Leccin Tema 4.- Especificacin Celular
Niveles de compromiso: diferenciacin"The greatest of all of
wonders of the material universe: the existence, in a simple,
unorganized egg, of a power to produce a definitive adult
animal"William K. Brook, embrilogo americano, 1883.Niveles de
compromisoLadiferenciacines la generacin de tipos celulares
especializados. Sin embargo, esta no es ms que la ltima fase de una
serie de sucesos que comprometen a un blastmero determinado a
transformarse en un tipo celular concreto. La diferenciacin puede
afectar a numerosos aspectos moleculares y celulares como la
expresin de genes (composicin proteica especfica), el tamao, la
forma, la polaridad, la actividad metablica, la sensibilidad a
ciertas seales, etc.Durante la diferenciacin, ciertos genes son
expresados mientras que otros son reprimidos. Este proceso es
intrnsecamente regulado por factores epigenticos internos y
externos de las clulas. As, la clula diferenciada se desarrollar en
estructuras especficas y adquirir determinadas
funciones.Compromiso: Especificacin y
DeterminacinLadiferenciacin(cambios celulares visibles) va
precedida por un proceso decompromiso de las clulas hacia un
destino determinado. Durante estas fases de compromiso, la clula
puede no presentar caractersticas diferenciadas; sin embargo, su
destino de desarrollo ha quedado restringido.Este proceso de
compromiso puede ser dividido endos fases o estados(Harrison, 1933;
Slack, 1991):Especificacin:En la primera fase, la clula adquiere un
compromiso lbil y reversible. Decimos que una clula
estespecificadacuando es capaz de diferenciarse autnomamente
siempre y cuando se sita en un medio ambiente neutral como una
placa de petri o un tubo de ensayo (este medioambiente se considera
neutral con respecto a su va de desarrollo).En esta fase de
especificacin, el compromiso celular puede ser
revertido.Determinacin:Durante esta segunda fase, la clula adquiere
un compromiso irreversible. Una clula estdeterminadacuando puede
diferenciarse autnomamente (de acuerdo a su destino original)
independientemente de su entorno, incluso si se sita en otra regin
del embrin (entorno no-neutral). Si esto ocurre, se asume que el
compromiso es irreversible.
Fig. 1.-Distincin entre destino celular, especificacin y
determinacin. En este esquema, observamos un embrin constituido por
las regiones A y B que se diferencian en dos tipos celulares
representados por hexgonos y cuadrados, respectivamente. El mapa de
destino (primer panel) indica el desarrollo normal. En el 2 panel,
observamos como las clulas de la regin B, injertadas en la regin A,
se desarrollan igual que los tipos celulares de la regin A. Esto es
debido a que el destino de la regin B no ha sidoan determinado. Si
las clulas de la regin B estuvieran determinadas en el momento del
injerto, se diferenciaran como clulas B (3er panel). Puede ocurrir
que las clulas B del 2 panel estn especializadas (4 panel) y se
diferencien a clulas B cuando son situadas en un ambiente neutral
(como una placa de cultivo)Existen 3 principales estrategias para
adquirir el compromiso y ningn embrin utiliza slo una de ellas.
Todas las estrategias estn basadas en mecanismos que reparten
cierto conjunto de factores de transcripcin a clulas diferentes en
el embrin temprano.Especificacin AutnomaESPECIFICACIN AUTNOMAEn
este primer mecanismolas clulas son especificadas por sus propios
componentes citoplasmticos.El blastmero hereda un conjunto de
factores de transcripcin del citoplasma del huevo y estos factores
de transcripcin regulan la expresin gnica, dirigiendo a la clula
hacia una determinada ruta de diferenciacin. El citoplasma de huevo
no es homogneo. Contiene diferentesdeterminantes
morfogenticos(factores de transcripcin y/o ARNm) que, al estar
repartidos heterogneamente por el citoplasma ovular, son heredados
por distintos blastmeros durante la segmentacin (divisiones
asimtricas). As, la especificacin celular se produce por la
adquisicin diferencial de ciertas molculas citoplasmticas presentes
en el huevo, por el tipo de citoplasma que hereda durante la
segmentacin.La segmentacin siempre produce los mismos linajes
celulares en cada embrin de la especie. El destino de los
blastmeros es invariable, constante.Es caracterstica de embriones
de invertebrados, especialmente de moluscos, anlidos y
tunicados.
Fig 2.-Especificacin autnoma (desarrollo en
mosaico).(A-C)Diferenciacin de las clulas (ciliadas) deltrocoblasto
del moluscoPatella. (A) Vista lateral del embrin de 16 clulas. Las
clulas de futuro trocoblasto estn coloreadas . (B) Embrin de 48
clulas. (C) Larva ciliada, vista desde el polo animal.
(D-G)Diferenciacin de una clula del trocoblasto aislada de un
embrin de 16 clulas y cultivada in vitro. (E,F) Resultado de la
primera y segunda divisin. (G) Productos ciliados de (F). Incluso
en cultivo, estas clulas se dividen y se transforman en ciliadas en
el momento correcto. (Modificacin de la Figura. 3-7, Gilbert
Developmental Biology, 8 ed.)Tradicionalmente, se ha
denominadodesarrollo en mosaico, puesto que el embrin parece estar
construido como un mosaico de partes independientes y
auto-diferenciables. As, si se elimina un determinado blastmero del
embrin temprano, esta clula aislada slo originar aquellos tipos de
clulas que habra formado si an estuviera en el embrin. Por su
parte, el embrin carecer de aquellas clulas que producira el
blastmero eliminado.Cuando la mayora de las clulas de un embrin
temprano son determinadas por especificacin autnoma, puede parecer
que todo el animal se especifica de la forma. Sin embargo, no
ocurre e incluso en los embriones de Tunicados, el sistema nervioso
se origina por interacciones celulares.
Especificacin CondicionalESPECIFICACIN CONDICIONALEs la
capacidad de las clulas de alcanzar sus destinos respectivos por
interacciones con otras clulas.
Fig. 3.- Especificacin condicional. (A) En qu se transforme una
clula depende de su posicin en el embrin. Su destino es determinado
por interacciones con las clulas vecinas. (B) Si eliminamos unas
clulas del embrin, las restantes pueden regular y compensar la
parte perdida.Los factores juxtacrinos y paracrinos secretados por
las clulas vecinas determinarn, en gran manera, en qu se
transformar una clula. La Especificacin condicional fue demostrada
por Driesch (1892) cuando intentaba demostrar la Teora del Plasma
Germinal de Weismann que propona justo lo contrario.En este caso,
el destino de una clula depende de su localizacin en el embrin. Una
clula tiene la capacidad de transformarse en muchos tipos celulares
diferentes. Sin embargo, las interacciones con otras clulas
restringen su destino. As, si se elimina un blastmero de un embrin
temprano, las restantes clulas embrionarias alteran sus destinos
normales para asumir las funciones del blastmero perdido. Esta
capacidad de las clulas embrionarias de cambiar sus destinos para
compensar las partes perdidas, se denominaregulacin(Fig. 3). Por su
parte, el blastmero aislado tambin puede generar una amplia
variedad de tipos celulares, alguno de los cuales no los habra
generado si continuara en el embrin.La capacidad de desarrollo
regulativo es crtico en el desarrollo de los gemelos idnticos
(monocigticos). En la formacin de tales gemelos, las clulas de
estos embriones se dividen en dos grupos durante la segmentacin y
cada grupo de clulas produce un individuo totalmente
diferenciado.Ningn embrin utiliza slo uno de estos mecanismos para
especificar sus clulas. As, podemos observar especificacin autnoma
incluso en los embriones regulativos tales como el erizo de mar. De
manera similar, los tunicados, ejemplos de desarrollo autnomo,
tambin muestran interacciones regulativas entre sus clulas del
sistema nervioso y algo menos en las musculares.Gradientes de
Morfgenos
Morfgenoes toda aquella molcula difusible que determina el
destino de una clula por su concentracin.Los morfogenos pueden ser
factores de transcripcin producidos dentro de una clula (ver
Drosophila). Tambin pueden ser factores paracrinos producidos por
un grupo de clulas y que viajan hacia otra poblacin celular,
especificndo a las clulas diana de manera diferente segn la
concentracin del morfgeno.
Las clulas no comprometidas situadas cerca de la zona de
produccin del morfgeno estarn expuestas a las mayores
concentraciones del mismo y son especificadas a un tipo celular A.
Las clulas situadas ms lejos del origen del morfgeno que estarn
expuestas a una concentracin menor y por debajo de un determinado
umbral, se especificarn a un 2 destino celular. En las zonas ms
alejadas del origen, la concentracin de morfgeno ser mucho menor y
una clula del mismo tipo no comprometido inicial ser especificada
en una 3 forma.
Especificacin sincitialEn los embriones tempranos de insectos,
los ncleos se dividen dentro del huevo, sin que se divida la clula,
originndose un sincitio. Por lo tanto, la especificacin de futuras
(presuntivas) clulas dentro de un citoplasma comn se
denominaespecificacin sincitial.Este tipo de especificacin es
utilizada por la mayora de los insectos y comparte elementos de las
anteriormente estudiadas.El citoplasma del huevo de insectos no es
uniforme. EnDrosophila, por ejemplo, la especificacin
anterior-posterior se origina porgradientes de
concentracindemorfgenosdentro del citoplasma del huevo. En la
porcin ms anterior del huevo, hay un ARNm que codifica la
protenaBicoid, mientras en el extremo posterior se encuentra el
ARNm que codifica la protenaNanos. Cuando el huevo es fecundado,
estos dos ARNm son traducidos de manera que la protenaBicoid forma
un gradiente que es ms alto en el extremo anterior, y la
protenaNanosforma otro gradiente que es ms alto en el extremo
posterior. As, a lo largo del huevo de Drosophila nos encontramos
dos gradientes de morfgenos opuestos uno de la protena Bicoid que
viene de la parte anterior y otro de la protena Nanos proveniente
de la parte posterior.Bicoid y Nanos son factores de transcripcin.
Estas dos protenas forman un sistema coordinado basado en
diferentes concentraciones y proporciones, de forma que cada regin
del embrin contiene una proporcin diferente de las dos protenas.Las
protenas que forman estos gradientes activan la trascripcin de
genes que especifican los segmentos de la larva y de la mosca
adulta. As, los ncleos de una regin con grandes cantidades de
Bicoid y pocas de Nanos sern instruidos a activar aquellos genes
necesarios para producir la cabeza. Los ncleos de regiones con un
algo menos de Bicoid pero con pequeas cantidades de Nanos sern
instruidos a activar los genes que generan el trax. Los ncleos de
regiones que tienen poco o nada de Bicoid y altas concentraciones
de Nanos sern instruidos a formar estructuras abdominales.Cuando
los ncleos del sincitio son finalmente incorporados a las clulas,
estas tendrn ya especificado su destino final.
Figura 2.- Especificacin sincitial enDrosophila melanogaster. La
especificacin anterior-posterior se origina por gradientes de
morfgenos dentro del citoplasma del huevo. El ARNm Bicoid est
estabilizado en la porcin ms anterior del huevo, mientras el ARNm
Nanos est trabado al extremo posterior. Cuando el huevo es
fecundado, se traducen estos dos ARNm. La protena Bicoid forma un
gradiente que es ms alto en el extremo anterior, y la protena Nanos
forma un gradiente que es ms alto en el extremo posterior. La
proporcin de estas dos protenas forma un sistema coordinado; as,
cada posicin a lo largo del eje puede distinguirse de las otras
posiciones. Cuando se produce la divisin nuclear, la cantidad de
cada protena presente activa diferencialmente la transcripcin de
los genes que especifican los segmentos de la larva y de la mosca
adulta (Figura 3-11, Gilbert Developmental Biology, 8
ed)ResumenCaractersticas de los tipos de especificacin celular
Especificacin Autnoma Predomina en la mayora de los
invertebrados Especificacin por la adquisicin diferencial de
ciertas molculas citoplasmticas presentes en el huevo La
especificacin del tipo celular precede a cualquier migracin celular
embrionaria a gran escala La segmentacin invariable produce siempre
los mismos linajes celulares en cada embrin de la especie. El
destino de los blastmeros es generalmente invariable. Produce un
desarrollo en mosaico: las clulas del embrin no pueden cambiar su
destino si sepierde un blastmeroEspecificacin condicional Predomina
en vertebrados y en unos pocos invertebrados Especificacin por
interacciones entre clulas. Las posiciones relativas son
importantes La segmentacin (variable) produce clulas sin un destino
asignado.. La especificacin va precedida o acompaada por
reordenaciones y migraciones celulares masivas La capacidad de
desarrollo regulativo: permite que las clulas adquirir funciones
diferentesEspecificacin sincitial Predomina en la mayora de las
clases de insectos Especificacin de las regiones corporales por
interacciones entre regiones citoplasmticas antes de que se
produzca la celularizacin del blastodermo. La segmentacin no
produce destinos celulares rgidos para ncleos especficos. Tras la
celularizacin, se suele producir especificacin condicional y
autnoma.