SECUENCIA DE FORMACIÓN DEL EMBRIÓN HASTA EL NACIMIENTO DEL POLLO Y TODO SOBRE LA FORMACIÓN DEL EMBRIÓN
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TRANSFORMACIÓN EPITELIO-MESENQUIMÁTICA DURANTE EL
DESARROLLO EMBRIONARIO
EPITHELIAL-MESENCHYMAL TRANSFORMATION DURING EMBRYONIC DEVELOPMENT
María Angélica Montenegro & Mariana A. Rojas
Programa de Morfología, Instituto de Ciencias Biomédicas, Facultad de Medicina, Universidad de Chile
RESUMEN: La transformación entre un epitelio y un mesénquima es un proceso celular crítico que cumple una importante función en la morfogénesis de diferentes órganos, como la desaparición del epitelio palatino medio que permite la fusión del paladar; el epitelio del conducto de Müller que está destinado a desaparecer en el macho; la formación del mesoderma durante la gastrulación; el desarrollo de la cresta neural; la formación de las válvulas y tabiques que dividen el corazón embrionario, etc.
Durante este proceso, las células epiteliales pierden sus uniones celulares, dejan de expresar citoqueratinas y empiezan a sintetizar vimentina. Además, degradan la lámina basal y extienden filopodios a través de ella hacia el mesénquima subyacente, adoptando una morfología de fibroblasto. El control molecular de este proceso está asociado a factores de crecimiento, especialmente TGF-ß3 y a la proteína zinc finger Slug.
PALABRAS CLAVE: 1. Transformación epitelio-mesenquimática; 2. Fusión palatina; 3. Cresta neural; 4. Desarrollo del corazón; 5. Formación del mesoderma.
INTRODUCCIÓN
La transformación epitelio-mesenquimática (TEM) es un proceso celular crítico que conduce la morfogénesis en un número considerable de órganos y tejidos, como la formación del mesoderma durante la gastrulación; la separación y migración de la cresta neural; la involución del conducto de Müller en el macho; la formación de las válvulas y septos cardíacos; la fusión del paladar, entre otros ( Trelstad et al ., 1982 ; Shuler et al ., 1991 ; Duband et al ., 1995 ; Hay, 1995 ; Markwald et al ., 1995 ; Viebahn, 1995 ).
Durante la morfogénesis, se producen cambios dramáticos de un estado de diferenciación a otro; algunos epitelios se transforman en mesénquima junto con la habilidad de migrar para formar tejido conectivo, inducidos por la matriz extracelular o por factores de crecimiento. Esta conversión fenotípica involucra una reorganización del citoesqueleto y cambios, tanto en las interacciones célula-célula, como célula-matriz. Este proceso también ocurre en tejidos adultos en algunas condiciones patológicas.
Las células epiteliales son células polarizadas, que sintetizan y se apoyan en una lámina basal, están relacionadas con sus vecinas por uniones específicas y contienen moléculas de adhesión características, como caderina-E que se distribuye en las superficies laterales de los epitelios donde interactua con otras caderinas-E de células adyacentes ( Cowin & Burke, 1996 ). El sindecán-1, proteoglicano de heparán-sulfato, es un receptor de la membrana celular que tiene una distribución similar a la caderina-E ( Bernfield et al. , 1992 ). Una célula mesenquimática tiene forma alargada con prolongaciones y sintetiza componentes de matriz extracelular (MEC). Estas células mesenquimáticas interactuan con la MEC a través de receptores distribuidos por toda la superficie celular y no forman uniones. Los epitelios son ricos en filamentos intermedios de citoqueratina ( Rojas et al. , 1998 ), en cambio, las células mesenquimáticas tienen vimentina ( Steiner & Roop, 1988 ).
Durante la TEM , aparecen filopodios en la superficie basal de las células epiteliales, que se extienden hacia la MEC intersticial, luego la célula se elonga y se desprende del epitelio (Fig. 1 ). Las citoqueratinas desaparecen y se sintetiza vimentina. La caderina-E y las desmoplaquinas se pierden o se redistribuyen ( Prieto & Crossin, 1995 ). Las uniones celulares se rompen, aparecen nuevos receptores de MEC y así la laminina y el colágeno IV de la lámina basal, son reemplazados por fibronectina y colágeno I. ( Guarino, 1995 ). In vitro , varios epitelios se transforman en mesénquima cuando se suspenden en colágeno tipo I. Por otra parte, también in vitro , caderina-E induce a fibroblastos a formar desmo-sosmas y un epitelio estratificado ( Vanderburg & Hay, 1995 ).
En la TEM se producen los siguientes cambios fenotípicos:
- En los filamentos intermedios : aparición de vimentina y pérdida de citoqueratinas
- En la adhesión célula-célula : pérdida de uniones celulares y cambios en las moléculas de adhesión
- En la matriz extracelular : pérdida de la lámina basal y síntesis de matriz mesenquimática
- En la morfología y función celulares : pérdida de la cohesividad celular, cambios en la forma y polaridad celular y aumento de la motilidad
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Fig. 1. Cambios morfológicos que experimentan las células epiteliales en su transformación hacia células mesenquimáticas.
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Transformación epitelio-mesenquimática en la fusión de los procesos palatinos.
El proceso de palatogénesis es una de las etapas del desarrollo embrionario en la que la TEM ha sido muy bien analizada ( Fitchett & Hay, 1989 ; Shuler et al ., 1991 ; 1992 ; Carette & Ferguson, 1992 ; Griffith & Hay, 1992 ; Shuler, 1995 ; Kaartinen et al. , 1997 ; Sun et al., 1998a y 1998b ).
El desarrollo del paladar, evento complejo que frecuentemente se altera produciendo fisura palatina, constituye un buen modelo experimental para estudiar las interacciones tisulares que se producen durante la embriogénesis. Esto se debe a que aparece relativamente tarde en el desarrollo y los procesos palatinos se pueden disecar fácilmente y cultivar in vitro bajo condiciones controladas, donde se fusionan normalmente, en ausencia de factores exógenos.
Este proceso consta de varias etapas, de acuerdo a la posición de los procesos palatinos en la cavidad oral ( Ferguson, 1988 ). Los procesos palatinos emergen desde las paredes mediales de los procesos maxilares y crecen verticales a ambos lados de la lengua. Posteriormente, rotan y se reorientan a una posición horizontal sobre la lengua y se encuentran en la línea media ( Fig. 2 ). En esta etapa, el epitelio palatino medio consta de una capa basal de células cúbicas y una capa superficial de células peridérmicas.
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Fig. 2. Diagrama que muestra las sucesivas etapas de la fusión y confluencia de los procesos palatinos. A) Los procesos palatinos han rotado a una posición horizontal y las células peridérmicas se están decamando*. B) Formación de la lámina epitelial media. C) Ruptura de la lámina epitelial y formación de islotes (flechas). D) Confluencia del tejido mesenquimático. |
En las horas siguientes, los epitelios medios contactan, adhieren y forman una lámina epitelial media. Algunas células del periderma de la zona media degeneran, experimentando muerte celular programada y son eliminadas antes de la adhesión. A medida que la cabeza crece, principalmente en altura, la lámina epitelial media se adelgaza a una capa de células, se rompe en pequeños islotes y luego desaparece, permitiendo la continuidad del tejido mesenquimático de ambos procesos.
Experimentos de separación y recombinación de capas celulares in vitro , han demostrado que el epitelio palatino medio juega un rol pasivo en este proceso, recibiendo las instrucciones desde el mesénquima subyacente ( Pourtois, 1972 ). La señal de esta interacción es compleja e involucra tanto a moléculas de la MEC como factores de crecimiento.
La fusión completa del paladar secundario de los mamíferos, requiere la desaparición del epitelio palatino de la línea media del paladar, con el objeto de permitir la confluencia mesenquimática. Actualmente existen evidencias que la desaparición del epitelio palatino embrionario se debe a tres mecanismos:
1. Muerte celular programada o apoptosis de algunas células superficiales.
2. Transformación de células epiteliales, principalmente basales, en células mesenquimáticas.
3. Migración de algunas células epiteliales al epitelio oral o nasal superficial.
Los mecanismos moleculares involucrados en estos procesos, son diferentes, y por lo tanto, pueden ser dife-rencialmente afectados por los teratógenos que producen fisura palatina.
La muerte celular programada fue propuesta hace muchos años debido a la presencia de lisosomas y a la síntesis de enzimas líticas en el epitelio palatino medio ( Pratt & Martin, 1975 ). Este epitelio representa un grupo definido de células que desaparecen en una etapa precisa del desarrollo, lo que es una característica de apoptosis. Sin embargo, con técnicas específicas para detectar degradación del ADN, otra característica de apoptosis, esto sólo se detecta en algunas células palatinas ( Gavrieli et al ., 1992 ; Mori et al ., 1994 ; Taniguchi et al ., 1995; Martinez-Alvarez et al ., 2000 ). Utilizando métodos diferentes, Fitchett & Hay y Shuler et al. (1991) , postularon que no todas las células experimentan apoptosis, sino que se transforman en células mesen-quimáticas. Esta TEM se observó con microscopía electrónica ( Fitchett & Hay ; Griffith & Hay ) y fue confirmada por estudios de lineajes celulares tanto in vivo como in vitro ( Shuler et al . ; Hay ; Shuler ). En 1992, Carette & Ferguson presentaron evidencias que otras células del epitelio palatino también persisten viables pero con un fenotipo epitelial y migran hacia el epitelio oral o nasal vecino, integrándose a ellos como células epiteliales.
La TEM en el paladar embrionario se analizó con el colorante vital DIL, combinado con estudios inmuno-histoquímicos y ultraestructurales. La naturaleza lipofílica de este colorante, conduce su incorporación en la membrana plasmática de las células, pero sólo de aquellas que están en contacto con la solución y no es transferida a otras células ( Serbedzija et al ., 1989 ). Tanto in vivo como in vitro, se identificaron células marcadas que quedan en la lámina epitelial media y luego adoptan un fenotipo mesenquimático ( Carette & Ferguson ; Shuler et al . ; Montenegro et al ., 2000 ).
La lámina epitelial teñida con el colorante, presenta inmunotinción positiva con keratina y con laminina, pero no con vimentina ( Fig. 3 ). La vimentina tiñe sólo las células mesenquimáticas. Caderina-E y sindecán-1 se expresan simultáneamente, durante la formación y ruptura de la lámina epitelial, pero en el área donde el epitelio se ha transformado en células mesenquimáticas, no se observa tinción para ninguno de los dos anticuerpos ( Sun et al., 1998b ; Montenegro et al ., 2000 ).
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Fig. 3. Detección inmunohistoquímica de citoqueratinas AE1 en el epitelio palatino medio durante la fusión de los procesos palatinos. a y b) Inmunotinción positiva en el epitelio medio y en el epitelio que se fusionará con el tabique nasal (flechas). A: 40 X, B. 100 X. c). Inmunotinción positiva sólo en los islotes epiteliales. 100 X. |
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El examen ultraestructural permite observar pequeñas discontinuidades en la lámina basal y las células epiteliales extienden filopodios a través de ellas, pierden sus uniones celulares y adoptan la morfología de fibroblasto. Al mismo tiempo, se acumula tenacina y colágeno tipo III bajo la lámina basal, perpendicular a ella, y las células epiteliales parecen migrar hacia el mesénquima subyacente a lo largo de estas fibrillas.
El control molecular de la TEM en la fusión palatina, está asociado a la expresión de factores de crecimiento, especialmente TGF-ß3, a colágeno y a tenacina, mientras que la muerte celular programada depende de prostaglandinas y AMPc ( Ferguson, 1994 ; Montenegro & Palomino, 1989 ; 1990 ).
El TGF-ß3 muestra un patrón de expresión muy específico y restringido al epitelio palatino medio. Esta expresión se correlaciona temporalmente con la iniciación de la fusión del paladar y con la desaparición del epitelio palatino medio ( Kaartinen et al. ). La inhibición de la actividad del TGF-ß3 con anticuerpos neutralizantes o con antisense oligonucleótidos, previene la fusión palatina, mientras que la inhibición de las otras isoformas del TGF-ß no tienen efecto en la fusión ( Brunet e t al ., 1995 ; Proetzel et al., 1995 ). Además, ratones transgénicos, en los cuales se previene la expresión del TGF-ß1, tienen desarrollo facial normal; en cambio, en los transgénicos en los cuales se bloquea la expresión del TGF-ß3, presentan fisura palatina ( Taya et el., 1999 ). Por otra parte, in vitro el TGF-ß3 promueve transformación del epitelio palatino medio a mesénquima.
La alteración de este proceso de fusión, contribuye a la fisura palatina, uno de los defectos congénitos más comunes en la especie humana ( Gorlin et al ., 1990 ). Los gluco-corticoides inducen fisura palatina en ratones. Diferentes cepas de ratones tienen diferente susceptibilidad a la inducción de esta anomalía, cuando se administra una dosis standard de glucocorticoides, lo mismo que por un estímulo de stress, durante el período crítico de la organogénesis del paladar. ( Fraser et al ., 1957 ; Goldman, 1984 ; Montenegro et al. , 1995 ). Los glucocorticoides inhiben la síntesis de algunas moléculas de la MEC y reducen la expresión de TGF-ß3 en el paladar embrionario de una manera dosis-dependiente, en cambio, tienen poco efecto sobre los TGF-ß1 y TGF-ß2 ( Potchinsky et al. , 1996 ; Montenegro et al. , 1998 ).
Transformación epitelio-mesenquimática en el corazón embrionario.
Los esbozos de las válvulas del corazón y los septos cardíacos se forman por TEM de las células endoteliales del endocardio en el canal aurículo-ventricular ( Markwald et al. ).
Las almohadillas endocárdicas tempranas están formadas por una MEC cubierta por endotelio. Estas almohadillas se fusionan en el centro del tubo cardíaco y dividen el flujo sanguíneo en los futuros orificios mitral y tricúspide. Entre las dos capas epiteliales (endocardio y miocardio), se acumula la gelatina cardíaca, una capa de MEC secretada por el endocardio ( Fig. 4 ). Luego el endotelio de las almohadillas que reviste el lumen, es activado por un estímulo proveniente del miocardio adyacente y las células endote liales migran a la MEC subyacente. Las células del endocardio emiten filopodios y migran igual que en el paladar. En la formación del tabique aórtico-pulmonar, durante la división del tronco arterioso con células derivadas de la cresta neural, también se produce un cambio de células epiteliales a mesenquimáticas.
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Fig. 4. Corte sagital de embrión de pollo teñido con H-E-azul de Alcián. a) Se observa el corazón embrionario (C), los arcos faríngeos (a), la copa óptica (O), la vesícula auditiva (A), la placoda nasal (N). 40 X. |
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b) Imagen a mayor aumento que muestra el endocardio (E), la gelatina cardíaca (G), el miocardio (M) y las células del endocardio que se están transformando en células mesenquimáticas a nivel de las almohadillas endocárdicas (flechas). 200 X |
Las células endoteliales activadas experimentan cambios morfológicos, para llegar a ser células mesenquimáticas rodeadas de MEC. El signo inicial viene del miocardio y en éste está involucrado también el TGF-ß3 ( Potts & Runyan, 1989 ). En las zonas donde va a ocurrir la TEM , el miocardio secreta un complejo llamado adheron que regula la producción de TGFß3 que es expresado en el endotelio y es necesario para la transformación ( Boyer et al. ,1999 ).
En las almohadillas endocárdicas, los niveles de TGF-ß3 mRNA se correlacionan con la inducción de TEM en ellas. Además, los anticuerpos anti TGF-ß3 y los antisense oligonucleotidos contra TGF-ß3, inhiben la TEM , en el endotelio del canal aurículo-ventricular ( Potts et al ., 1991 ).
Pero en el corazón, la TEM está mediada por otras moléculas además del TGF-ß3. Slug, una proteina zinc finger, es mediador de este proceso en el corazón embrionario de pollo, ya que causa disociación de los desmosomas, que es el paso inicial de la TEM ( Savagner et al ., 199 7; Romano & Runyan, 1999 ).
Transformación epitelio-mesenquimática en la cresta neural.
En la cresta neural y en la gastrulación, la transformación epitelio-mesenquimática está íntimamente asociada con el inicio de la migración celular.
En aves y mamíferos, la emergencia de la cresta neural craneal no ocurre en estricta sintonía con el cierre progresivo del tubo neural, a lo largo del eje rostro-caudal, como sucede en urodelos. En aves, se produce antes de la separación del ectoderma epidérmico del resto del tubo, cuando los pliegues se están fusionando ( Figs. 5 y 6 ). En mamíferos, la dispersión de la cresta neural cefálica se produce mucho antes que los pliegues neurales se pongan en contacto ( Bronner-Fraser & Baker, 1997 ). Las células de la cresta neural, se separan del epitelio neural como una oleada que empieza en la cabeza, a nivel del cerebro medio, y se extiende rostralmente al cerebro anterior y caudalmente al cerebro posterior y luego, progresivamente al tronco.
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Fig. 5. Emergencia de las células de la cresta neural cefálica. A. En embrión de pollo. B. En embrión de ratón. |
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Fig. 6. Corte transversal de embrión de pollo que muestra la emergencia de la cresta neural cefálica (flechas). Se observa el rombencéfalo (R), la faringe (F). H.E.-azul de Alcián. 100 X. |
En la cresta neural, los eventos son similares a los que ocurren en la TEM del paladar y del corazón ( Duband et al. ): cambios en la forma celular, cambios en las interacciones célula-célula (en las células de la cresta neural aparecen grandes espacios intercelulares junto con la pérdida de la expresión de caderina-N) y cambios en la MEC (la lámina basal del epitelio neural se interrumpe y desaparece en la parte dorsal, al mismo tiempo que la cresta neural migra y se repone una lámina basal continua, una vez que ha migrado).
El factor de transcripción Slug, proteína zinc finger que pertenece a la familia Snail, se expresa en la región dorsal del tubo neural en el momento en que se inicia la migración de la cresta neural. Snail es fuerte represor de la expresión de caderina-E. Dorsalina, gen que codifica para un miembro de la familia TGF-ß, se expresa específicamente en la región dorsal del tubo neural, en el momento en que se inicia la migración de la cresta neural. TGF-ß provoca migración prematura de las crestas neurales, en aves.
Transformación epitelio-mesenquimática en la formación del mesoderma.
Las células del mesoderma se originan del epiblasto epitelial y, desde aquí, se distribuyen entre epiblasto e hipoblasto. Las células mesodérmicas experimentan cambios fundamentales en la forma y organización celulares, pasando desde una célula epitelial polarizada a una célula mesenquimática no polarizada. Este proceso está restringido a una estrecha zona del epiblasto que corresponde a la línea primitiva ( Fig.7 y 8 ).
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Fig. 7. Corte transversal de embrión de pollo que muestra la migración de las células del epiblasto a través de la línea primitiva. Las flechas indican el surco primitivo. HE-azul de Alcián. 200 X. |
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Fig. 8. Inmunotinción de citoqueratinas 8-18 en las células del polo posterior del epiblasto de embrión de conejo de 18 días. |
El epitelio epiblástico, antes de la formación del mesoderma, varía en las distintas especies de mamíferos desde cúbico simple, en conejo, gato, perro y caballo, a cilíndrico pseudoestratificado, en ratón, cerdo, mono y especie humana. Estas células epiblásticas están apoyadas en una lámina basal y presentan uniones intercelulares del tipo gap , desmosomas, y uniones adherentes y ocluyentes ( Burdsal et al ., 1993 ). En la TEM que ocurre durante la gastrulación, las células del epiblasto que ingresan por la línea primitiva, pierden las caderinas E y N, emiten proyecciones filiformes, degradan la lámina basal y protruyen a través de ella ( Viebahn ).
Transformación epitelio-mesenquimática en el conducto de Müller del feto masculino.
Allard et al. (2000) , demostraron que la apoptosis es un proceso decisivo pero no suficiente en la regresión del conducto de Müller en el embrión masculino y que la TEM es también un evento importante en este proceso. Las células epiteliales del conducto de Müller destinadas a desaparecer en el macho, no contienen más lisosomas que sus contrapartes vivas en el embrión femenino. En vez de experimentar muerte celular programada, muchas de estas células se elongan y envían filopodios al tejido conectivo adyacente, de manera similar a lo que ocurre en el corazón embrionario y en los procesos palatinos ( Trelstad et al . y Allard et al ., 2000 ) ( Figs. 9 y 10 ).
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Fig. 9. Esquema que muestra la transformación epitelio mesenquimática (A) y la apoptosis (B) en las células del conducto de Müller en el macho. |
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Fig. 10. Corte transversal de Octodón degu que muestra el conducto de Wolff (puntas de flecha) y el conducto de Müller en regresión (flechas). |
SUMMARY : The transformation between epithelia and mesenchyme is a critical cellular process that plays an important role in the morphogenesis of a number of different tissues: the disappearance of the midline palatal epithelial seam leading to confluence of the palate; the cells of the müllerian epithelium destined to disappear in the male; the formation of the mesoderm during gastrulation; the development of the neural crest; the formation of the atrioventricular cushion and the aortic-pulmonary septum in the embryonic heart, etc.
During this process the switch from cytokeratin expression (normally present in epithelia) to vimentin (normally present in mesenchyme) occur. The basal lamina disappears and elongating epithelial cells extend filopodia into the adyacent mesenchyme. The cells loss epithelial cell junctions, and adopt a fibroblastic morphology. In most of these tissues, the molecular control of the epithelial-mesenchymal transformation is associated to the expression of growth factors, mainly TGF-ß3 and to the zinc finger protein Slug .
KEY WORDS: 1. Epithelial-mesenchymal transformation; 2. Palatal fusion; 3. Neural crest; 4. Embryonic hear; 5. Formation of the mesoderm.
Dirección para correspondencia:
Prof. Dra. María Angélica Montenegro
Programa de Morfología,
Instituto de Ciencias Biomédicas,
Facultad de Medicina,
Universidad de Chile
Independencia 1027
Casilla 70079,
Santiago 7
CHILE
Fax 56-2-6786264
E mail: mmontene@machi.med.uchile.cl
Recibido : 28-07-2001
Aceptado: 20-09-2001
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Vista dorsal de la cabeza de un embrión de pollo de 5 dias de incubación (E5). La flecha indica el punto donde se insertó un cristal de DiI en el embrión de pollo en estadio E4. Después de un día de incubación a 37†C, se fijó el embrión en 4% PFA y se dejó una semana en fijador para permitir una mayor difusión del DiI. Este compuesto lipofílico difunde a través de las membranas de las prolongaciones nerviosas, en este caso de las que constituyen la comisura posterior. Aunque el cristal se ha situado en la porción dorsal, la marca llega hasta la region ventral del diencéfalo-mesencéfalo, donde se ubican los somas de las neuronas que forman la comisura posterior. La línea negra indica la línea media del cerebro. R, rostral; C, caudal. D, diencéfalo; OT, techo óptico; Tel, telencefalo.
DESARROLLO DE COINECCIONES TALÁMICAS EN UN EMBRIÓN DE POLLO
La continuidad de la vida I: Desarrollo
Cada vida humana comienza con la fusión de un espermatozoide y un óvulo . Si el óvulo recién fecundado de un animal -de cualquier animal- se examina bajo el microscopio electrónico, no puede encontrarse ningún indicio del enorme potencial con que está dotada esta célula única. ¿De qué manera las estructuras complejas del embrión , y posteriormente del animal adulto, se desarrollan a partir de esta célula única, aparentemente simple? Esta pregunta es una de las más fundamentales de la biología y aunque ha concitado la atención de los científicos durante más de 100 años, aún no se cuenta con una respuesta completa y definitiva.
En el proceso del desarrollo , el óvulo fecundado se transforma en un organismo completo, que consiste en centenares o miles de millones de células y que se asemeja, en gran medida, a sus progenitores. Este proceso implica crecimiento, diferenciación y morfogénesis .
El desarrollo en la mayoría de las especies animales comienza con la fecundación -la fusión del ovocito y del espermatozoide-. El erizo de mar presenta muchas similitudes en el proceso de fertilización comparado con los vertebrados y otros cordados. Los erizos de mar son, desde hace mucho tiempo, los favoritos de los embriólogos. Una vez formado, el huevo comienza a dividirse por mitosis . De esta manera, se pone en movimiento la cadena de los fenómenos del desarrollo.
El desarrollo ocurre en tres etapas: segmentación , gastrulación y organogénesis . Cuando la segmentación se completa, el embrión consiste en un cúmulo de células, la blástula, con una cavidad central, el blastocele. La segmentación implica una serie de divisiones mitóticas en las que el volumen citoplasmático del huevo es dividido en numerosas células nucleadas y más pequeñas, llamadas blastómeras .
La gastrulación da como resultado el establecimiento de tres capes de tejidos: el endodermo, el mesodermo y el ectodermo. Cada una de estas capas de tejido primario establecidas origina tejidos y órganos particulares.
Hacia el final de la gastrulación, comienzan a aparecer los primeros signos visibles de diferenciación. En los huevos amniotas , como los de los reptiles, aves y mamíferos, el embrión, a medida que se desarrolla, forma cuatro membranas extraembrionarias: el saco vitelino , la alantoides , el corion y el amnios .
Los patrones básicos de desarrollo son notablemente semejantes en todo el reino animal, incluido el hombre. Los estudios experimentales sobre invertebrados, anfibios, aves y mamíferos han provisto de un fundamento sólido a nuestra comprensión del desarrollo humano.
Fertilización del ovocito y formación del cigoto
Las primeras etapas del desarrollo embrionario de un equinodermo son, en varios aspectos importantes, similares a los que se observan en los vertebrados y otros cordados, lo que indica una relación evolutiva más íntima que la que se esperaría sobre la base de la comparación de las formas adultas.
El desarrollo comienza con la fertilización del óvulo por el espermatozoide. La célula huevo es de mucho mayor tamaño que el espermatozoide ya que todo el material necesario para las primeras etapas del desarrollo embrionario está almacenado en ella. Una vez formado, el huevo comienza a dividirse por mitosis. De esta manera, se pone en movimiento la cadena de los fenómenos del desarrollo.
En muchas especies, aunque la activación del óvulo y la mitosis siguen a la fertilización, también pueden sucederse sin ésta y el embrión puede desarrollarse por partenogénesis. Los óvulos de muchos invertebrados, y de algunos vertebrados, son capaces de desarrollarse normalmente en ausencia de espermatozoides si éstos son activados artificialmente. Los mamíferos, en cambio, no presentan partenogénesis. Por el contrario, la presencia del pronúcleo femenino y del masculino son indispensables para el desarrollo normal del embrión.
Segmentación y formación de la blástula
El embrión comienza a formar un organismo multicelular mediante un proceso llamado clivaje o segmentación, proceso que implica una serie de divisiones mitóticas en las que el volumen citoplasmático del huevo es dividido en numerosas células nucleadas y más pequeñas. El genoma embrionario transmitido por mitosis a todas las células no se expresa en los primeros estadios del desarrollo. Otra característica del clivaje es que, en la mayoría de las especies, no existe un incremento en el volumen total del embrión durante este período.
El patrón de clivaje varía según las especies y está determinado, principalmente, por la cantidad y la distribución del vitelo en el citoplasma. Cuando un hemisferio del huevo está relativamente libre de vitelo, las divisiones celulares ocurren de forma más rápida que en el hemisferio opuesto, que tiene más vitelo. El hemisferio rico en vitelo se denomina hemisferio vegetal y el hemisferio opuesto, pobre en vitelo, hemisferio animal. El núcleo del embrión generalmente se desplaza hacia el hemisferio animal donde ocurre, en general, el clivaje.
En los embriones con relativamente poco vitelo -como en el erizo de mar- la segmentación es uniforme, abarca el embrión entero y forma células de tamaño similar.
El embrión luego pasa por una etapa de mórula. Luego se crea una cavidad llena de fluido en el centro del embrión, conocida como blastocele. Cuando el blastocele está completamente formado, el embrión se llama blástula y sus células son las blastómeras. La blástula del erizo de mar tiene, aproximadamente, el mismo tamaño que la célula huevo a partir de la cual se desarrolló.
En los anfibios, la segmentación del huevo de los anfibios es diferente de la del erizo de mar principalmente en el contenido de vitelo. Como los anfibios presentan mayores cantidades de vitelo, el huevo se divide en forma desigual y se forman células de mayor tamaño en el hemisferio vegetal. Como ocurre con el huevo del erizo, la segmentación del huevo de anfibio da como resultado la formación de una blástula, pero el blastocele del anfibio es pequeño y habitualmente excéntrico. El blastoporo aparece como una hendidura con forma de media luna; siempre se forma en el límite entre la media luna gris y el hemisferio vegetal.
Con respecto a las aves, el huevo de gallina, familiar para todos nosotros, es diferente en muchos aspectos de los huevos mencionados. En primer lugar, está rodeado por una cáscara, que evita la desecación y permite que se desarrolle fuera del agua. En segundo lugar, en relación con su desarrollo terrestre, está rodeado por un sistema de membranas (es un huevo amniota). En tercer lugar, contiene una gran cantidad de vitelo. Esta gran cantidad de alimento almacenado posibilita un período de desarrollo más largo antes de que emerja el animal inmaduro. Como resultado, el pollo, aunque es aún pequeño en el momento del nacimiento, está mucho más adelantado en el desarrollo que la larva plútea de los erizos o el renacuajo.
Anatomía del huevo de pollo
En el momento de su liberación del ovario en la ovulación, el huevo consiste en la envoltura vitelina y sus contenidos. La fecundación, si ocurre, tiene lugar en la parte superior del oviducto. A medida que el huevo se mueve a través del oviducto se suman las capas de albúmina (la clara de huevo) sintetizadas por las células del oviducto y liberadas desde ellas. La primera de éstas, la calaza, es la estructura con forma de cuerda que se observa frecuentemente cuando se abre un huevo. La calaza mantiene suspendida a la célula huevo y asegura que el embrión, que se desarrolla a un costado del huevo, esté siempre hacia arriba, próximo al calor de la madre. Dos membranas de la cáscara y la propia cáscara se añaden antes de la puesta del huevo.
El vitelo del huevo de gallina, al igual que el de los huevos de otras aves y también de los reptiles, es tan grande y tan denso que la segmentación no abarca la mayor parte de la masa del huevo. La única parte que se segmenta es una delgada capa de citoplasma, que se sitúa como un casquete en la parte superior del vitelo y contiene al núcleo. La segmentación de esta delgada capa produce una blástula con forma de rombo, conocida como un blastodisco. Las aves, los reptiles y los mamíferos monotremas se desarrollan a partir de un blastodisco.
Blástulas de a) un erizo de mar, b) una rana y c) un ave.
En el erizo de mar y en la rana, la blástula es una esfera de células hueca. En el ave tiene la forma de un blastodisco -una esfera aplastada de células- que se constituye en la superficie del vitelo. El blastocele se ubica entre el epiblasto y el hipoblasto.
Gastrulación y establecimiento del plan corporal
La formación de la blástula es seguida por un proceso denominado gastrulación a través del cual se origina el intestino primitivo y se desarrollan las tres capas de tejido embrionario: una capa interna, el endodermo, una capa media, el mesodermo y una capa externa, el ectodermo. Cada una de estas tres capas de tejido primario origina tejidos y órganos particulares.
En el erizo de mar, la gastrulación propiamente dicha comienza con la formación del blastoporo, una abertura en la blástula. Luego, la capa entera de células más próxima al blastoporo se invagina, moviéndose a través del blastocele hacia el polo opuesto y formando el arquenterón que finalmente desarrollará el tubo digestivo. El blastoporo se transformará en el ano. La formación del ano en el blastoporo -o cerca de él- es la característica que define a los deuteróstomos, que incluyen a los equinodermos y a los cordados.
Como resultado de los movimientos que ocurren durante la gastrulación, se forman las tres capas de tejido embrionario mencionadas y se establece el eje anteroposterior del embrión.
Gástrula de erizo de mar.
La gastrulación produce un embrión de tres capas. El arquenterón se transformará en el tubo digestivo, y el blastoporo, en el ano. Finalmente, el blastocele queda casi completamente obliterado. En ésta y en otras ilustraciones posteriores, el ectodermo es azul, el endodermo es amarillo y el mesodermo es rojo.
Una vez completada la gastrulación, se hace evidente que ha ocurrido un proceso de diferenciación celular. La célula huevo se ha transformado en un número de células diferenciadas, especializadas, que desempeñan funciones específicas.
La gastrulación en los anfibios sólo difiere de la del erizo de mar en algunos detalles. En Xenopus las células de la blástula tienen diferentes destinos según si estaban en la capa superficial o profunda del embrión. Durante la gastrulación, los tejidos embrionarios primarios -endodermo, mesodermo y ectodermo- se disponen en un patrón de tres capas. Hacia el final de la gastrulación, comienzan a aparecer los primeros signos visibles de diferenciación. El cordamesodermo, una lámina de células mesodérmicas, ha formado la notocorda y el ectodermo neural ha comenzado a engrosarse, formando la placa neural.
La formación del tubo neural a partir de la placa neural de la rana.
a), b). Las elevaciones engrosadas del ectodermo neural a derecha e izquierda de la placa neural se curvan formando el surco neural. Los rebordes del surco neural después se encuentran y se fusionan. c) Finalmente, el tubo neural resultante se separa del ectodermo epidérmico.
Simultáneamente, se van formando los somitos. El celoma se forma entre dos capas de tejido en el mesodermo de la placa lateral. Quedan así establecidas las principales características del vertebrado.
En las aves y en los mamíferos, el homólogo del blastoporo es la línea primitiva.
Gastrulación y formación del tubo neural en el pollo.
Uno de los pasos evolutivos más importantes entre los vertebrados fue el desarrollo del huevo amniota, que contiene su propia reserva de agua y, por lo tanto, puede ser depositado en tierra. El agua está contenida dentro de las membranas extraembrionarias. Estas membranas comienzan como extensiones del blastodisco y cada una está formada por una combinación de dos de los tipos primarios de tejido.
En los reptiles y en las aves, estas membranas desempeñan papeles esenciales en suministrar al embrión en desarrollo moléculas de alimento y oxígeno, en eliminar productos de desecho nitrogenados y proteger al embrión de la abrasión. En los mamiferos, el saco vitelino es el sitio en el cual las células germinales son retenidas antes de su migración a las gónadas en desarrollo, la alantoides se desarrolla en cordón umbilical, el corion forma estructuras del lado fetal de la placenta, y el amnios, como en aves y reptiles, encierra el embrión en una cavidad llena de fluido.
Desarrollo de las membranas extraembrionarias del pollo.
A medida que el embrión se hace tubular y se separa del vitelo, comienzan a formarse las membranas extraembrionarias. Una membrana, el saco vitelino, crece alrededor del vitelo y lo rodea casi por completo. Una segunda membrana, la alantoides, surge como una excrecencia de la parte posterior del intestino. La tercera y la cuarta se elevan por encima del embrión, se fusionan y se forman dos membranas separadas. La interna es el amnios y la externa es el corion. El corion finalmente se fusiona con la alantoides (membrana corioalantoica), que en etapas posteriores del desarrollo encierra al embrión, al vitelo y a todas las otras estructuras.
La diferenciación es el resultado de la expresión diferencial de genes específicos en el núcleo de una célula. Una variedad de experimentos han demostrado que, para ciertos tipos celulares, la diferenciación no resulta irreversible hasta bastante tarde en el proceso del desarrollo. Sin embargo, para muchos tipos celulares, la potencialidad de desarrollo se ve gradualmente limitada a medida que la gastrulación avanza y ciertas capas de células se ubican adecuadamente en el embrión. Este proceso, en el cual queda fijado el destino de una célula, depende de una serie progresiva de interacciones entre diferentes tipos de tejidos.
Las últimas etapas del desarrollo después de la segmentación y de la gastrulación generalmente se conocen como organogénesis. La organogénesis comienza con la interacción inductiva entre el ectodermo y el cordamesodermo subyacente. Cada uno de los tres tejidos primarios formados durante la gastrulación experimenta luego crecimiento, diferenciación y morfogénesis. Este proceso es esencialmente el mismo en todos los vertebrados.
Por otra parte, cada sección del cuerpo tiene una conformación y estructura características. Sólo unos pocos procesos celulares, repetidos una y otra vez en diversas permutaciones y combinaciones, parecen ser responsables de la configuración de las distintas estructuras del cuerpo. Este proceso incluye: 1) incrementos o decrementos en las tasas de crecimiento y división celular, 2) cambios en la adhesión de las células a células vecinas; 3) deposición de materiales extracelulares y 4) cambios en la configuración celular producidos por extensión o contracción.