están vinculados con el hecho de la fertilización, ya que el lado del embrión opuesto al punto por donde entra el espermatozoides será el futuro lado dorsal. A la fecundación le sigue un proceso de reorganización del huevo, el citoplasma de la corteza del cigoto rota con respecto a la zona central del citoplasma y microtúbulos que surgen del punto de entrada del espermatozoide mueven los determinantes dorsales desde el polo vegetal hacia el lado del cigoto contrario al de entrada del espermatozoides. De este proceso finalmente se forma el organizador en la superficie dorsal.

Formación del patrón en mamíferos

Se conoce que el embrión de los mamíferos no tiene determinantes evidentes y su desarrollo es un ejemplo de desarrollo regulativo, en el cual se despliega el proceso basado en la interacción entre las células. Aun así, las evidencias indican que la planificación surge muy temprano en el desarrollo, y aunque un embrión de ratón puede ser manipulado de diversas maneras sin que se perturbe el desarrollo, por ejemplo, desorganizando los blastómeros, eliminando citoplasma polar, incluso desechando blastómeros hasta el estado ocho-células, de todas formas el embrión "recuerda" el punto por el que entró el espermatozoide y esto influye en eventos posteriores para generar el eje próximo-distal (el eje que va desde el punto de entrada del espermatozoides hacia la zona más alejada de él en el cuerpo).

Genes homeóticos

figura 1

Figura 1. Efecto de la mutación en el gen bithorax.


Una vez formada la planificación básica del cuerpo según lo descrito anteriormente, el paso que sigue es darle detalles a esta planificación general segmento por segmento del embrión. Los genes que hacen este trabajo, denominados genes homeóticos, contienen el llamado homeobox, una secuencia de ADN de unos 180 pares de bases  implicado en la regulación del desarrollo. Las mutaciones de los genes homeóticos conducen a la aparición de partes perfectamente normales del cuerpo ubicadas en sitios inadecuados, por ejemplo, en Drosophila las mutaciones en el gen bithorax hace que crezcan dos alas adicionales a las normales como si la mosca tuviera el tórax doble (figura 1), de la misma manera, si el que muta es el gen Antennapedia crecen patas en la cabeza en el lugar de las antenas.

El homeobox contiene el código para la producción de un dominio de unión a ADN llamado homeodominio con unos 60 amino ácidos. Las proteínas que contienen el homeodominio funcionan como factores de transcripción que aseguran que la expresión de los genes desarrolladores relacionados se haga en el momento apropiado (en el artículo Regulación de la expresión de los genes se describen los factores de transcripción y los dominios de unión a ADN).

A mediados del siglo XX el genetista norteamericano Edward Lewis descubrió que varios genes homeóticos (también llamados genes Hox) incluyendo el bithorax se ubicaban juntos en el tercer cromosoma de Drosophila formando un apretado grupo que denominó complejo bithorax. Las mutaciones de cualquier de tales genes afectaba partes del cuerpo de los segmentos torácicos y abdominales. De sus investigaciones, Lewis concluyó que los genes del complejo bithorax controlaban el desarrollo de la mitad trasera del tórax y de todo el abdomen, y lo hacen de una manera muy singular; el orden de los genes en el complejo se corresponde con el orden de las partes del cuerpo que ellos controlan. Así, los genes en el comienzo del grupo se ocupan del desarrollo del tórax; aquellos en la parte media del grupo controlan la zona anterior del abdomen; y los genes finales afectan la punta del abdomen.

Otra agrupación de genes homéoticos fue descubierto por Thomas Kaufman y sus colaboradores en 1980 y se le denominó complejo antennapedia. Este complejo administra la parte anterior de la mosca, y de la misma forma que antes, el orden de los genes en el grupo corresponde con el orden de los segmentos que controlan.

Muerte celular programada

Solo una parte de las células nacidas durante el desarrollo tienen como destino sobrevivir. Por ejemplo, la diferenciación de los dedos de los pies y de la manos en el embrión humano ocurre debido a que las células entre ellos mueren, y por eso tenemos dedos separados y no una aleta como mano.

A diferencia con la muerte accidental de células o necrosis, estas células mueren de forma planificada y, de hecho, necesaria, para garantizar un buen despliegue del proceso de desarrollo. A la muerte programada de las células se le conoce como apoptosis, un proceso en el que las células se suicidan "arrugándose" hasta morir. Este tipo de auto-destrucción regulada en las células sucede cuando se activa la señal "muerte" contenida en un programa. Al parecer, todas las células de los animales contienen tales programas.

La apoptosis esta controlada por genes, así por ejemplo, en el nemátodo Caenorbabditis elegans que tiene 959 células en el cuerpo adulto siempre mueren durante el desarrollo las mismas 131 células siguiendo un patrón predecible de apoptosis. Son tres los genes presentes en las células que gobiernan estos auto-aniquilamientos, dos de ellos, llamados ced-3 y ced-4  son en sí mismos el programa de muerte celular, mientras el ced-9 reprime el programa de muerte codificado por los otros dos.



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