temas 5 y 6: sistemas de formación de patrón (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Biología del desarrollo
Año del apunte 2016
Páginas 21
Fecha de subida 16/04/2016
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TEMAS 5 y 6: MECANISMOS BÁSICOS DE FORMACIÓN DE PATRÓN -MECANISMOS AUTONOMOS, INDUCTIVOS Y MORFOGENÉTICOSSe entiende como mecanismo de desarrollo a las interacciones génicas en red que no afectan a un comportamiento celular. Estos mecanismos provocan transformación de patrón (cada patrón tienen un MD distinto).
Todos los mecanismos de desarrollo que han sido mostrados experimentalmente para generar patrones y formas en metazoos pueden organizarse dentro de tres categorías básicas, de las cuales, dos actúan combinados como mecanismos compuestos de dos vías diferentes. La categoría simple de formación de patrón se denomina “autónoma”. En ella las células entran en reordenaciones específicas sin interactuar. El otro tipo de mecanismo de formación es el mecanismo inductivo. Este, por su parte, es aquel en el que la comunicación celular lleva a cambios en el patrón debido a las alteraciones recíproca de fenotipos (estados) celulares. Por último, nos encontramos con los mecanismos morfogeneticos en los que el patrón cambia por las interacciones entre células pero estas no cambian el “estado/fenotipo” celular.
Los últimos dos tipos de mecanismos pueden combinarse llevando al “morfoestatico”, en cuyo caso el mecanismo Inductivo actúa primero, seguido por el morfogenético; o al “morfodinámico” en el que ambos tipos de mecanismo interactúan continuamente para modificar la dinámica de los otros.
Proponemos que esta distinción previamente inexplorada en la operación de componer mecanismos de desarrollo sirva para introducir a las dinámicas de muchos procesos de desarrollo.
EN particular, los mecanismos morfoestaticos y morfodinamicos responden a cambios pequeños en componentes genéticos y microambientales en muchas formas diferentes. Sugerimos que estas diferencias en las “propiedades variacionales” junto a los mecanismos morfoestaticos y morfodinamicos, siendo representados en diferentes extensiones en estadíos tanto tempranos como tardíos del desarrollo, contribuyen a la distinción de formas de transiciones morfológicas en la evolución.
INTRODUCCIÓN La evolución de organismos metazoos ha producido, durante cientos de millones de años, tanto la complejidad fenotípica como los mecanismos de desarrollo por los que tal complejidad es generada.
Durante el desarrollo, una célula se transforma en un organismo compuesto de múltiples tipos celulares organizadas en distribuciones espaciales que pueden ser arquitectónicamente complejos y funcionalmente coherentes al mismo tiempo. Pero, ¿cómo la distribución de los fenotipos celulares se distribuye durante la regulación espaciotemporal de las interacciones génicas y comportamientos celulares? Esta es una de las muchas preguntas de la biología del desarrollo. Para este fin, se ha adquirido un considerable conocimiento durante las últimas décadas sobre la composición genética de organismos multicelulares, como varios genes y productos génicos interactúan, donde se expresan, y en qué proceso de desarrollo están involucrados.
El desarrollo de los organismos es activado por mecanismos de desarrollo. Un mecanismo de desarrollo se define como el conjunto de interacciones entre productos génicos y cambios en el comportamiento celular (mitosis, apoptosis, secreción de señales, adhesión celular, diferenciación) que son necesarios para causar la formación de una organización espacial celular específica en un espacio tridimensional. (i.e, un patrón, reservamos la palabra “forma” para la organización espacial de células sin considerar su estado). En términos formales el desarrollo de un organismo puede ser descrito como la transformación desde un conjunto de patrones a otro conjunto de patrones y es, en este punto, en el que recalcamos la lógica básica de los mecanismos de desarrollo subrayando estas transformaciones de patrón.
Explicaciones causales de la formación de patrones en un primordio embrional requiere el conocimiento de todos los genes, factores epigenéticos (esto es, reorganizaciones de las células adyacentes y otras condiciones microambientales en el embrión) y sus necesarias interacciones para generar dicho patrón desde un patrón previo. En la práctica, la causalidad puedes ser inferida poniendo a prueba “cómo de bien” un mecanismo de desarrollo reduce las “propiedades variacionales – el rango de potenciales resultados morfológicos”.
Es frecuente, en las discusiones teorico-éticas sobre desarrollo, distinguir dos componentes en la formación de patrón: - - Mecanismos inductivos: La formación de patrón en mecanismos de señalización célulacélula establece que células en diferentes estadíos y con diferentes relaciones espaciales mediante señalización en espacios tridimensionales resultarán en tejidos planos y sólidos respectivamente.
Mecanismos morfogenéticos: mecanismos que usan los comportamientos celulares que no son señalización para actuar en patrones previamente establecidos y causar la formación de tejidos y órganos tridimensionales. Estos mecanismos cambian la distribución de las células pero no los estadíos de estas.
Los mecanismos morfogenéticos e inductivos actúan en todos los estadíos del desarrollo. Los mecanismos inductivos están generalmente implicados en cambios que producen nuevos patrones. Debido a que la inducción es un prerrequisito para el desarrollo, no se le suele mostrar una atención particular hacia la forma en la que los mecanismos inductivo y morfogeneticos funcionan. Los términos “patrón”, “formación de patrón” y “morfogénesis” son normalmente utilizados en diferentes y, no siempre explícitas, maneras.
Un aspecto clave de nuestro tratamiento es la introducción (o mejor dicho, apropiación) del término “morfodinámico” (distinguido de “morfoestático”) para caracterizar mecanismos de desarrollo complejos en los que los mecanismos inductivo y morfogenético interactúan entre sí de manera recíproca. Haremos, a continuación, una revisión breve y clasificación de los principales tipos de mecanismos de desarrollo ara los que ya hay evidencias experimentales. Estos pueden caracterizase como mecanismos básicos que emplean solo uno o pocos comportamientos celulares.
TIPOS DE REDES GÉNICAS-FENOTÍPICAS 1. Redes jerárquicas Son aquellas en las que los cambios que se pueden producir no afectan a la forma en la que la priemra célula interactáu con la primera molécula ¿Qué tipo de patrones producen? - Sencillos Bandas desde otras bandas Abanicos desde fuentes locales Formas por channeling EX: Desarrollo tempran en nematodos El oocito de nematodos presenta en su parte posterior unos Gránulos P. Estos son complejos de ribonucleoproteínas que especifican a las células germinales. Parecen ser una colección de reguladores de la traducción puesto que entre las proteínas que incluyen son RNA-helicasas, poliA polimerasas y factores de inicio de la traducción. Los gránulos P se dispersan al azar moviéndose hacia el extremo posterior de la célula. Estos expresan una señal que solo reciben las demás células por contacto directo. Así, al dividirse el oocito dará dos linajes celulares: uno con la señal recibida por los gránulos y otra que no.
Ex: Formación tubo neural vertebrados en el eje dorsoventral.
En vertebrados, la invaginación del ectodermo produce la secreción de ciertos FCs. En la parte ventral se secreta lo que llamaremos FCa, y en la dorsal FCb. Como las células se encuentran a distancias distintas de ambos se produce una expresión génica distinta. La notocorda secreta FCb desde la parte ventral hacia las células del tubo neural. Como esta señal no llega hasta la parte dorsal, allí se desarrollará el cerebro. Lo mismo pasa con FCa que no alcanza la parte ventral, lugar donde se desarrollará el tejido muscular.
Este tipo de patrón correspondería a la red: FT1FC1R1R1*FT2FC2R2FC2*FT3 2. Redes emergentes (reacción-difusión) Se basan en Mecanismos de Turing o reacción/dufusión en los cuales existe una feedback positivo de la molécula secretada y otro negativo que asegura el patrón. La forma en la que una célula se ve afectada sí que depende de los cambios en la otra. La secuencia de pasos es: a) Aumenta la concentración de activador b) Se activa el inhibidor con cierto retraso temporal c) El inhibidor difunde más rápido que el activador por lo que se inactiva el pat´ron d) Al reducirse la concentración de inhibidor por falta de activador tras la inactivación del patrón se vuelve a activar la producción de activador. Esto nos lleva a patrones de picos infinitos.
La cantidad de bandas es igual a la velocidad de difusión del inhibidor respecto al activador Un inhibidor más rápido provocará que el factor de activación no tenga tiempo para expandirse lo que llevará a la creación de muchas bandas más finas y juntas. El patrón inicial depende de como de fuerte se pueden producir muchas bandas pero su ancho será siempre igual (altura en la gráfica de oscilaciones).
EX: Patrones de topos, forma de plumas, folículos pilosos (redes mínimas), condensaciones condrogénicas… Los topos se forman si la concentración de activador en el equilibrio es igual a la de inhibidor en el equilibrio  Ecuación para la difusión en las redes emergentes A) Cantidad de activador Cantidad de activador que recibe la célula Degradación de activador Cantidad de activador Producida por segundo En un región [ ]inhibidor Si [] []activador Si[]>1 --> []activador Tasa de difusión Un ejemplo de red genética como los vistos en clase para esta dinámica sería: FC1 FT2 R1 R1* FC2 R2* R2 B) Cantidad inhibidor  Ley de Fick Patrones formados por redes emergentes La consecuencia de estas redes son: - Patrones complejos de bandas y topos de tamaño y número diferente cada vez (independientes de condiciones iniciales) Bandas siempre en la misma posición y amplitud (al menos que haya fenómenos de channeling que pueden modificar ambas características) Relaciones genotipo-fenotipo complejas: una señal puede dar lugar a más de un territorio Ex: creación dedos. EL patrón del que surgen es de no de cuatro bandas. No involucra tener ma ´s o menos genes sino ma´s o menos finidad entre receptores-activadores. Lo que no se puede mediante mecanismos Reacción-difusión son dedos distintos entre elos. Esto se harái mediante redes jerárquicas.
3. Redes emergentes por contacto directo Las células afectan a otras de manera recíproca. Se pasa de condiciones iniciales homogéneas a no homogéneas. Se llama así porque hay dos moléculas de mebrana: - Delta= ligando Notch= receptor  activa la vía de traducción que inhibe al ligando.
En condiciones iniciales homogéneas existen las mismas concentraciones de Delta y Notch en la célula. Si hay ruido, sin embargo, la cantidad de Notch aumenta lo que promueve la diferenciación Estas redes producen patrones tipo “de ajedrez”, caracterizados por distintas longitudes de onda y relaciones genotipo-fenotipos sencillas. Un ejemplo sería el mecanismo de diferenciación neuronal. Cuanto más potente y rápido sea el inhibidor activado por la via de traducción los picos estarán más separados: MECANSIMOS DE DESARROLLO BÁSICOS 1. Mecanismos autónomos Los mecanismos de desarrollo autónomos involucran siempre un comportamiento celular común: la mitosis. Así, las células no interactúan mecánicamente o por señalización.
A) División del huevo heterogéneo Con unas pocas excepciones (mamíferos), diferentes partes del huevo contiene diferentes proteínas y productos génicos distintos (polarización del oocito). Estas no-uniformidades en el huevo resultan del anclaje asimétrico de materiales desde el folículo o células nodrizas en el curso de la ovogénesis y por mecansimos celulares así como productos génicos.
La no uniformidad lleva a células heterogéneas que según las partes del oocito que reciban serán unas células u otras. Celulas en distntas posiciones, por tanto, tendrán distitnos productos génicos.
EX: Drosophila En algunos casos, como en Drosophila, el oocito forma patrones mediante interacciones inductivas con células de las gónadas. El oocito se estructura en cinco compartimentos: dorsal, ventral, laterales (cada lateral diferenciado) y parte medial.
EX: Xenopus.
El oocito de Xenopus presenta un cortex de mRNA con actina y proteínas afines a esta. Además la parte vegetal es rica en lípidos y la central en proteínas y mRNAs. Se distinguen por tanto tres zonas: vegetal, centrocelular y polo animal o citocortex. Mediante un mecansimo denominado de media luna generarán la futura musculatura de Xenopus: Los FTs acumulados en una región (en forma de quesito) lo heredan como territorio en las células hijas. Por tanto, la asimetría en el oocito tiene como consecuencia el desarrollo diferencial.
Propiedades variacionales: sencillas. Pueden estar involucrados muchos genes pero tenemos poca información espacial debido a que el oocito no se ha diferenciado mucho. La relación genotipo-fenotipo es sencilla y binomial (Ex: tener o no un lugar de anclaje en el citocortex para la actina). El fenotipo es siempre sencillo.
B) Mitosis asimétrica (Lo mismo que huevo heterogéneo pero a nivel de célula) Casi todas las células muestran algún tipo de polaridad interna provocando que los productos génicos o mRNAs se distribuyan en diferentes partes de una célula y se transformen incorporadas en diferentes células hijas. La diferencia con el mecanismo autónomo previo es que aquí, los productos génicos o mRNAs son asimétricamente transportados a las futuras células hijas mientras que la célula madre se divide; antes el transporte ocurría durante la división.
Propiedades variacionales: Un patrón no aleatorio resulta de una mitosis asimétrica si las células toman posiciones invariables después de la división. En algunos casos, la señalización celular también puede determinar qué célula hija recibirá qué conjunto de factores. Así, se establece una relación genotipo-fenotipo sencilla.
EX: Formación del sistema nervioso en artrópodos y Drosophila//Formación oligodendrocitos de mamíferos C) Dinámica temporal interna acoplada a mitosis La expresión cíclica temporal de los genes puede producir un patrón si la oscilación se vuelve desacoplada de la división celular. La expresión génica cíclica puede ser resultado de cadenas cerradas de eventos moleculares que disparan otras de forma secuencial (efecto dominó) o por redes genéticas con dinámicas oscilatorias inherentes (de la misma forma que lo haría un reloj) (Murray and Kirschner, 1989).
Si cuando una célula se divide, una de la células hija para o resetea su dinámica temporal, las células pueden adquirir diferentes estados dependiendo del tiempo de su mitosis. Los experimentos evidencian que es un mecanismo que está todavía limitado pero los vertebrados sí han revelado que la expresión de genes involucrados en la somitogénesis exhiben comportamientos oscilatorios.
2. Mecanismos Inductivos Las células pueden afectarse las unas a las otras: - Secretando moléculas difusibles Moléculas de unión membranal Acoplamiento químico mediante uniones GAP En mecanismos inductivos, el patrón de tejido cambia como consecuencia directa de cambios en el estado celular. Esto, de hecho, se debe al procesamiento o interpretación de señales mandadas por otras células (FCs difusibles).
En ciertos casos, la formación inductiva de patrones asume que una forma simple, ya sea una célula o tipo de tejido, cambiará de estado de otra célula o tipo tisular que no lo habría hecho de no ser por dicha interacción. Esto no conlleva consecuencias morfológicas directas. EN otro caso una consecuencia morfológica puede acompañar el cambio de estado de las células diana inducidas.
Los principales comportamientos celulares vecinos que provocan cambios en las células son: - - Secreciones en matriz: con el tiempo se acumulan y afectan al espacio Ex: secreciones de RER a Golgi en vesículas que contienen FCs de cinco familias distintas: FGs, Wnts, EFGs, Shh y BMPs. Las vesículas se fusionan con la membrana y van al espacio extracelular donde interaccionan con receptores de membrana de otras células o difunden hasta llegar al núcleo (en este caso serán FCs de naturaleza lipídica).
Contacto directo(membrana) Ex: mecanismo Notch-Delta para las efrinas Gap junctions(sincitos): división del nucleo sin divisón del citoplasma Mecano-transduccion: cambio de expresión en función a las fuerzas físicas que reciban.
Ex: Interacción de integrinas de la matriz y el citoesqueleto con la vinculina de los microtúbulos. El ángulo en el que interaccionan cambia con fuerzas físicas. Dicho ángulo cambiante libera un centro activo antes no disponible encargado de fosforilar sustratos.
Nos centraremos, de momento, en el caso simple sin consecuencias morfológicas.
EX: de mecanismos inductivos simples La inducción del mesodermo en anfibios por factores maternos La señalización de corto alcance en blástulas de equinoides, en los que el eje oral-aboral se establece por señalización desde el nivel micromérico al macromérico.(si os mirais el tema 8 antes, encontraréis sentido a esta frase).
La generación de patrones de gradiente por productos génicos gap en la blástula de Drosophila inducidos por los productos génicos maternos, y la inducción consecuente de patrones a rayas de genes pair-rule basados en estos patrones gap.
Muchos mecanismos inductivos parecen estar basados en redes genéticas jerárquicas. En estas redes, un territorio (o célula única) señala a otra y esta segunda responde a dicha señal mandando una señal de vuelta. El mecanismo de respuesta a la señal, sin embargo, no afecta el ratio de señalización o la capacidad del primer territorio. Los mecanismos inductivos pueden también estar basados en red genéticas emergentes en los que células o territorios mandan señales en una forma que están afectadas por las respuestas de células vecinas para dichas señales. Las redes genéticas emergentes abarcan mecanismos de reacción-difusión (Turing, 1952; Meinhardt and Gierer, 2000; Salazar-Ciudad et al., 2001a) pero también incluyen otros mecanismos en los que células afectan a otras de manera recíproca (sistema de señalización Notch-Delta).
Estudios teórico-éticos han indicado que los mecanismos jerárquicos y emergentes en conjunto comprenden las posibilidades para inducir mecanismo simples inductivos y han explorado su propiedades variacionales.
 Difusión de moléculas en el espacio extracelular Una señal difusible no solo nos da información de naturaleza química sino que también proporciona información relativa a la distancia entre la célula receptora y la fuente de emisión así como de la distribución espacial. En una difusión se produce un gradiente de modo que una misma señal puede generar diferenciación variada en las células según la concentración de esta que llegue (Territorios más próximos tendrán mayor concentración de molécula).
La concentración de señal que llega también depende de la existencia de barreras (células intermedias que no dejen atravesar a la señal). Así células a una misma distancia de la fuente pueden tener diferenciaciones distintas.
 Ecuación genérica de posición Explica el cambio de concentración de la molécula en el espacio El cambio entre To y T depende de sí las células vecinas osn muy diferentes o no, es decir, espacios iguales tendrán tiempos iguales de generación.
Si el movimiento de las moléuclas es al azar y el espacio aumenta, la concentración de molécula disminuye. Esto conlleva que la difusión produzca un flujo de moléculas desde zonas con concentraciones más altas a zonas de concentraciones más bajas (aunque el movimiento de las moléculas sea al azar).
El proceso de difusión es un proceso: - Isotrópico Continuo Degradativo (gradiantes) Random walk: Capacidad de las moléculas de moverse al azar, independientemente del resto. Si vemos este movimiento en una dirección (vectorialmente) La trayectoria final = (probabilidad +1/-1 igual) Suma variables aleatorias Si las variables aleatorias son muchas  Trayectoria de difusión = Distribución normal(0,t)  media cero, varianza con correlación positiva respecto al tiempo Como siempre hay degradación, la difusión es hacia donde hay menos concentración sin que las moléculas se muevan en ninguna dirección específica (isotrópica).
 Elementos que afectan a la difusión a) Channeling: Hay dos tipos - Signal channeling: la forma del espacio de difusión y de la forma de la fuente tienen efectos sobre el proceso. La forma del espacio depende la presencia de barreras que den lugar a irregularidades. Así dependiendo de la forma del espacio, del tejido y la orientaicón del tejido del que estemos hablando se darán un tipo de barreras u otras. La forma del territorio hace que una misma concentraicón de señal tenga distintos efectos.
Ex: en la imagen se ven los distintos efectos para una misma concentración debido a la forma del tejido: - Force chanelling: Por expansión y contracción celular isotrópicas. Si hay barreras a fuerzas o tejidos las fuerzas serán más complicadas El patrón incial depende de como de fuerte se pueden producir muchas bandas pero la altura de las oscilaciones (ancho de las bandas) será siempre igual.
A e I tienen picos en el mismo sitio. Sus oscilaciones definen el patrón de la derecha. Si en condiciones inicales hay mucho ruido entonces los límites entre territorios serán irregulares (distorsión).
b) Estructura 3D de la proteína o factor c) Unión receptores/recicladores: Si la unión al receptor es segura habrá un movimiento más lento y la degradación será menor. Si la unión al receptor es “peligrosa” la degradación aumeta pero la velocidad es mayor.
d) Secuestradores que hacen que la molécula no puedan unirse a su receptor: esto tiene dos efectos: 1) la molécula se degradará antes, 2) la molécula llegará más lejos de lo habitual.
Los secuestradores se secretan en sitios determinados para acciones concretas, fuera del lugar de su lugar de acción normal pueden no tener efectos.
e) Vectores moleculares: liposomas con factores de crecimiento en la superficie son un modo de difusión a corto plazo. Las vesículas difunden más lento que las proteínas sueltas.
 Transcitosis Proceso de transporte y señalización de moléculas a larga distancia. Se produce la secreción de señal al espacio extracelular por parte de unas células. Las células vecinas ENDOCITAN EL ESPACIO mediante un endosoma que puede tener FCs específicos. Este proceso puede darse al azar o exocitarse por el polo opuesto gracias a la presencia de microtúbulos direccionados que llevan la señal a la siguiente célula. Si esta tiene receptores específicos la incorpora. Siempre se da desde donde hay más concentración a donde menos.
a) Mecanismos morfogenéticos (TEMA 6) Bastantes mecanismos de patronaje usan los comportamientos celulares más allá de la señalización (a pesar de que dicha señalización quizás fuese activada por un estadío previo).
Estos mecanismos alteran el patrón afectando a la forma (fenotipo). Esto se define como un mecanismo que cambia la organización relativa de células en el espacio, la forma pero no afecta a los estados.
A) Mitosis directa Señales intra/extracelulares pueden afectar la dirección del huso mitótico. Una vez que el huso asume un dirección concreta, nuevas células son forzadas a posicionarse en lugares específicos. La célula tiene tres formas de dividirse y que, por tanto, dependen de la mitosis: - Azar Regla de Hertwig: la célula se divide perpendicularmente al eje más largo PCP: Polarizaicón por gradientes que orientan el citoesqueleto perpendicularmente al gradiente o en su misma dirección Por tanto, la polarización del oocito puede provocar que se acumulen proteínas que harán que se tire más de un lado que de otro. Esto genera divisiones orientadas que provocan que una de las dos células hijas que surgen de la madre deje de ser del tipo de la madre.
Esto ocurre en C.Elegans con PAR-3 en el citocortex del oocito.
La mitosis dirigida ocurre en el desarrollo temprano, la gastrulación y el desarrollo tardío (una polarización tardía se da por señales no por “herencia). En los patrones, aquellos que impliquen la transformación de una esfera a elipse se dan por mitosis dirigidas. En definitiva, una mitosis dirigida produce el alargamiento de un patrón en una dirección.
EX: Primer división del black cortical patch de C.elegans.
Una célula que primeo se divide por PCP luego puede hacerlo por Hetwich.
Ex: el sistema nervioso central de Drosophila formado por la gemación dorsal directa de neuroblastos desde el ectodermo. Esto produce dos cordones de neuroblasto que se extienden longitudinalmente en la parte ventral del embrión. La mitosis asimétrica y las señales inductivas están involucradas en la determinación de las células que se convertirán en neuroblastos, pero su localización es determinada en última instancia por el control de la orientación del huso mitótico.
Se ha demostrado que señales externas por inducción direccionan el huso mitótico en la primera división celular en algunas especies.
B) Crecimiento diferencial Un cambio en un patrón puede producirse si, sobre un patrón ya existente, células con diferentes estadíos se dividen a diferentes ratios. El nuevo patrón dependerá del anterior, de los ratios relativos y de la dirección de la mitosis así como de otros factores epigenéticos como la adhesión o la influencia de la matriz. Este tipo de crecimiento sucede en la formación y mantenimiento de los huesos largos de vertebrados Dependiendo de las propiedades mecánicas del tejido tendremos un cambio de patrón u otro por la velocidad diferencial de las células.
EX: Desarrollo del córtex cerebral. El córtex acaba cubriendo todo el resto del cerebro al plegarse.
C) Apoptosis Un patrón puede ser transformado en otro si alguna de las células entra en apoptosis. La apottosis puede ser estrictamente dependiente del linaje celular o activada por interacción o abrogación de la interacción con células adyacentes. A pesar de que la apotposis sea una función autónoma de la célula a primera vista, las consecuencias en el patronaje dependen de la existencia y reorganización de las células cercanas. El mecanismo de desarrollo asociado es morfogenético más que autónomo. Un rango normal de procesos d desarrollo que dependen de apotosis son por ejemplo, la creación del tracto de salida y las válvulas del corazón o el circuito neuronal del cerebro.
D) Migración activa Las células pueden retomar sus posiciones relativas sin cambiar sus estados simplemente migrando. La migración puede ser: 1) Direccionalmente aleatoria: si las condiciones son abiertas 2) Por quimiokinesis: Aleatoria pero incrementada por una señal química.
3) Por quimiotaxis: Las moléculas difusibles pueden tener una dirección predilecta en relación al gradiente químico (de mayor a menor concentración). Recordar que son los FCs los que se mueven en los patrones no los FTs! FTs siempre en el núcleo.
4) Por haptotaxis: un gradiente de sustrato insoluble Por tanto, la migración activa depende del gradiente de señal y la estructura del recorrido EX: Células de la cabeza en seres himanos venen del mesoderfo diferenciado de la cresta neural no de lugar normal en otros mamíferos debido al espacio finito que las rodea. L Ex: Formación de las cuatro líneas germinaes - - Endodermo: las invaginaciones hacen que las células se distribuyan en arcos branquiales (barreras de dispersión para el movimiento de las células en la cresta neural) y la parte ventral este llena de FTs.
Mesodermo Ectodermo Parte dorsal a partir de la cresta neural.
Ex: Mientras que la migración de las células de la cresta neural mesencefálica de los ratones parece esar controlada por una respuesta quimiotáctica a los FGFs, la misma migración en el pollo parece depender de mecanimos de dispersión aleatorios.
Independientemente del mecanismo migratorio, la especificidad de la respuesta también, en genral, estará controlada por el ambiente adhesivo del lugar de destinación.
5) Adhesión diferencial La adhesión celular es una propiedad que define los organismos multiceluares. Es un requerimiento indispensable para la forma celular, la diferenciación y la migración. Un gran, pero limitado, número de cambios de patrón son producidos en tejidos por células constituyentes que expresan diferentes moléculas de adhesión o las mismas moléculas pero a distintas concentraciones. Por lo tanto, una adhesión diferencial puede causar subpoblaciones de células para ordenarse en grupos diferenciados.
En un epitelio solido, la compartimentalización tiene límites curvados o rectos o bien se sumergen unos en otros dependiendo de la magnitud de las diferencias en la adhesión. Si la adhesión se expresa de forma no uniforme en las superficies de células individuales polarizadas, espacios interiores o lúmenes pueden formar tejidos sólidos.
Un ejemplo es la formación de la cola de ratón. Al reducir el espacio de adherencia se curva la estructura y asi se tiene en cuenta el espacio extracelualr se forman morfologías en forma de cuello de botella.
En epitelios planos, la expresión polar de la adhesión junto con la adhesión diferencial de subpoblaciones puede producir invaginaciones, evaginaciones,…La extensión convergente, una reformación de masas de tejido durante la gastrulación que conlleva la intercalación entre células, puede también contarse por la minimización de la energía en poblaciones de células que muestran “polaridad celular plana”.
En algunos estudios se vio que, a veces, estos procesos también conllevaban mitosis o contracción celular pero no eran requeridos estrictamente. La adhesión alterada es también el paso final de un conjunto de transformaciones conocidas como epitelio-mesénquima y mesénquima-epitelio. Un ejemplo es el desarrollo de la cresta neural y los túbulos nefríticos, respectivamente.
6) Contracción Está mediad mediante complejos actina.-miosina que pueden tener efectos morfogenéticos en células vecinas y el tejido entero. La contracción de tejidos durante el desarrollo se piensa que es el detonante del cambio de forma y que determina el carácter de la respuesta morfológica.
La contracción se proga en el tejido epitelial mediante unión física directa en los tejidos mesenquimáticos mediante la matriz extraceluar. En un epitelio plano la contracción puede llevar a la distorsión, invaginación o evaginación. EX: la contracción miocárdica es clave en la trabeculación del corazón en el desarrollo.
7) Inflamación, deposición y pérdida de matriz Las células de los tejidos conectivos y mesenquimáticos están rodeados y separados por matices extracelulares semi-solidas o sólidas. Cambios en patrones pueden verse realizados por un incremento en la hidratación o inflamación de una matriz, incrementando la cantidad de matriz separando las células.
Ex: desarrollo del ojo de las aves –> el estroma de al córnea primaria se hincha previamente a la invasión de las células mesenquimáticas de la periferia. Este hinchado se sabe que es controlado específicamente para cada tejido y está regulado por proteólisis de colágeno.
Ex: la condrogenesis de la columna vertebral es un ejemplo de deposición de la matriz. Aquí hay condrocitos diferenciados dentro de condensaciones mesenquimátcas de precartilago compacto y que, consecuentemente, favorece que más mesenquima entre en el pericondrio.
En esta figura vemos ejemplos esquemáticos de mecanismos básicos: 8) División de un huevo heterogéneo: diferentes partes del huevo nene diferentes moléculas (indicadas por los distintos sombreados del dibujo) que resultan en células del blastómero diferentes.
9) Mitosis asimétrica: las moléculas son transportadas diferencialmente dentro de diferentes pates de una célula resultando en distintas células hijas.
10) Dinámica interna temporal acoplada a mitosis. Las células que tienen niveles oscilantes de moléculas antes de su división pueden producir patrones espaciales.
11) Inducción jerárquica: una célula inducida (en gris) afecta a las células vecinas peor las células inducidas (en blanco) no afectan a la producción de la señal inductora.
12) Inducción emergente: la célula inductora afecta a las células vecinas que envuelven la señal afectando a la producción de señal inductora.
13) Mitosis directa: los husos mitóticos orientados direccionan el crecimiento tisular.
14) Crecimiento diferencial: las células que se dividen en ratios más altos pueden alterar la forma del tejido.
15) Apoptosis: la transformación de un patrón establecido en otro puede resultar de la apoptosis afectando células específicas (en gris).
16) Migración: las células migran a una nueva localización 17) Adhesión: un cambio en el patrón puede resultar en un conjunto de células con propiedades de adhesión diferenciales (gran adhesión entre las células grises).
18) Contracción: la contracción diferencial de las células puede causar la deformación de un tejido.
19) Hinchado, deposición y pérdida de la matriz: la inflamación e la matriz puede causar gemación.
PROPIEDADES VARIACIONALES DE LOS MECANISMOS BÁSICOS DEL DESARROLLO Las tres categorías de mecanismos de desarrollo básico descritas sobre cada uno tienen sus características propiedades variacionales, esto es, capacidad de generar respuestas morfológicas nuevas si un elemento del mecanismo varía.
Los mecanismos autónomos Están implicados en la mayoría de los desarrollos tempranos y son incapaces de producir muchas variaciones en el patrón. Esto es porque la extensión para la cual las asimetrías espaciales internas de las células pueden ser usadas para fundar linajes distintivos es limitada. De manera similar, el acoplamiento de dinámicas internas temporales a la mitosis está restringida en el número y disposición de los tipos de células que pueden generarse por limites en la longitud intrínseca del ciclo celular para cualquier reloj interno de los estados de la célula (Newman, 1993;Salazar-Ciudad et al., 2001b).
Mecanismos inductivos Los que se basan en redes emergentes, para una misma cantidad de variación producen más, y más complejamente, que si los patrones se basasen en redes jerárquicas. Al contrario de los mecanismos emergentes (en los que redes construidas de manera similar pueden generar muy diferentes patrones), los mecanismos jerárquicos basados en redes génicas similares tienden a generar patrones similares entre sí. Además, los patrones complejos son difíciles de atener a redes jerárquicas: en general, una red jerárquica capaz de producir un patrón complejo particular tendría que contener muchos más genes y muchas más conexiones entre ellas que una red emergente capaz de producir ese mismo parón. Esta caracterísitca implica una relación más compleja entre fenotipo y genotipo en mecanismos emergentes.
Mecanismos morfogenéticos Las propiedades variacionales en estos tienen una gran dependencia del contexto epigenético y los cambios en componentes moleculares o microambientes. Estos mecanismos de vez en cuando, conllevan interacciones mecánicas entre células y matriz (lo que implica que su respuesta depende de aspects del sistema de desarrollo tanto como de propiedades materiales de las células, la matriz o la distribución espacial), Ex: respuesta de la matriz o tejidos ante el estrés dependiendo de su orientación relativa o el tipo de estrés que actúe.
MECANISMOS MORFOGENÉTICOS E INDUCTIVOS COMBINADOS - CREANDO PATRONES Aparte de los estadíos más tempranos de desarrollo cuando, entre pocas células, los mecanismos autónomos son frecuentes, el desarrollo es una mezcla de temporalidad y espacio ordenado por mecanismos inductivos y morfogenéticos. Estos dos mecanismos se pueden combinar en la composición de mecanismos de desarrollo de dos maneras diferentes.
Normalmente se asume que los mecanismos inductivos actúan primero para establecer grupos de células con equivalentes estados de expresión génica. Después, este conjunto de células, a las que nos referiremos como “territorios de expresión génica” emplean uno o más mecanismos morfogenéticos. Llamamos morfoestáticos a esta clase de mecanismos compuestos en los que un patrón de territorios genéticos es, primero, establecido y el tejido resultante conlleva un cambio en la forma.
Los mecanismos morfodinámicos, por otra parte, hacen uso de los inductivos y morfogenéticos simultáneamente. Así, las formas de territorios genéticos están cambiando al mismo tiempo que algunos territorios genéticos participan en interacciones inductivas enviando y recibiendo señales moleculares. Esto resulta en un cambio continuado en el conjunto de células (y su distribución espacial) reconociendo una concentración determinada de señal. Las formas de estos territorios receptivos depende de: a) La forma de los territorios que envían la señal b) La forma de los territorios que expresan el receptor relevante c) Las distancias y orientaciones de ambos tipos de territorios La lógica de estos dos tipos de mecanismos compuestos es completamente diferente. En los morfodinámicos la funcionalidad de los mecanismos morfogenéticos y los inductivos es casualmente interdependiente, lo que supone que un componente genético del mecanismo morfogenético de cambio afecte la localización y formas de los territorios emisores y receptores de señales y eso se traduce en grandes cambios en el patrón final.
En el mecanismo morfoestático esa interdependencia no existe; cambios genéticos en el mecanismo morfogenético o en la forma de cambio adquirida por el ambiente, tienen solo efectos limitados en la forma final.
Implicaciones a nivel celular Cómo las células responden internamente a las señales para coordinar sus comportamientos y producir las transformaciones de patrón discutidas es un área actual de interés en la biología del desarrollo. Es teóricamente significante que los mecanismos morfodinámicos y morfoestáticos tengan implicaciones en la lógica interna usada por las células para producir patrones. Durante el desarrollo, las células mandan y reciben señales moleculares constantemente. La red de transcripción de actores y las moléculas de transducción dentro de una célula integran la historia previa de la célula debido a las señales recibidas y que alteraron los comportamientos celulares. La transducción de las señales moleculares recibidas provoca, en células diana: d) e) f) g) La producción de señalización La apoptosis de moléculas catabólicas o estructurales Expresión mitótica o represión en receptores Cambios en la contractibilidad o adhesividad de las células.
En mecanismos morfoestáticos, una vez que la célula ha alcanzado un estado celular mediante señalización este es seguido de un mecanismo autónomo y temporal de cambios en el comportamiento y que es especificado, principalmente, por factores de transcripción que entonces se expresan. Desde que la configuración espacial de señales puede establecerse por mecanismos inductivos emergentes y jerárquicos, la contraposición del mecanismo morfoestático es la ausencia de relaciones celulares recíprocas para generar su configuración.
La metáfora posicional de la información de cómo las células adquieren su función como resultado de una exposición a diferentes concentraciones de molécula señal, es uno de los ejemplos de mecanismo morfoestático. Diferentes respuestas en el desarrollo surge no de las diferencias en los mecanismos mediante los que los territorios adquieren sus formas, sino en las diferentes interpretaciones de la información posicional. La naturaleza de esta interpretación es inespecífica pero los mecanismos morfogenéticos actúan después y subordinados a los programas inductivos. La coordinación espaciotemporal del comportamiento de las células requerida en el desarrollo se asume como la respuesta al uso autónomo, de cada célula, de su programa genético determinado, sin embargo, un ambiente de señalización inductivo, en este caso, la concentración local de un gradiente químico.
Los mecanismos morfodinámicos no requieren de una interpretación precisa de concentración de señal o un programa temporal genético para cada célula. En su lugar los patrones complejos se dan durante el cúmulo de coordinación espaciotemporal del comportamiento celular en el curso de cambios simultáneos en la señalización celular.
No se puede decir que las células sigan un programa pero sí que se mueven a lo largo de una trayectoria de desarrollo mediante interacción continuada con un microambiente cambiante.
El “fenotipo intermedio” de cada momento es también determinante, es decir, las formas y distancias relativas y orientaciones entre territorios inductores e inducidos. Cuando una interacción inductiva se da entre dos territorios no solo es importante conocer como las señales son interpretadas por las células receptivas sino también cuales son las formas de los territorios inductivos e inducibles, así como la forma en la que estos cambian a 3D como resultado de os mecanismos morfogenéticos.
EVIDENCIAS DE DESARROLLO: EJEMPLOS  Desarrollo del cerebro El desarrollo del cerebro de vertebrados se hace gracias a la subdivisión en territorios que expresan moléculas de adhesión específica y factores transcripcionales. Las moléculas de señalización específicas expresan límites territoriales involucrados en el patronaje del cerebro.
Pax6 es un factor de transcripición conocido por afectar a la expresión de moléculas de adhesió que se expresan en un límite territorial donde el neuroepitelio se formará.
Los mutantes de Pax6 muestran anomalías morfológicas originadas en estos estadíos, incluyendo el fallo parcial en el recubrimiento, el alargamiento de los límites entre los segmentos porsométricos en el diencéfalo y cambios en el tamaño relativo de los prosómeros.
El recubrimiento anormal resulta de un cambio en la posición relativa de los límites del territorio y de aquellos genes expresados en él. Esta reciprocidad entre cambios de forma y cambio de patrón de la expresión génica marca el proceso morfodinámico.
Las señales de difusión de las moléculas Shh y Wnt7b (factores de transcripción, TEMA 4) se expresan en regiones de desarrollo alteradas por la mutación en Pax6. Ambos factores afectan la proliferación y adhesión, lo que conllevará que los territorios afectados se sometan a continuas alteraciones en su forma. En ciertos casos los territorios afectados por Shh y Wnt7b también expresan sus propios factores haciendo que los mutantes muestren cambios no triviales en patrones espaciales de expresión de genes-señal coordinados con el efecto morfológico representado por la falta de cubierta. El contexto 3D dentro del que los mecanismos morfoestáticos se despliegan en un estadío de un mutante con cerebro normal, tiene un papel determinante en el patronaje de estadíos posteriores. A diferencia de los resultados del desarrollo de mecanismos morfoestáticos, que pueden esquematizarse como procesos de dos fases en los que el establecimiento de un nuevo patrón conduce posteriormente a una nueva forma, durante los cambios de desarrollo del cerebro tanto en forma como en patrón se hace de una manera morfodinámica.
 Dientes de mamíferos El desarrollo de los dientes emplea mecanismos morfodinámicos. En particular, en mamíferos, los dientes poseen complejas morfologías consistentes en diferentes organizaciones y formas de cúspide. La corona dental consiste en un esmalte superficial producido por un epitelio esmaltado y una superficie dental producida, a su vez, por el mesénquima dental. Durante y antes de la formación del esmalte y la dentina, las formas de los dientes se forman por un gradiente asimétrico del paso, en el esmalte, de epitelio a mesénquima. La formación de cúspides comienza a partir de su punta y es mediada por los centros de señalización epitlial: los “nudos del esmalte”. Las células de estos “nudos del esmalte” son no proliferativas a pesar de que muestran señales como FGF y Shh que estimulan la proliferación y supervivencia de las células de los otros “nudos del esmalte”. La formación de los “nudos del esmalte” y las cúspides, es estrictamente secuencial y tiene lugar al mismo tiempo que la señalización para la formación del nudo de esmalte y el crecimiento de las cúspides. Así las localizaciones relativas de los nudos cambian al mismo tiempo que están mandando señales.
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