TEMA 5. DESENVOLUPAMENT PRIMERENC EN PETITS FÍLUMS II (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia del Desenvolupament
Profesor I.S.C.
Año del apunte 2015
Páginas 13
Fecha de subida 30/03/2015
Descargas 47
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 5: DESENVOLUPAMENT PRIMERENC EN PETITS FÍLUMS; IMPLICACIONS EVOLUTIVES II ACOELA Convolutriloba longifissura: té simetria bilateral, és molt simple (no té tub digestiu, no té sistema respiratori...), és tripoblàstic sense celoma. Bàsicament es reprodueix asexualment per gemmació (es talla en trossets i de cada un en surt un nou individu).
En aquest cas, el tipus de segmentació ha permès desemmascarar algunes relacions evolutives d’aquest grup d’organismes amb els espirals, ja que s’han observat algunes analogies en el desenvolupament primerenc. És difícil comparar els individus adults, bàsicament perquè no tenen quasi cap estructura per comparar, per tant és bastant útil utilitzar els patrons que s’observen en el desenvolupament primerenc, que se sap que estan molt conservats en diferents grups.
El tipus de segmentació que tenen els acels és un que s’anomena duet spiral cleavage, que es caracteritza perquè la rotació del fus mitòtic es produeix en l’estat de 2 i 4 cèl·lules. En el següent esquema, en la fila A veiem la segmentació espiral clàssica, també anomenada quartet spiral cleavage, ja que el que roten són quartets de blastòmers (en l’esquema, en els quatre micròmers de color blau es produeix una torsió). En acels és el mateix però la torsió es produeix abans, en un estadi de 2 cèl·lules: la biomecànica és molt semblant al quartet spiral cleavage, el que canvia és el moment precís en el que actuen els mecanismes de polarització de les cèl·lules.
B i C són el duet spiral cleavage vist des del costat (B) o des de dalt (C).
Les característiques bàsiques de la segmentació espiral clàssica (i que per tant també es poden aplicar la gran majoria al duet spiral cleavage) són: - Fins l’estat de 4 cèl·lules les divisions es produeixen en el mateix pla.
- A partir de l’estat de 4 cèl·lules, es divideixen preferentment cap al pol animal, i en cada una d’aquestes divisions hi ha un gir cap a l’esquerra o cap a la dreta, segons l’organisme.
En aquest cas seria cap a l’esquerra.
- L’eix que uneix cada micròmer amb el seu macròmer corresponent (del qual s’acaba de dividir) té una orientació obliqua respecte l’eix animal-vegetal. En la següent divisió també és obliqua però en la direcció contrària.
- La ordenació final que tenim és que els llinatges cel·lulars es queden distribuïts en quadrants. Ex: les cèl·lules de baix a l’esquerra procedeixen totes del blastòmer a. Hi ha una nomenclatura per referir-se a cada un dels blastòmers (això no ho farem).
En la segmentació espiral, els blastòmers estan tant organitzats, que permeten que hi hagi una segona fase de segmentació entre blastòmers d’una manera molt coordinada, exacta i conservada. Això permet que en acels (tal i com passa en espirals clàssics), els eixos corporals i les diferents regions de l’organisme estiguin determinats des de les primeres divisions. Des de l’estat de 8 cèl·lules ja està determinat quina serà la part de davant, la de darrera, la superior, la inferior, etc.
Regions contigües del cos de l’adult procedeixen de llinatges cel·lulars que, al seu torn, procedeixen de blastòmers adjacents. Per tant hi ha una relació directa entre els blastòmers dels primers estadis de la segmentació i les regions de l’animal adult. En el següent esquema això veiem que està indicat per colors. S’han fet experiments en els que per ablació s’elimina un dels blastòmers en els estadis inicials i en l’adult falta la part del cos corresponent. Des de l’inici del desenvolupament ja està completament especificat què és el que farà cada cèl·lula.
Per què això pugui passar es necessita una organització espacial precisa i conservada. L’espiral compleix aquests requisits. En comptes, amb la segmentació de tipus caòtic això no seria possible.
Relació entre blastòmers i regions de l’individu adult. Eixos determinats en els primers estadis de desenvolupament.
En una fase posterior del desenvolupament, actuen un parell de gradients que estan determinats per aquesta ordenació dels blastòmers. Quan tenim un conjunt molt petit de cèl·lules, com en l’embrió primerenc, els contactes cel·lulars permeten generar informació. En comptes quan l’individu és adult hi ha moltes més cèl·lules i per generar la informació posicional calen mecanismes suplementaris, com els gradients de morfògens. Hi ha dos gradients principals: - Gradient Wnt: determina l’eix antero-posterior.
- Gradient BMP: difon des de la línia mitja sagital cap als laterals. Se suposa que hi ha un efecte inhibidor del gradient de BMP des de la línia lateral de l’organisme, ja que la línia mitja no existeix a priori. Al principi hi ha BMP per tot arreu, i després amb la inhibició es forma la línia mitja.
Tot i que es necessitin aquests gradients per formar els eixos, diem que aquesta ja vénen determinats des dels primers estadis de desenvolupament perquè de fet les cèl·lules que envien aquests gradients saben que ho han de fer gràcies als patrons formats en aquests primers estadis.
NEMATODA SEGMENTACIÓ Caenorhabditis elegants és un cuc nematode, espècie model. El tio que va descobrir-lo com a espècie model va guanyar un Nobel. És un organisme molt petit, d’1 mm de longitud. Té un desenvolupament ràpid i és hermafrodita facultatiu (depenent de les condicions ambientals és hermafrodita o no).
Dos aspectes importants que estan relacionats amb el desenvolupament: - És un animal eutèric: sempre té 959 cèl·lules justes. Això ha permès que se sàpiga amb molta precisió el llinatge cel·lular: cada cèl·lula de quina altra cèl·lula prové i a quines cèl·lules donarà lloc. Aquests llinatges estan molt conservats: si ens carreguem una cèl·lula, la cèl·lula del costat no pot ocupar el seu lloc. Per tant és un desenvolupament molt jeràrquic i conservat.
- Té un genoma molt petit. Es pensa que això té alguna relació amb el fet que tingui un desenvolupament eutèric, però no se sap quina és al relació exacta.
Esquema que mostra l’estructura jeràrquica del desenvolupament i com els destins cel·lulars estan altament conservats.
Gran part de l’organisme està ocupat pel sistema reproductor, que té una forma característica d’òvul. En les cèl·lules de la punta distal (distal tip cells) comencen els fol·licles que generen els òvuls, que segueixen un trajecte al llarg de l’úter, on es van dividint formant els oòcits. Hi ha un punt abans de la vulva on es dóna la fecundació, i llavors el desenvolupament segueix per dins de l’organisme.
L’avantatge d’això és que la morfologia de l’organisme ens permet tenir una pel·lícula completa del desenvolupament, i que per tant per nosaltres és molt més fàcil d’estudiar. Si mirem dins de C. elegans, veiem la ovogènesi, com es produeix la fecundació interna i com comença el desenvolupament en l’úter. És com si tinguéssim captures d’imatges de diferents estadis del desenvolupament en un mateix organisme. Per això és un organisme bastant interessant des del punt de vista de la biologia del desenvolupament.
La segmentació o clivatge dels nematodes és holoblàstica desigual (un dels blastòmers d’una divisió és substancialment més gran que l’altre), per tant els blastòmers tenen poc vitel, i rotacional. La segmentació és rotacional perquè es produeix dins d’un ou en forma d’el·lipse que comprimeix els blastòmers. Llavors, quan es produeix una divisió, els blastòmers roten per acomodar-se a la morfologia de l’ou.
La forma de l’ou, per tant, és informació epigenètica: és informació que no es troba als gens però afecta a la morfologia de la segmentació.
Quina serà la part anterior i quina la posterior ve determinat pel punt d’entrada de l’espermatozou. La meitat on es trobi el punt d’entrada de l’espermatozou es convertirà en la part posterior.
La primera divisió es produeix de manera asimètrica. Hi ha diferents maneres de que una divisió cel·lular sigui asimètrica. En el cas de C. elegans, el que passa és que hi ha una sèrie de proteïnes que s’anomenen proteïnes PAR que interactuen amb algunes substàncies que porta l’espermatozou i amb el còrtex de la cèl·lula (el citoesquelet que es troba just per sota de la membrana). Si només tenim proteïnes PAR en una meitat de l’embrió, o en tenim més en una meitat que en l’altra, o són de diferent tipus en una meitat que en l’altra, quan hi hagi divisió cel·lular i els microtúbuls s’uneixin al còrtex per originar les forces mecàniques per dividir la cèl·lula, en la part del còrtex que està enriquida amb proteïnes PAR, els microtúbuls s’enganxaran millor. Això fa que la atracció sigui asimètrica, i que una de les dues cèl·lules filles sigui més gran que l’altra.
Les substàncies que porta l’espermatozou fan que desapareguin les proteïnes PAR en unes zones de la cèl·lula i en altres no, concretament desapareixen en la zona anterior.
En la meitat de la cèl·lula on hi ha proteïnes PAR, els microtúbuls s’uneixen molt millor al còrtex, i per tant fan més força quan estiren, de manera que el centre de masses de la cèl·lules es desplaça cap a la zona on hi ha les proteïnes PAR. Llavors, quan aquesta cèl·lula es divideixi, quedarà més petita la cèl·lula filla que prové de la part que tenia el centre de masses més a prop, per tant la part amb més proteïnes PAR.
Aquesta no és la única manera de produir divisions asimètriques, però és la que utilitza C.
elegans. Per exemple, un anèl·lid, el cuc Tubifex, el que fa és degenerar un àster (un dels dos centres organitzadors de microtúbuls). Diferents processos a nivell de mecànica cel·lular porten al mateix resultat morfogènic.
Fins ara tenim especificat l’eix antero-posterior. El següent pas és especificar la part dorsal i la ventral. Això té a veure amb que sigui un tipus de segmentació rotacional, perquè els blastòmers, a partir de la segona divisió, rotaran dins l’ou per posar-se en la forma termodinàmicament més estable (diamond-shape). Se sap que hi ha altres formes possibles, però que són inestables.
Aquest fenomen, que és totalment físic, permet generar una part dorsal i una part ventral. Aquest, per tant, és un mecanisme d’especificació autònom, que es va produint conforme hi ha les divisions cel·lulars, tot i que no està codificat genèticament. És una qüestió purament física.
Una cosa important en el desenvolupament, és que el blastòmer posterior, que es denomina com Pn (on n és el nombre de divisions), és el que donarà lloc a la línia germinal.
En l’organisme adult, aquest blastòmer generarà les gònades. Els blastòmers P contenen dins una sèrie de ribonucleoproteïnes que s’anomenen grànuls P. En cada divisió, aquests grànuls segreguen per qüestions físiques sempre cap a la part posterior, de manera que només els hereta una de les cèl·lules filles, i per això sempre hi ha només un blastòmer P.
Imatge de microscopia de fluorescència on es veuen de color verd els grànuls P.
Sempre es mantenen a la part posterior.
Això fa pensar que des de l’estat de només una cèl·lula ja existia una especificació de tipus autònom mediat pels grànuls, de manera que el blastòmer que se’ls quedi serà el blastòmer P.
GASTRULACIÓ Després de la segmentació ve la gastrulació, que en C. elegans és una mica rara, ja que no parteix d’una celobàstula més o menys esfèrica i buida amb blastòmers a la part exterior, sinó que es produeix prematurament en un estat de 24 cèl·lules. Llavors encara no té una morfologia de blàstula com a tal, però tot i així comença la gastrulació. Pel tipus d’estructura, es diu que fa una gastrulació per ingresió: els blastòmers, a nivell individual, es van ficant endins, o sigui, migren cap a la part central de l’ou. Com no hi ha un buit al centre de la blàstula, no li podem dir blastocel.
Els primers en entrar són els blastòmers E, que són els precursors de l’endoderm (tub digestiu).
Després entren els blastòmers D, que són els precursors del mesoderm (cèl·lules musculars, mesenteri, etc.). I per últim entre els blastòmers P, que contenien els grànuls P i són els precursors de la línia germinal. Veiem que des del principi els P es queden al centre del cos, que és on es desenvoluparà el sistema reproductor (com hem vist abans).
Un fet relacionat amb el fet que sigui un organisme eutèric (nombre constant de cèl·lules) és que el creixement es produeix per un augment de la mida de les cèl·lules, no per un augment en el nombre d’aquestes. De fet, al nombre de cèl·lules definitiu s’hi arriba en els primers estadis larvaris.
En aquests casos, quan ja s’ha fet l’organogènesi, hi ha renovació de les cèl·lules, però no augment del nombre d’aquestes. Posem èmfasi en que el creixement es dóna per un augment de la mida de les cèl·lules.
En la aquesta imatge veiem dues seccions del cos. La primera és en L1 (primer estadi larvari) i l’altre en L4 (quart estadi larvari). Veiem que la organització general és pràcticament la mateixa, però de L1 a L4 hi ha una multiplicació important del diàmetre, que ve senzillament d’augmentar la mida de les cèl·lules a nivell individual.
DESENVOLUPAMENT DE LA VULVA Una estructura especial i específica de nematodes és la vulva, que forma part del sistema reproductor. És una estructura molt conservada, és a dir, en gran part ve determinada pel desenvolupament primari, però hi ha algunes especificacions inductives, és a dir que involucren senyalització entre cèl·lules. En general totes les cèl·lules estan especificades des del principi però en aquest cas calen alguns mecanismes més perquè existeixi un orifici en una posició precisa, i que les estructures adjacents mantinguin la morfologia i la funcionalitat que toca.
Aquest és un sistema paradigmàtic molt estudiat d’organogènesi.
La vulva se situa en la part central del tub digestiu i està formada per les cèl·lules que es poden observar en el quadre en blanc i negre.
A nivell esquemàtic, la vulva es forma a partir de 6 cèl·lules precursores (de P3 a P8) que formen part de l’epiteli. A nivell subepitelial, hi ha una cèl·lula Anchor cell (AC) que se situa lleugerament desplaçada del centre. Com, a partir d’això, s’origina una estructura ordenada i constant amb moltes més cèl·lules? El primer que passa és que les 6 cèl·lules precursores que formen part de l’epiteli passen a ser cèl·lules competents. Quan diem que una cèl·lula és competent, vol dir que pot reaccionar davant un senyal que, en el nostre cas, prové de la AC. Les queden fora (P9, P10...) no reaccionarien de cap manera davant un estímul de la Anchor cell. Llavors ara es diu que aquestes 6 cèl·lules formen un grup de cèl·lules equivalents: són diferents de la resta de les cèl·lules de l’epiteli però entre elles són iguals.
Quan aquestes cèl·lules estan especificades, la AC secreta una senyal. Aquesta senyal és una molècula que difon que s’anomena LIN-3. Aquesta molècula aportarà informació posicional a les cèl·lules precursores, ja que les que estan immediatament a baix de la AC en rebran molta més concentració que les que estan als laterals, i les que estan més allunyades rebran LIN-3 en una concentració molt baixa. En funció de quanta senyal rebin, és a dir de la concentració, tindran tres tipus de destins: la cèl·lula central (1), les cèl·lules laterals (2) i les cèl·lules a les que pràcticament no arriba senyal.
Les cèl·lules a les que pràcticament no arriba el senyal se seguiran dividint normalment i formaran part la hipodermis.
La cèl·lula central, en rebre la senyal per sobre d’un llindar determinats, secreta al seu torn un segon morfogen, una molècula paracrina que s’anomena LIN-12. A més, aquestes cèl·lules se segueixen dividint. LIN-12 el que fa és inhibir la diferenciació de les dues cèl·lules que té al costat en cèl·lules centrals com ella. Així, quan aquestes dues cèl·lules rebin prou concentració de LIN3 com per convertir-se en cèl·lules centrals com la primera, no ho faran, perquè aquesta primera les està inhibint amb LIN-12.
Però per què quedi determinat tot això, primer hem de saber com queda determinada la anchor cell. La AC, en una primeríssima fase, també ha d’estar determinada d’alguna manera.
Resulta que en un principi hi ha almenys dues cèl·lules que poden convertir-se potencialment en AC, que serien Z4aaa i Z1ppp (a d’anterior i p de posterior). Aquestes dues cèl·lules són absolutament iguals, són adjacents (estan pràcticament en la mateixa posició), són equivalents...
però només una es pot convertir en AC. Això té a veure amb els feedbacks positius i una amplificació de senyal.
Aquestes dues cèl·lules presenten a la membrana dues molècules que són receptor i senyal una de l’altra. En principi, les dues tenen la mateixa quantitat de receptor i la mateixa quantitat de molècula senyal. La molècula senyal és LIN-12, i el receptor és Lag-2. A més, la unió de LIN-12 a Lag-2 fa que s’activi una procés de transducció de senyal que acaba fent que s’inhibeixi la producció de LIN-12. Com que les dues cèl·lules tenen la mateixa quantitat de les dues molècules, normalment això es troba en equilibri.
Si en algun moment, per casualitat, una de les cèl·lules produeix una mica més de molècula senyal LIN-12, llavors l’altra té més receptors Lag-2 ocupats i per tant inhibeix la producció de LIN-12. Això farà que en la primera cèl·lula hi hagi menys receptors ocupats i per tant s’inhibeixi menys la producció de LIN-12 i se’n pugui produir més... Així, es va amplificant la petita diferència inicial (que havia sorgit per casualitat) i la primera cèl·lula acaba amb tot de molècules LIN-12 a la membrana i la segona amb tot de receptors Lag-2.
Així, al final, les dues cèl·lules que eren exactament iguals, ara són dues cèl·lules diferents. La cèl·lula que secreti LIN-12 serà la AC. Per tant la pròpia AC està determinada per LIN-12. Hem de tenir clar, però, que la funció de LIN-12 és diferent en els dos casos que hem explicat.
Això és un exemple típic de xarxa d’inhibició mútua i auto-alimentació (tema 6).
MECANISMES GENERALS IMPLICATS EN LA ORGANITZACIÓ ESPACIAL DEL DESENVOLUPAMENT PRIMERENC Aquests mecanismes que explicarem són generals, és a dir, els trobem en la morfogènesi i el desenvolupament de tots els organismes.
Gran part de la morfologia pot explicar-se per forces físiques i interaccions entre blastòmers.
Aquestes forces són independents de la informació que porten els gens, funcionen de forma autònoma. Si tinguéssim vesícules sense cap informació genètica segurament a causa de les interaccions físiques seguirien aquests patrons, simplement perquè són termodinàmicament més estables. Són formes que es donen per defecte.
D’això se’n va començar a adonar Arcy Thompson el 1917, i va escriure un llibre on explica com actuen els factors físics a l’hora de determinar les formes biològiques. En estudis posteriors, Stuart Newman proposa que a nivell macroevolutiu el que s’ha fet al llarg de l’evolució ha estat regular aquests mecanismes físics que existeixen per defecte, o sigui, que el que fan els gens és regular en certa mesura unes formes que ja existeixen per defecte degudes a interaccions físiques.
Per exemple: algunes propietats, com la adhesió o la inhibició lateral, poden donar lloc a formació de patró, l’únic que s’ha de regular que aquests processos es donin en el moment i en el lloc precisos durant el desenvolupament.
Durant el desenvolupament es van produint asimetries. Segons el principi de Curie, per trencar una simetria, per exemple generar eixos en una cèl·lula totalment esfèrica, es necessita o bé tenir una asimetria inicial (la gravetat, el punt d’entrada de l’espermatozou...) o bé tenir un mecanisme extra per trencar la simetria. Sinó, és impossible que sorgeixin els eixos espontàniament.
Asimetries en l’oòcit: - Asimetria morfològica: per exemple en C.
elegans, on l’ou té una morfologia el·lipsoide.
- Asimetria citoplasmàtica: hi ha una asimetria provocada pe un gradient. Per exemple, en Drosophila els oòcits vénen amb un gradient de mRNA Bicoid.
Gradient de mRNA Bicoid en oòcit de Drosophila.
Si l’oòcit no té cap asimetria, es pot recórrer a processos auto-organitzatius que no depenen d’un gradient extern, sinó que apareixen per amplificació per feedback positiu de petites diferències (anisotropies, “soroll ambiental”). És a dir, que podríem dir que apareixen espontàniament. Exemples d’aquests serien AC en C. elegans, els mecanismes de reacció-difusió de Turing, cell sorting... (tema 6) FACTORS IMPLICATS EN ELS PATRONS DE SEGMENTACIÓ DEL DESENVOLUPAMENT PRIMERENC 1. Forma de la cèl·lula: Regla de Hertwig: les cèl·lules es divideixen preferentment perpendicularment a l’eix major.
Eix major de color verd, i direcció de divisió de color vermell.
Regla de Sachs: la direcció d’una divisió tendeix a ser perpendicular a la direcció de la divisió anterior.
2. Contacte amb altres cèl·lules: per exemple, en el següent esquema, la cèl·lula vermella és una mica allargada, així que s’hauria de dividir tal i com mostra el primer dibuix. En comptes, el contacte amb la cèl·lula rosa fa que es divideixi en una altra direcció.
3. Tensió superficial: Regla de Plateau: els angles entre membranes, com en les bombolles, tendeixen a formar angles de 120º . Això es pot observar sobretot en espirals.
En aquesta imatge a l’esquerra les membranes tenen angles de 90º, la qual cosa és termodinàmicament inestable, de manera que les cèl·lules tendeixen a moure les membranes de manera que quedin en 120º, com les de les imatges de la dreta.
Això és mateix que per omplir un pla, que el més fàcil és fer-ho amb hexàgons, que tenen angles de 120º.
A més, les cèl·lules també tendeixen a minimitzar la superfície de contacte amb altres cèl·lules.
4. Restriccions d’empaquetament (Packing constraints): si les cèl·lules fossin esferes indeformables, només podrien omplir un 74% de l’espai (conjectura de Kepler). Però en realitat les cèl·lules es deformen per poder ocupar un espai, i els blastòmers tendeixen a ocupar posicions intercalades. Això és el que hem vist en C. elegans.
A més, la deformació afecta als futurs plans de divisió cel·lular.
CONCLUSIONS GENERALS - No existeix un consens absolut sobre les relacions evolutives entre grans taxons de metazous.
- L’estudi del desenvolupament primerenc en diferents grups pot contribuir decisivament a comprendre millor les relacions filogenètiques entre ells, però cal ampliar la llista d’animals model.
- Aquestes relacions filogenètiques han de basar-se en homologies, que poden detectarse a nivell anatòmic, genètic i de mecanismes de desenvolupament.
- La dotació de gens implicats en el pattering no té relació directa amb la complexitat morfològica de l’organisme.
- Els patrons geomètrics observats en les primeres etapes del desenvolupament (clivatge o segmentació) semblen exercir un paper important en la determinació dels eixos corporals, i són parcialment explicats per interaccions físiques.
- La senyalització de Wnt està implicada en la polarització antero-posterior des de la base dels eumetazous.
- Els mecanismes de desenvolupament implicats en la bilateralitat apareixen abans que la bilateralitat funcional.
- Els eixos de simetria apareixen molt d’hora en el desenvolupament, i la polaritat de l’embrió es manté al llarg d’aquest.
...