TEMA 7 - DESARROLLO TEMPRANO EN PEQUEÑOS FILOS (2015)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2015
Páginas 17
Fecha de subida 14/03/2015 (Actualizado: 20/04/2015)
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TEMA 10 – DESARROLLO TEMPRANO EN PEQUEÑOS FILOS I.
Introducción ¿Por qué es interesante estudiar el desarrollo temprano en grupos de invertebrados? Ley biogenética (Haeckel, 1866): “La ontogenia, o el desarrollo de los individuos orgánicos, considerada como una secuencia de formas que cambia a lo largo de todo individuo orgánico durante su existencia individual, está inmediatamente determinada por la filogenia o el desarrollo del grupo orgánico (phylum) al que pertenece”.  “La ontogenia recapitula la filogenia”, es decir, hay un paralelismo entre el desarrollo evolutivo y el filogenético.
Esta ley es bastante popular pero es falsa. Si fuese verdadera, eso significaría que por ejemplo, los humanos, a lo largo de nuestro desarrollo pararíamos por estadíos de pez, reptil… - Basada en arquetipos.
Great chain of beings.
Adición terminal: se añadiría un nuevo estadío al final del desarrollo cuando éste evolucionara.
Las leyes de Von-Baer 1. Las características generales de un grupo grande (por ejemplo, Phylum) de animales aparecen, durante el desarrollo, antes que las características particulares de un grupo más pequeño (por ejemplo, Familia). Es decir para estudiar las relaciones filogenéticas más profundas entre los diferentes phyla de metazoos hemos de comparar sus estadíos embrionarios más tempranos.
El esquema del desarrollo es parecido al de la evolución de los organismos. A medida que el desarrollo va avanzando, la diferencia entre los diferentes grupos es mayor.
2. Los caracteres menos generales y más especializados aparecen en los últimos estadios del desarrollo.
3. El embrión de una especie dada no pasa por los estadios adultos de animales inferiores, sino que se aparta más y más de ellos.
4. El embrión temprano de un animal “superior” nunca es como el estado adulto de un animal “inferior”, sino únicamente como su embrión temprano.
También se ha visto, a través de Hourglass, que el parecido entre diferentes grupos puede tomar forma de reloj de arena más que de embudo. Esto variará según la especie, y simplemente es un modelo empírico, no se sabe por qué es así realmente.
Los organismos modelo Tradicionalmente los biólogos del desarrollo han elegido a sus sujetos experimentales por su facilidad de cría y manipulación, y no tanto por su posición filogenética.
- Gallus gallus, Pollo. Malpighi, 1672 Xenopus laevis, Rana. Spemann, 1924 Danio rerio, Pez cebra. Streisinger, 1956 Drosophila, Mosca de la fruta. Morgan, 1910 Caenorhabditis. Nemátodo. Brenner, 1963.
Strongylocentrotus. Erizo de mar.
Ciona. Ascidia.
El muestreo de las anteriores especies no era representativo de la diversidad total, ya que hay grupos de animales en los cuales no existen organismos modelos. Por este motivo, en los últimos años se han incluido nuevas especies modelo para esclarecer las relaciones filogenéticas entre grandes grupos (Jenner).
- Relaciones filogenéticas ancestrales.
Relación con la explosión cámbrica (-530 m.a.). Doushantuo Lagerstatten.
Relación con el cambio de simetría Radial-Bilateral. Determinación de ejes corporales.
Adquisición de nuevos mecanismos de desarrollo.
Estas son: - Convolutriloba. Acoela.
Nematostella. Cnidaria.
Mnemiopsis. Ctenophora.
Caenorhabditis. Nematoda Los tipos de segmentación o clivaje A pesar de que existe un gran número de patrones de segmentación en metazoos, todos pertenecen a un número limitado de modalidades.
Según los “surcos” se extiendan a lo largo del huevo o no: - Holoblástica (completa) Meroblástica (incompleta).
Según la cantidad y distribución del vitelo: - Isolecítica: poco vitelo, uniforme.
Mesolecítica: vitelo moderado, vegetal.
Telolecítica: gran cantidad de vitelo.
Centrolecítica: vitelo en posición central.
Según disposición geométrica: - Radial.
Espiral.
Según el tamaño relativo de los blastómeros: - Igual Desigual: con macrómeros y micrómeros.
Todo esto viene seleccionado por factores físicos, genéticos y según el estilo de vida de la especie.
Patrones filogenéticos en desarrollo temprano Como ya hemos dicho antes, a pesar de que existe un gran número de patrones de segmentación en metazoos, todos pertenecen a un número limitado de modalidades. Y no existe una relación filogenética aparente entre ellos. Por ejemplo, mamíferos y algunos nemátodos empiezan el desarrollo de una manera muy parecida.
II.
Porifera, Placozoa Las características de los poríferos son las siguientes: - Generalmente sin simetría definida.
Generalmente reproducción asexual (gémulas) Cuando se da reproducción sexual, hermafroditismo.
Fecundación interna Óvulos y espermatozoides por coanocitos des-diferenciados.
Presentan diferentes tipos de segmentación: - - Caótica: los planos de segmentación son aleatorios.
Incurvacional: las células se dividen pero quedan adheridas por la parte radial.
Radial.
Poliaxial: se acaba formando una bola de células alargadas.
Podemos encontrar diferentes tipos de larvas (blástulas modificadas). Algunas larvas poseen simetría bilateral incipiente (desplazamiento preferente A-P).
La diferenciación celular ocurre antes que la morfogénesis, la cual depende de la propia diferenciación (sólo en poríferos). La morfogénesis viene dada principalmente por el cell-sorting (primero tenemos una mezcla de células pero luego se diferencian dos fases, ya que las células tienen afinidad por las de su mismo tipo) y la migración de los diferentes tipos celulares mediante pseudopodios (experimento tamiz). Los poríferos no poseen epitelios verdaderos (no invaginación, etc).
Placozoa: - Es un grupo compuesto por una sola especie: Trichoplax adhaerens (Schulze 1883).
Estructura epitelioide.
Reproducción sexual desconocida hasta hace poco.
Oocitos desde epitelio inferior.
Gránulos citoplasmáticos de vitelo (centrolecítico) Degeneración del adulto cuando se generan los oocitos.
Segmentación holoblástica.
Divisiones asincrónicas, pero iguales.
III.
Ctenophora (Mnemiopsis) - Simetría biradial (rotacional).
Posición filogenética controvertida.
Algunas características de triploblástico (células musculares derivadas de mesodermo).
- Segmentación estereotípica específica del Phylum.
Destinos celulares especificados desde la segmentación.
Los planos de los ejes de simetría se definen desde las primeras divisiones. En la segmentación temprana, cuando hay sólo unas 8 células, los planos de simetría ya están definidos.
- Ausencia de Genes Hox.
Hallados diferentes componentes de la ruta Wnt y β-catenina.
IV.
- - Cnidaria (Nematostella) Nematostella vectensis. Cnidaria. Anthozoa.
Ciclo vital sencillo (carece de fase medusa).
Segmentación caótica (irregular, muy variable): por ejemplo, podemos pasar de tener 8 células a 6; y pseudoespiral. Blastómeros desiguales.
Posibilidad de fusiones entre las fases de 2, 4 y 8 células.
- Blastocele visible a partir de fase 32 cel.
Ciclos de invaginación-evaginación durante la blastulación, sincronizados con el ciclo celular y mediados por polimerización de actina y microtúbulos.
Gastrulación - Gastrulación comienza desde celoblástula esférica y regular de una capa de células.
El endodermo presuntivo (que ocupa ¼) del polo animal sufre una pérdida de organización epitelial (EMT). De esta manera se convierten en el endodermo, aunque las células del endodermo se mantendrán unidas por su zona apical y adquieren forma de botella. Esta parte se evaginará y se meterá dentro de la “bola de células”.
- La constricción apical produce la invaginación del endodermo.
- Según avanza el endodermo hacia el blastocele, la parte basal del mismo desarrolla filopodios que se unen a la parte basal del ectodermo (zippering). Es decir, para que se produzca un “cierre total”, las células emitirán unos filopodios para atraerse unas a otras, como si fuese una cremallera.
La gatrulación finaliza con la morfogénesis faríngea, producida por la adhesión entre las zonas apicales (ahora orientadas hacia el arquénteron) del endodermo. Se dará una 2ª evaginación, aunque el agujero (blastóporo) no llegará a cerrarse del todo.
Finalmente, un elongamiento de la gástrula para dar lugar a la larva Plánula funcional.
- - Señalización - - Durante el desarrollo temprano de Nematostella, existe una polaridad intrínseca (anisotropía citoplasmática de origen materno) que se mantiene hasta la formación del blastoporo.
La actividad organizadora reside en el polo animal. Los gradientes químicos implicados en el desarrollo se establecerán en el eje animal/vegetal (oral/aboral). Desde el polo oral al aboral, según las señales que lleguen a las células, éstas sabrán en qué posición están Las manipulaciones del embrión que conlleven la pérdida del centro organizador (polo animal) no seguirán un desarrollo normal.
La Wnt pathway se encuentra presente en Nematostella (en 11 de las 12 subfamilias conocidas).
Expresados en ectodermo y endodermo durante los diferentes estadios.
Patrón solapante que genera territorios sobre el eje principal sobre los cuales se desarrollarán estructuras anatómicas: coroma tentacular, hipostoma...
La compartimentalización radial desde el eje oral-aboral para dar lugar a diferentes mesenterios, tentáculos… puede explicarse mediante un modelo reacción-difusión con unas condiciones de contorno circulares: Bilateralidad en anthozoa Sorprendentemente, Nematostella exhibe cierto grado se simetría bilateral a nivel anatómico durante el estadío larvario, pero no en el adulto: También presenta expresión génica asimétrica de genes dorsoventrales (análogos a dpp/Sog en Drosophila y BMP4/chord en cordados): V.
- - Acoela (Convolutriloba) Convolutriloba longifissura. Simetría bilateral. Organización simple. Triploblástico acelomado. Sin tubo digestivo.
Es una especie muy simple, casi que no tiene nada, muy pocos órganos.
Principalmente reproducción asexual por gemación. Además, si lo partimos en trozos (fragmentación), salen nuevos acoelos.
Segmentación - Duet spiral cleavage. La rotación del huso mitótico de da en la fase 2C4C, es decir, cuando se pasan de 2 a 4 células.
Además, los ejes corporales se determinan desde las primeras divisiones celulares, desde las 8 células más o menos.
En la segmentación espiral, las divisiones se van alternando de derecha a izquierda, lo que provoca que los blastómeros se organicen en cuadrantes.
Además, cada región de blastómeros se corresponderá a ciertas partes del adulto, ya determinadas desde el principio.
Por tanto, podemos decir que desde el inicio del desarrollo ya se sabe la disposición de las células en el organismo adulto.
Señalización En la fase posterior del desarrollo actúan los siguientes gradientes, los cuales indican a las células cuál es su posición, para que así sepan que deben hacer o a lo que se tienen que diferenciar.
- VI.
- - Patterning anteroposterior por Wnt.
Patterning lateral por gradiente de BMP desde la línea media sagital hacia los laterales del organismo.
La línea media se formará por inhibición de la BMP: se supone que ha de existir un efecto inhibidor/organizador del borde, ya que la línea media no existe a priori.
Nematoda (Caenorhabditis) Caenorhabditis elegans (especie modelo).
1mm. Longitud. Desarrollo rápido.
Hermafrodita facultativo: según las condiciones ambientales.
Eutélico: todos los organismos de esta especie tienen exactamente 959 células somáticas. Por tanto, se conoce muy bien su desarrollo y linaje.
Cell fate muy conservado. Por ejemplo, si quitamos una de sus células en la etapa de desarrollo, ninguna otra célula podrá sustituirla y por tanto, habrá una parte del cuerpo del adulto que faltará. El final de cada célula está muy conservado.
Genoma pequeño.
Anatomía general y sistema reproductor: gran parte del organismo está ocupado por su sistema reproductor.
Segmentación - Segmentación (clivaje) holoblástica rotacional, desigual.
Huevo elipsoide. Cuando las células se dividen dentro del huevo, éstas rotan para acomodarse a las forma del huevo.
o - - - Como en la segmentación elipsoide, las células están más comprimidas lateralmente que longitudinalmente, lo que determina el eje de polaridad de la célula: polaridad Antero-Posterior determinada por el punto de entrada del espermatozoide (posterior).
o Divisiones asimétricas por polarización del córtex (proteínas PAR2-PAR3). La primera división del zigoto es asimétrica: las proteínas PAR se unen a unas sustancias que secreta el espermatozoide y al córtex de la célula. Cuando se produzca la división del zigoto, donde se unan las PAR a los microtúbulos, éstos se engancharán mejor. Por tanto la célula se dividirá de forma desigual.
o “Many to one mapping” Eje Dorso-Ventral por: 1. División blastómero AB. Hay otras formas de segmentación aparte de la rotacional (imagen derecha) pero no son estables. La rotacional permite generar una parte ventral y otra dorsal.
2. Forma cápsula rígida.
Blastómeros (P1, P2, P3...) posterior. Mientras se van dividiendo las células, el blastómero posterior (P: va cambiando de índice según la división) será el que genere la línea germinal.
Gránulos-P (RNPs): se encuentran en los blastómeros P, es decir, en la parte posterior.
Línea germinal (especificación autónoma).
Gastrulación - - VII.
- - Gastrulación temprana (24 células). No se genera una gástrula “normal”, sino que se produce una forma de 24 células que empieza un proceso de gastrulación.
Células individuales migran al blastocele transitorio en orden (ingresión): o Blastómeros E precursores de endodermo (tubo digestivo).
o Blastómeros D precursores de mesodermo (células musculares).
o Blastómeros P (Línea germinal). En posición.
No hay un blastocele (hueco central) en sí, sino que simplemente laos blastómeros que hemos nombrando van entrando, por orden, al interior del organismo.
El número de células definitivo es alcanzado en los primeros estadíos larvarios.
El crecimiento tiene lugar principalmente por aumento del tamaño celular. Como hemos dicho antes, el número de células del organismo adulto no cambiará.
Desarrollo de la vulva en nematodos Estructura compleja, esencial en el bauplan de nematodos (a partir de epidermis).
Se sitúa en la parte central del cuerpo de las hembras.
Sistema paradigmático de organogénesis: o Desarrollo invariante a partir de múltiples interacciones celulares.
o Formación de un orificio en una localización precisa.
Sistema ideal para el estudio de cell signalling/signal transduction.
- Formación a partir de 6 Vulval Precursor Cells (VPCs), que forman parte del epitelio, y una Anchor Cell (AC) interna, a nivel subepitelial y situada en posición subcentral.
1. Previo a L3, las 6 VPCs son especificadas en la epidermis ventral.
2. Las 6 VPCs, influenciadas por AC, forman un grupo de equivalencia, siendo competentes para ser inducidas por AC. Las 6 células pasan a ser competentes, es decir, reaccionarán a la futura señal que les llegará desde la AC.
3. AC secreta LIN-3 (Factor paracrino =EGF  RTK pathway), formando un gradiente que aportará información posicional a las VPCs.
4. Las células VPCs pueden asumir 3 destinos en función de la concentración de LIN-3 (determinada a su vez por la distancia a AC). En función de la concentración de la señal (LIN-3) las VPCs asumirán su destino: célula central, lateral o adyacente (hipodérmica).
- Las células de los extremos generan células hipodérmicas tras una división. A las células que les llegue muy poca concentración pasarán a formar parte de la hipodermis, y se dividirán de manera normal.
La célula bajo AC, la VPC central, además de dividirse para dar las células centrales de la vulva, produce LIN12 (Notch) que inhibe en las células adyacentes el gen que controla el destino de las células centrales. Es decir, inhibe la diferenciación de las células laterales a centrales.
- La propia formación de AC está también mediada por LIN-12.
o Dos células adyacentes y equivalentes pueden convertirse en AC: Z1ppp y Z4aaa.
o Interactúan de tal manera que una se convierte en AC y la otra en precursora del útero.
o ¿Cómo se produce la “decisión”? Amplificando pequeñas diferencias Iniciales en las cantidades de señal y receptor (LIN-12 y Lag-2: antagónico de LIN-12, secretado por la VPC central).
Al principio hay al menos dos células que pueden llegar a convertirse en AC. Éstas son equivalentes, pero sólo una de ellas podrá llegar a diferenciarse a AC. Las dos células son muy parecidas, pero no llegan a ser idénticas.
Las pequeñas diferencias iniciales irán amplificándose por FB+ y por tanto, al final las dos células acabarán siendo muy diferentes una de la otra.
VIII.
- - Factores implicados en el patrón de segmentación El estudio comparativo del desarrollo temprano nos muestra una variedad de patrones de segmentación.
Muchos de estos patrones representan formas de equilibrio (soap-bubbles) resultantes de interacciones físicas entre blastómeros. (D'Arcy Thompson, 1917). Si las células fuesen esferas huecas, serían como pompas de jabón.
A nivel (macro)evolutivo, es posible que el control genético de tales procesos se haya producido posteriormente a la aparición de los patrones en sí. (Stuart Newmann). A nivel macroevolutivo se regulan los patrones que se producen por efectos físicos para que se produzcan en el omento preciso.
- Durante el desarrollo se producen constantes rupturas de simetría desde un oocito inicial.
Según el principio de Curie (1894) una asimetría sólo puede ser generada a partir de otra asimetría. Un asimetría necesita una asimetría previa o algún factor que rompa la simetría inicial, como la forma del huevo elipsoide de C. elegans.
- En el desarrollo sigue parcialmente este principio: o Asimetrías morfológicas en el oocito (C. elegans) o Asimetrías citoplasmáticas (Bicoid ARNm) También pueden producirse rupturas espontáneas de simetría: Procesos auto-organizativos que amplifican pequeñas anisotropías debidas al azar (ruido): AC en C. elegans; Turing-like mechanisms; cell sorting ...
- Forma de la célula Las células (en general) tienden a dividirse de modo que: “The two poles of the division figure come to lie in the direction of the greatest protoplasmic mass.” (Hertwig, 1884).
Contacto entre células - - Regla de Sachs: Las células se dividen por el semieje menor (rojo); pero en la siguiente división celular, el eje de división será perpendicular al anterior (verde).
Divisiones a 90º (perpendiculares).
Centriolos.
Tensión superficial - - - Minimización de superficies de contacto: la zona de contacto de los blastómeros podría hacer que las células se dividiesen al revés de cómo deberían.
Regla de Plateau (A=120º): la tensión superficial hace que se formen ángulos de 120º para que las células quepan mejor (como en los paneles de abeja.
Posible implicación en deformación espiral (SD) en Spiralia.
(Función organizadora-orientadora husos mitóticos).
Empaquetamiento (packing constraints) - Si las células fuesen esferas indeformables, sólo podrían rellenar un 0.74% del volumen total (Conjetura de Kepler) Aunque son deformables, el confinamiento dentro de una capa hialina hace que los blastómeros tiendan a ocupar posiciones intercaladas.
Además, la deformación afecta a los futuros planos de división celulares.
IX.
- - Conclusiones No existe un consenso absoluto sobre las relaciones evolutivas entre grandes taxones de metazoos.
El estudio del desarrollo temprano en diferentes grupos puede contribuir decisivamente a comprender mejor las relaciones filogenéticas entre ellos, pero ha de ampliarse la lista de animales modelo.
Estas relaciones filogenéticas habrán de basarse en homologías, que pueden detectarse a nivel anatómico, genético y de mecanismos de desarrollo (many to-one mapping).
La dotación de genes implicados en el patterning no guarda relación directa con la complejidad morfológica del organismo.
Los patrones geométricos observados en las primeras etapas del desarrollo (clivaje) parecen desempeñar un papel importante en la determinación de los ejes corporales, y son parcialmente explicados por interacciones físicas.
Señalización Wnt muy antigua, implicada en la polarización anteroposterior desde la base de eumetazoa.
Los mecanismos de desarrollo implicados en la bilateralidad aparecieron antes que la bilateralidad funcional.
Desarrollo más variable en “basales”.
Los ejes de simetría aparecen muy pronto en el desarrollo, y la polaridad del embrión se mantiene a lo largo de éste.
Genetic toolkit de bilateria filogenéticamente muy antiguos, presentes en radiata.
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