MECANISMOS BIOLOGICOS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO

Dr. Víctor Peralta Chávez

MECANISMOS BIOLOGICOS DEL DESARROLLO EMBRIONARIO

DIFERENCIACION CELULAR

• Para formar el cuerpo humano, la célula huevo necesita generar billones de células y debe dar origen a muchas clases de células.

• La formación de las diferentes clases de células se debe a un proceso biológico que lleva el nombre de diferenciación.

• La diferenciación celular define la adquisición, por parte de unas células, de características singulares que las distinguen del resto de las células.

• Aun cuando virtualmente todas posean los mismos genes, las células se diferencian unas de otras por la peculiaridad de las proteínas (estructurales y enzimáticas) presentes en sus citoplasmas.

• Las proteínas estructurales determinan las características morfológicas y funcionales que caracterizan a un tipo celular

• Las proteínas enzimáticas posibilitan la síntesis de otras sustancias cuya presencia es la que permite caracterizar a la célula como perteneciente a un determinado linaje.

• A medida que avanza el desarrollo, los mecanismos reguladores de las diferenciaciones celulares logran sus objetivos a través del control de la síntesis proteica, haciendo que en cada tipo celular se expresen solo los genes responsables de la elaboración del conjunto de proteínas que lo caracterizan.

• El control que las células realizan para que se den algunas proteínas y no otras tiene lugar a nivel de la transcripción

• Los factores de transcripción maestros activan y reprimen a varios grupos de genes. Los genes que codifican a estos factores se denominan genes rectores.

• Otros mecanismos que controlan la expresión génica son: metilación del ADN, la heterocromatina.

• Una vez que las células alcanzan sus estados finales de diferenciación estos se mantienen estables en forma permanente.

• Los estados de diferenciación pasan a las células hijas, haciéndolo de generación en generación hasta el último de los descendientes (memoria)

• La memoria celular se cimenta en las mismas causas que controlan la expresión génica, participando los factores de transcripción, la metilación del ADN, la posición de las histonas en la cromatina y el enrollamiento de esta última.

• La herencia de la memoria celular tiene lugar debido a que, al tiempo que se produce la replicación del ADN previa a la mitosis, los elementos que controlan la expresión génica se duplican, de modo que en las células hijas aparecerán los mismos factores de transcripción, los mismos patrones de metilación del ADN y los mismos modelos de condensación de la cromatina en las células progenitoras.

DESARROLLO DEL PLAN CORPORAL

• Al iniciarse el desarrollo embrionario, el genoma aporta el programa que lleva a la composición del modelo tridimensional del cuerpo.

• El programa aparece apenas el espermatozoide fecunda al óvulo y continúa hasta etapas avanzadas del desarrollo embrionario.

• Estos estudios se han hecho en la DROSOPHILA MELANOGASTER, que se desarrolla a partir de una larva.

Discos imaginales (19)

LARVA _________________ IMAGO (MOSCA)

SEGMENTOS EJES cefalocaudal, (1C, 3T, 8 Abd) dorsoventral, mediolateral

• Los discos imaginales son 19 pares a cada uno de los sectores en que se divide el cuerpo de IMAGO. (ojos y antenas, alas y parte del tórax, patas, etc) forman un cuerpo dividido en segmentos, como el de la larva.

• Las células de todos los discos imaginales, son idénticas, generan solo estructuras pertenecientes a sus segmentos de origen.

A

CONTROL GENICO DE LA FORMACION DEL MODELO CORPORAL

• El modelo corporal se halla controlado y coordinado por una compleja red de genes reguladores, que ejercen sus funciones apenas se forma el cigoto.

• Los primeros en actuar son los genes de polaridad de la célula huevo (madre): establecen las polaridades (cefalocaudal, dorsoventral y medio lateral y el cuerpo)

• Genes Segmentarios (Segmentos larvarios)

• Genes homeóticos (estructuras adultas de la mosca: ojos, antenas, alas, patas, tórax, abdomen)

• La polaridad del cuerpo se instala desde el comienzo del desarrollo, por la presencia de ciertas proteínas (heredadas del ovocito) que se concentran y distribuyen en forma desigual en los distintos sectores de la célula huevo blastómeras (heredan igual).

• Genes segmentarios: genes de hendidura, genes de regla par y los genes de polaridad de los segmentos Formación de los segmentos larvarios.

• Los genes homeóticos, se expresan al ser activadas por los genes segmentarios.

• Los genes que participan en la construcción del plan corporal actúan en cascada de modo que cada gen tiene también la misión de activar al gen que actuará subsiguientemente tanto en el tiempo como en el espacio.

• Estos genes pertenecen a los genes rectores y éstos codifican factores de transcripción maestros. En varios de éstos factores existe una secuencia de 60 amnioácidos muy parecida, a la que se le ha denominado homeodominio.

• Estos genes poseen en un sector de sus ADN, una secuencia de 180 pares de nucleótidos (caja homeótica) con muy pocas variaciones entre un gen y otro.

• El hombre tiene genes con caja homeótica: ordenadas en los cromosomas en modo semejante a los de la Drosophila.

• El establecimiento del patrón del eje embrionario craneocaudal es controlado por los genes de la caja homeótica.Estos genes están organizados en cuatro grupos: HOXA, HOXB, HOXC y HOXD, ubicados sobre cuatro cromosomas diferentes.

MECANICA DE LAS DIFERENCIACIONES CELULARES

• La elaboración de los cimientos del plan corporal tiene lugar antes de la fecundación.

• La aparición de las primeras diferenciaciones celulares coincide con la primera mitosis de segmentación, lo cual es debido a la asimétrica y desigual distribución de los elementos presentes en el citoplasma de la célula huevo.

• Las células hijas resultan con componentes cualitativa y cuantitativamente diferentes. Esta dispar distribución de los elementos contenidos en la célula huevo se extiende a las siguientes generaciones de células y se prolonga hasta la tercera semana de desarrollo.

• En los mamíferos esto es aplicable desde la cuarta mitosis de la segmentación. En el embrión de ocho células no existe diferenciación entre estas células y el cigoto. En este estadío cada una de las células puede diferenciarse en todos los tipos celulares del adulto (son totipotentes) e incluso generar cuerpos completos, como sucede con los gemelos idénticos.

• La distribución desigual de los componentes citoplasmáticos comienza recién cuando se alcanza el estadio de 12 a 16 células (mórula)

• Las células, de acuerdo con sus distintas posiciones en la mórula serian alcanzadas por concentraciones diferentes de sustancias presentes en el medio, a las que se les ha dado el nombre de morfógenos. Cuanto más profunda es la ubicación de una célula en la mórula, menos concentradas les llegarían estas sustancias.

• En conclusión no se descarta que los dos factores (la distinta concentración de los morfógenos y la desigual distribución de los elementos de la célula huevo) sean los que sucesivamente desencadenen los procesos biológicos que dan lugar a sus diferenciaciones más precoces.

• A medida que los grupos celulares se ubican en sus correspondientes emplazamientos corporales, dichas sustancias le confieren a las células determinados valores posicionales, distintos entre si.

• Estos valores actúan a partir de la tercera semana del desarrollo y por lo tanto se establecen las relaciones de la vecindad que hacen posible la influencia de algunos grupos celulares sobre otros.

• Los valores posicionales crean las bases para la aparición de los fenómenos inductivos, propulsores de la mayor parte de las diferenciaciones venideras.

• Potencialidad evolutiva, es la condición biológica que le permite a una célula generar un número determinado de células diferentes; así cuánto mas grande es el número de tipos celulares que una célula origina, mayor es su potencialidad.

• Conforme avanza el desarrollo la potencialidad de las células declina.

• Cuando una célula alcanza el máximo grado de diferenciación, su potencialidad desaparece; se dice, entonces que alcanzado su significado evolutivo final.

• En algunos tipos celulares se mantiene relativamente elevada aún en la vida post natal, como ocurre con la célula “madre” multipotencial común que en la médula ósea da origen a los eritrocitos, los granulocitos, los linfocitos y las plaquetas.

CRECIMIENTO EMBRIONARIO

• Unos diez billones (1013) de células componen el cuerpo humano adulto, todas originadas a partir de una célula: la célula huevo o cigoto.

• El crecimiento corporal es debido casi al aumento en el número de las células, ya que la parte de la matriz extracelular, es proporcionalmente muy escaso.

• El incremento numérico deriva de la división celular, episodio biológico saliente en el ciclo vital de las células.

• Este ciclo se divide en 4 etapas:

1. La fase G1, en la que tiene lugar las distintas funciones de las células (secreción, conducción, contracción, fagocitosis).

2. La fase S, en cuyo transcurso se produce la duplicación del ADN

3. La fase G2, que se prolonga hasta el inicio de la división celular o mitosis.

4. La citocinesis, al cabo de la cual cada célula da origen a otras dos.

• No todos los grupos celulares crecen a la misma velocidad, ni en la misma proporción, ni lo hacen en los mismos momentos, siendo este crecimiento diferencial el determinante del tamaño y las proporciones de las distintas partes del cuerpo.

• La ciclina y la proteína cdc participan en el crecimiento diferencial de las células.

• Han sido aislados varios factores que estimulan el crecimiento de las células: el factor de crecimiento neural, factor de crecimiento epidérmico, de crecimiento fibroblástico, de crecimiento hemopoyetico y las somatomedinas.

• Asimismo algunas hormonas también tienen efectos estimulantes sobre el crecimiento celular: hormona del crecimiento, la hormona lactógeno placentario.

• El crecimiento celular es también regulado por factores inhibidores llamados chalonas.

• En conclusión el grado proliferación celular deriva de un balance equilibrado en la actividad de los factores estimulantes e inhibidores del crecimiento.

• Durante el desarrollo embrionario la célula se multiplica al mismo tiempo que se diferencia. Cuando alcanza su significado evolutivo final se comportan, en relación de capacidad de dividirse, de la siguiente manera:

1. Dejan de dividirse en forma definitiva, por lo que si mueren, no pueden ser reemplazados (neuronas, células musculares del corazón y células del cristalino).

2. Dejan de dividirse pero mantienen latente la posibilidad de hacerlo (reparaciones de tejidos, cicatrizaciones). Se vuelven a dividir para lo cuál antes se desdiferencian.

3. Continúan dividiéndose durante toda la vida (la epidermis, mucosa gastrointestinal, tejidos hemopoyeticos, tubos seminíferos).

MOTILIDAD CELULAR

• La motilidad celular es responsable de la distribución, el ordenamiento y la orientación espacial de muchas estructuras.

• En el organismo las células se agrupan formando los tejidos, los que a su vez se combinan y organizan en unidades funcionales mayores denominadas órganos.

• Antes de la motilidad celular en la formación de un tejido, deben darse, en forma sucesiva, otros dos mecanismos biológicos: el reconocimiento celular y la adhesividad celular.

• Durante la embriogénesis las células se trasladan en grupos (gastrulación).

• Lejos de “vagar” sin rumbo, las células se desplazan siguiendo itinerarios predeterminados para cada grupo celular, y no se detienen antes o van más allá de los lugares marcados como sus puntos de destino.

• Los derroteros son marcados por las células ubicadas cerca del movimiento, por intermedio de algunos elementos de la matriz extracelular.

1. Las fibras de colágeno

2. Las moléculas de Fibronectina (son las que marcan los iterinarios).

3. La laminina y el condroitin sulfato

4. El ácido hialurónico

5. EL quimiotactismo (células germinativas primitivas)

MUERTE CELULAR

• La muerte celular es un fenómeno común durante el desarrollo embrionario.

• Existe un verdadero programa de muertes celulares; merced a la cual se eliminan células y tejidos provisorios y en algunos órganos se da lugar a la aparición de orificios y conductos.

• Las muertes celulares programadas llevan el nombre de apoptosis, término que se usa para diferenciar a las muertes fisiológicas de las muertes accidentales.

• La apoptosis es un mecanismo regulador activo, complementario a la proliferación y con importantes papeles en la morfogénesis, en el mantenimiento del tamaño tisular y en la prevención de enfermedades.

• La proteína p53 en ciertas condiciones puede producir apoptosis, así como bloquear el paso de las células de la fase de crecimiento (G1) a la fase de reposo (S) del ciclo.

• Las alteraciones de la supervivencia celular pueden constituir un factor que contribuya a la aparición de varias enfermedades del hombre (carcinomas, infecciones víricas, enfermedades auto inmunes y SIDA).

• En la apoptosis el volumen de la célula muere y los restos son fagocitados por células adyacentes.

• En la autofagia, las células son destruidas por sus propios lisosomas.

• En la necrosis, la muerte celular se caracteriza por hinchamiento de la célula y rotura de la membrana.

INDUCCION EMBRIONARIA

• La inducción es el proceso por el cual un tejido embrionario incita a las células de otro tejido a que se diferencien, es decir, se transformen en un nuevo tipo celular, o a que mueran, adquieran motilidad, o cambien su ritmo de crecimiento.

• Existen tres grupos celulares: Inductores, Inducidos y otros que no inducen ni se dejan inducir.

• Para que un grupo celular pueda ser inducido debe ser competente, es decir debe tener la capacidad de reaccionar con un cambio (diferenciación, crecimiento, motilidad o muerte) ante la presencia del estímulo inductor.

• La acción del inductor debe ser en el momento preciso.

• Los fenómenos inductivos suelen producirse en forma encadenada, de la siguiente manera

• Un tejido A induce a otro b a que se diferencie en B,

• Este tejido B induce a otro c a que se diferencie en C;

• Luego el tejido C induce a otro d a que se diferencie en D,

• Y así sucesivamente

Un ejemplo de inducción en cadena puede observarse en el desarrollo del ojo.

• Para que las inducciones tengan lugar es indispensable que los tejidos interactuantes sean vecinos

• En etapas más avanzadas del desarrollo también se producen inducciones entre tejidos distantes, mediadas por hormonas.