5.2. Mecanismes bàsics de formació de patró (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2016
Páginas 9
Fecha de subida 13/04/2016
Descargas 38

Vista previa del texto

5.2. MECANISMES BÀSICS DE FORMACIÓ DE PATRÓ: MECANISMES AUTÒNOMS, MECANISMES INDUCTIUS, MECANISMES MORFOGENÈTICS Els mecanismes morfogenètics impliquen un canvi de patró sense un canvi d’estat de la cèl·lula.
Mitosi dirigida La direcció de la mitosi pot ser a l’atzar o en la direcció de la polaritat cel·lular, per la regla de Hertwig.
La regla de Hertwig és que la cèl·lula es divideix perpendicularment a l’eix més llarg de la cèl·lula.
Si la cèl·lula està polaritzada, degut a algun gradient d’un factor de creixement..., el citoesquelet està orientat preferentment en una direcció. Aleshores, la cèl·lula es pot dividir seguint la polarització, o tot el contrari (perpendicular a la direcció de polarització).
Normalment les cèl·lules epitelials es divideixin en el pla de l’epiteli. Quan això no passi, una de les dues cèl·lules filles deixarà de formar part de l’epiteli.
La mitosi dirigida és quan no és a l’atzar.
Hi ha dos factors que donen lloc a mitosi dirigida:  Factors que afecten a la mitosi en sí.
 Factors o processos que afecten l’elongació de la cèl·lula, és a dir, en quina direcció creix i un cop ha crescut s’aplica la regla de Hertwig.
Exemple: Primera divisió a C. Elegants La part anterior i posterior de la cèl·lula estiren el fus mitòtic diferencialment perquè la part posterior té una sobreacumulació de la proteïna, de manera que partim d’una asimetria.
A un costat del còrtex hi ha uns corpuscles proteics que estiren els microtúbuls. Així, roten el conjunt dels cromosomes fent que la cèl·lula es divideixi en un altra direcció. Orienta els microtúbuls durant la mitosi de forma que el pla de divisió és un altre del que hauria.
A Ciona això passa durant tot el desenvolupament embrionari, tal i com veiem a la imatge següent, on a dalt trobem la vista lateral i a baix la visió dorsal.
1 Això passa també cap al final del desenvolupament de Drosophila. La forma de l’ala de Drosophila ve en part perquè les cèl·lules creixen principalment pel pla distal i després es divideixen perpendicularment.
A tots els animals estudiats fins el moment s’ha observat aquest fenomen. Això es deu al fet que les cèl·lules estan polaritzades a causa dels senyals rebuts, afectant, per tant, la direcció de la divisió cel·lular.
Propietats variacionals:  Allargament del patró o d’un cos en una direcció (ens cal una pista cap aquest costat).
Creixement diferencial Els diferents tipus cel·lulars que conformen un patró proliferen a diferents taxes, fent que la forma canviï.
Senzillament diferents territoris en un patró proliferen a diferents taxes i, així, el patró canvia segons:  Les taxes relatives de creixement relatiu de cada territori.
 La direcció d’aquestes.
 L’adhesió entre les cèl·lules i la matriu.
El mecanisme és senzill però els seus efectes poden ser complexes si intervenen el channeling de força i altres efectes epigenètics.
El desenvolupament de les cares Tal i com podem observar a la imatge, les cares dels embrions, tot i pertànyer a espècies molt diferents, són molt semblant. La cara es forma en gran part perquè diferents porcions de la cara embrionària creixen a diferents taxes.
2 Això passa fins i tot a nivell post-embrionari. Si agafem un nadó i un adult hi ha diferències importants pel que fa al canvi de proporcions. Aquest canvi de proporcions implica un canvi de forma.
Desenvolupament del cervell humà El cervell humà en estat embrionari és el tub neural, i la seva part final comença a créixer una mica més. La part blava formarà el còrtex, encarregat del processament cognitiu. La part del còrtex creix més que la resta del tub neural, i aquest creixement és tan extrem que, perquè càpiga dins de la mida finita del cap, ha de recobrir la resta de parts del cervell i fer plecs.
El creixement diferencial es tracta possiblement del mecanisme morfogenètic més freqüent i, de fet, es dóna sempre en major o menor mesura.
Migració activa  Quimiotaxis: Les cèl·lules migren en la direcció d’un gradient algun factors de creixement.
 Hapotaxis: La molècula està fixada al substrat, immòbil, i les cèl·lules es mouen en la direcció en què augmenta el gradient d’aquesta molècula. Es tracta d’un fenomen més estocàstic.
 Aleatòria: Les cèl·lules es dispersen des del punt original.
La distribució a l’espai final de les cèl·lules dependrà d’on estigui la font del senyal que està produint el gradient, de la forma de l’espai que hi ha entremig i del nombre de cèl·lules que estan migrant.
Tal i com vam veure a temes anteriors, la cresta neural, provinent de l’ectoderm i formada per les cèl·lules que es troben envoltant el tub neural, acaben formant la musculatura, els ossos i els cartílags de la part anterior del cos, del cap, gràcies a què es separen i esdevenen mesenquimàtiques i migren ventralment per a formar aquestes estructures.
3 Adhesió diferencial Els marges de la cèl·lula estan constantment en moviment. Envien petites projeccions que després es retrauen per desestabilització dels microfilaments d’actina. A vegades al voltant hi ha molècules d’adhesió de manera que les projeccions no es retrauen amb tanta facilitat. En funció de la força d’unió, la projecció trigarà més o menys en retraure’s.
La cèl·lula tendirà a distribuir la seva superfície preferentment a la regió on hi ha molècules d’adhesió amb una unió més forta.
Les cèl·lules tenen una superfície més o menys constant, de manera que tendeixen a maximitzar la part de la superfície on hi ha més molècules d’adhesió i a minimitzar la part on hi ha menys.
Això comporta un canvi de forma de la cèl·lula i també un cert desplaçament no actiu i lent.
Les molècules d’adhesió a la membrana fan que certes unions cèl·lula-cèl·lula o cèl·lula-matriu siguin més estables. Al llarg del temps diferents tipus cel·lulars adoptaran patrons concrets en funció de les forces d’adhesió específiques de cada parell de molècules.
Les cèl·lules que no estan ben enganxades al substrat o a altres cèl·lules es mouen bastant.
L’adhesió diferencial pot donar lloc a diferents transformacions de patró.
La força d’adhesió és específica del parell de molècules d’adhesió, o bé és específic de iguals concentracions. Així, no només depèn de la força d’interacció entre les dues molècules d’adhesió, sinó que també de la quantitat expressada per la cèl·lula, ja que és molt més fàcil trencar una unió intermolecular que trencar-ne 10.
 Unió homoespecífica o homotòpica  A la molècula li agrada unir-se més a ella mateixa.
 Unió heteroespecífica o heterotòpica  A la molècula li agrada més unir-se a altres molècules.
Cell sorting El terme “cell sorting” fa referència a la capacitat de separar les cèl·lules d’acord amb les seves propietats.
A la imatge veiem dos tipus de cèl·lules: les cèl·lules verdes, que expressen una molècula de membrana que té una forta adhesió per a ella mateixa i per a les cèl·lules vermelles, i les cèl·lules vermelles que tenen també una molècula de membrana que té una forta adhesió per a ella mateixa i per a les cèl·lules verdes.
Partint de la posició B, on totes les unions són igual d’estables, tindrem les situacions A o C, i això dependrà de com fortament les cèl·lules s’uneixin les unes a les altres.
Comencem amb la condició en què tenim les cèl·lules de tipus A a un costat, i les cèl·lules de tipus B a un altre. Les cèl·lules tipus A presenten la molècula d’adhesió Aa i les tipus B la Ab. En aquest cas, la unió més forta és entre Aa-Aa i entre Ab-Ab, mentre que la unió Aa-Ab és menys estable. Així, es mantindrà la situació inicial on les cèl·lules tipus A i les cèl·lules tipus B es trobaran separades.
Aa Ab Aa Ab 4 Si totes les unions de forces són iguals, com les cèl·lules es mouen a l’atzar, s’acabaran barrejant els dos tipus cel·lulars formant un sol conjunt AB.
Aa Ab Aa i Ab Si Aa-Aa>Aa-Ab>Ab-Ab, tindrem A al mig i B al voltant, perquè les unions més estables són les de A amb ella mateixa, i a les cèl·lules B els agrada més estar amb A que amb B.
Ab Aa Ab Aa Experiments que demostren que l’adhesió diferencial podria tenir un paper important en el desenvolupament.
A la imatge trobem un estadi més o menys inicial de l’embrió. Van agafar cèl·lules de l’epidermis i del neuroectoderm, les van barrejar i van observar que les cèl·lules es separaven. Les cèl·lules epidèrmiques acabaven estant a la superfície i les cèl·lules neuroectodèrmiques es quedaven dins.
A la imatge que trobem a continuació a la següent pàgina veiem com al barrejar diferents tipus cel·lulars de l’embrió, al final acaben separant-se i distribuint-se a una regió determinada. Per exemple, quan es combinen epidermis i mesoderm, l’epidermis queda a la superfície i el mesoderm per dins. Si barregem mesoderm i endoderm, veiem que l’endoderm es localitza per fora i el mesoderm per dins. Quan barregem aquests tres tipus, la distribució final és: mesoderm entremig, epidermis fora i endoderm dins.
5 La segregació de les cèl·lules de l’embrió en tres capes es correspon en què aquestes tres capes les seves cèl·lules tenen adhesió diferencial.
En general, resulta que cada vegada que tenim un procés de senyalització que comporti una transformació de patró és possible que, a més, calgui un procés d’adhesió diferencial.
En un patró amb diferents territoris, perquè estiguin clarament diferenciats, cal que les cèl·lules d’un mateix territori tinguin una forta adhesió entre elles o estiguin ben fixades a la matriu. Si no és així, els territoris que es formen perden la distribució espacial dels tipus cel·lulars, i es difuminen els marges.
L’adhesió diferencial també és necessària per al manteniment de la forma perquè sinó tots serien blobs esfèrics.
6 Durant el desenvolupament, cal que les cèl·lules dels diferents territoris no es barregin perquè tenen propietats mecàniques diferents que confereixen al territori una forma concreta. Si es barregessin, l’embrió no adoptaria la forma que cal.
Contracció La contracció es dóna dins de cèl·lules individuals, però com les cèl·lules estan unides, els efectes poden ser globals o a llarg abast. A més, les contraccions es poden donar en direccions concretes perquè les cèl·lules poden estar polaritzades.
A la imatge inferior, les cèl·lules en groc es contrauen en una direcció concreta, disminuint la seva amplada i allargant-se per a mantenir el seu volum.
Les cèl·lules distribueixen l’esquelet de actina miosina de manera que quan es contraguin adquiriran una certa direccionalitat. Això passa a nivell individual, però com les cèl·lules estan unides, la contracció individual origina un efecte global a la morfologia.
A epitelis pot donar lloc a allargaments, formació de tubs, invaginacions, evaginacions (formació d’una protuberància, és a dir, tot el contrari a invaginació), etc...
Les cèl·lules i els teixits s’adapten a la nova forma, així, es perd l’elasticitat i es manté la nova forma.
Constricció apical La cèl·lula es contrau a la part apical i no a la part basal, que s’expandeix per a mantenir el volum de la cèl·lula.
Contracció polar: CE (extensió convergent) Els mecanismes subjacents són diferents a l’epiteli i a la mesènquima.
Canvien les proporcions relatives d’un teixit. Com les cèl·lules s’aixafen d’amplada, s’han d’allargar.
7 Extensió convergent epitelial Les cèl·lules tenen una forma hexagonal i estan polaritzades. Les cares vermelles estan enriquides amb miosina mentre que les blaves no. Aleshores contrauen la part amb miosina i, com a resultat, les dues cèl·lules verdes que no estaven en contacte, entren en contacte (a la imatge inferior les cèl·lules estan en vertical en comptes d’en horitzontal, però la disposició dels microfilaments d’actina i miosina és exactament la mateixa). Així, es dóna convergència en una direcció i divergència en l’altra.
Recordem que aquest mecanisme ja l’hem vist a Drosophila, on el conjunt de la banda germinal s’està contraient en una direcció i expandint en una altra, de manera que la línia germinal esdevé més estreta i més llarga.
Extensió convergent a la mesènquima Les cèl·lules mesenquimàtiques es troben en alta densitat de manera que entre elles no hi ha gairebé matriu extracel·lular quan es dóna aquest procés de extensió convergent. Les cèl·lules comencen a adquirir una forma fusiforme, estenen projeccions de forma polaritzada (dreta i esquerra) i les projeccions s’enganxen a les cèl·lules veïnes i, aleshores, les retreuen amb força, la miosina estira els microfilaments. És com si cada cèl·lula empenyés la seva veïna cap a ella. Així, totes s’estan empenyent cap al centre. L’efecte global és que les cèl·lules de la meitat no es mouen, i les dels marges van cap al centre.
Propietats variacionals de l’extensió convergent:  El patró s’allarga cap a un costat i s’aprima cap a l’altre.
 Aquestes direccions d’aprimament són paral·leles o perpendiculars a la polaritat de la cèl·lula.
Acumulació de matriu, inflament, deposició i pèrdua Els canvis de patró poden ser deguts a:  La separació entre les cèl·lules a causa de la secreció de matriu entremig i al seu inflament per l’influx d’aigua. Quan secretes matriu extracel·lular aquesta té un cert volum i el que fa és desplaçar les cèl·lules del voltant.
8   La pèrdua de matriu entremig. Si les cèl·lules secreten enzims proteolítics o que degraden els glúcids de la matriu, dons hi haurà menys matriu extracel·lular.
Propietats variacionals: creixement en volum en totes les direccions excepte cap a on hi hagi barreres.
Les cèl·lules secreten més matriu extracel·lular quan estan sotmeses a exercici físic.
Un exemple seria la conquilla dels mol·luscs: hi ha un epiteli que secreta matriu extracel·lular però no de forma homogènia i això canvia la forma de la conquilla.
9 ...