desarrollo craneofacial: interaccion genetica

INTERACCION GENETICA EN EL
DESARROLLO CRANEOFACIAL:
Paula Avellaneda, Yeimy Correal,
Claudia Chasy, Iveth González, Jose
Lozano, Pilar Mera, Paul Medina,
Mónica Orjuela, Yilbert Nempeque,
Liliana Prada, Gustavo Sánchez,
Liliana Otero.
La cabeza es una estructura
compuesta, cuya formación inicia
muy temprano en el desarrollo. A
medida que el cerebro se desarrolla
también se desarrollan los sistemas de
arcos branquiales que van a dar
nacimiento a la cabeza, el cuello y sus
asociaciones
en
compartimentos
individualizados. Existen diferentes
genes
y
familias
de
genes
involucrados
en
el
desarrollo
craneofacial y cualquier alteración en
alguna de estos genes, repercute en
anormalidades craneofaciales, fisuras
labio-palatinas, agenesias dentales y
otras patologías.
El sistema nervioso central surge del
plato neural (capa celular homogénea
que forma el dorso del embrión en
estado de gástrula). Ese plato neural
se enrolla a lo largo de su eje
anteroposterior y forma el tubo
neural dando origen a 3 primordios:
prosencéfalo,
mesencéfalo
y
romboencéfalo. Este último (cerebroposterior) es una unidad segmentada
en
8
subunidades
llamadas
rombómeros.
Estas
estructuras
representan un compartimiento hecho
de células con un linaje restringido
que desarrollarán
estructuras
específicas. Estas células migran en
orden según sea su destino para
formar los arcos branquiales. Las
células que migran para formar la
masa del mesénquima facial surgen
del mismo nivel axial del tubo neural
de los rombómeros. Este hecho
sugiere que existe un código
establecido cuando las células de la
cresta neural aún forman parte del
plato neural. Las células se reconocen
unas a otras y tienen una identidad
posicional.
Las células de la cresta neural son una
población de células pluripotenciales
de gran importancia en el desarrollo
de la cabeza de vertebrados, a
diferencia de la mayor parte del
cuerpo, el mesénquima facial se
deriva principalmente de la cresta
neural y no del mesodermo de la
tercera capa germinativa. Las células
epiteliales
se
tornan
células
mesenquimales
a
través
de
interacciones inductivas entre la placa
neural y el ectodermo presuntivo,
estas células migran extensamente a
través del embrión en 4 dominios
sobrelapados que son el cefálico,
tronco, sacro y cardiaco. En la cabeza
las células de la cresta neural cefálica
migran de las regiones del cerebro
medio-posterior al sistema de los
arcos branquiales. Es entonces cuando
las células ectomesenquimatosas de la
cresta neural, interactúan con las
poblaciones de células epiteliales y
mesodérmicas que están dentro de los
arcos, resultando en la formación de
los huesos, cartílagos y tejidos
conectivos
craneofaciales.
La
migración de las células derivadas de
la cresta neural, el origen embriónico
de la cabeza, cuello, mandíbula y
dientes,
y
los
mecanismos
involucrados en la morfogénesis de
cada una de estas regiones, son objeto
de un gran número de investigaciones
actualmente 1 .
Durante el desarrollo embrionario, la
cara y cuello se forman a partir de los
arcos branquiales. Las células de la
cresta neural generan la mayor
cantidad de tejido conectivo y
esquelético de la región craneofacial,
el mesodermo forma la envoltura de
las arterias y la musculatura del
futuro
cuello
y
cara.
El
establecimiento de un patrón en la
región craneofacial está parcialmente
determinado por las interacciones
epitelio mesénquima. Dentro de los
arcos branquiales, las diferentes
poblaciones de las células de la cresta
neural no interactúan, pero sí
mantienen la posición necesaria
rostral – caudal, la cual viene
predeterminado y originada desde las
células del cerebro. Esta segregación
de células de la cresta es establecida
tempranamente en la organogénesis
por la eliminación apóptotica de
células de la cresta neural del cerebro
posterior dando origen a 3 caminos
diferentes de migración celular:
aunque este patrón depende de su
origen rostral – caudal, estos patrones
muestran algún nivel de plasticidad.
La cara del mamífero se desarrolla del
crecimiento
coordinado
y
diferenciación de 5 primordios
faciales: 1 prominencia frontonasal
medial, 2 prominencias maxilares y 2
prominencias mandibulares, que
están localizadas alrededor de la boca
primitiva o estomodeo. Mientras el
desarrollo continúa en la prominencia
frontonasal,
engrosamientos
localizados de la superficie del
ectodermo llamadas placodas nasales
se están desarrollando. Estas placodas
se invaginan, mientras sus márgenes
se engrosan, para formar las fosas de
la nariz y las prominencias nasales
mediales
y
laterales.
Las
prominencias maxilares del primer
arco branquial crecen hacia la línea
media de la cara, fusionándose con la
prominencia nasal lateral de cada
lado, para luego fusionarse con las
prominencias nasales mediales, y
finalmente
con
el
segmento
intermaxilar del proceso frontonasal
para formar el maxilar superior y los
labios. De una forma similar, los
primordios mandibulares se fusionan
a lo largo del borde medial para
formar el maxilar inferior y los labios.
La prominencia frontonasal forma la
frente y la nariz. La morfogénesis
craneofacial
continúa
con
el
crecimiento y fusión de tejidos que
forman el paladar o el techo de la
boca. El paladar se forma de dos
primordios: paladar primario y
secundario. Una masa sencilla medial
con forma de borde mesenquimal se
extiende
internamente
de
la
prominencia frontonasal para formar
el paladar primario. El paladar
secundario
se
desarrolla
bilateralmente como dos proyecciones
verticales, de las suturas internas de
las prominencias maxilares. Todo el
proceso de morfogénesis continúa
permitiendo una fusión medial. Las
fallas en las fusiones del paladar
originan un paladar fisurado. Los
problemas relacionados con las
regulaciones de tiempo y la rata o
extensión del crecimiento externo de
los cajones palatinos resultan en
fisuras del paladar 2 .
Las fisuras del labio superior ocurren
como resultado de la falla en la fusión
de la prominencia maxilar con las
prominencias nasales medias que se
encuentran a cada lado. Las fallas en
la fusión de las prominencias
mandibulares ocurren de una manera
menos frecuente y resultan en fisuras
del labio inferior y mandíbula.
El desequilibrio que resulta a nivel
celular y molecular durante la
embriogénesis, tiene repercusiones en
el fenotipo de las estructuras
cráneomaxilofaciales,
y
por
consiguiente genera mutaciones en la
expresión genética, que desencadenan
diferentes anomalías relacionadas con
dichas estructuras.
Los genes homeóticos son genes
conservados a través de la evolución
que intervienen en el desarrollo de las
estructuras
cráneofaciales.
Están
caracterizados por la presencia de una
secuencia de 180 pares de bases que
codifican 60 aminoácidos de la doble
cadena de DNA. En la mosca estos
genes homeóticos están localizados en
el cromosoma 3 y forman un complejo
importante denominado HOM-C que
va a servir como una representación
molecular de los ejes embrionarios
antero-posteriores en el desarrollo de
la mosca; este complejo provee un
código específico para cada segmento
y se ha demostrado que la mutación
en alguno de estos genes homeóticos
origina transformaciones fenotípicas a
lo largo del eje antero posterior. La
secuencia de los
homeobox está
conservada con asombrosa exactitud
a nivel proteico y esta conservación
sugiere que pueden existir similitudes
fundamentales entre los insectos y los
vertebrados en cuanto al mecanismo
que controla el plan corporal básico.
Cada
gen
homeótico
produce
pequeñas moléculas de proteínas que
sirven para activar la transcripción de
otros genes al unirse a sus loci
promotores. Como resultado se da
una cascada de acontecimientos
químicos que conllevan a la
formación de estructuras, como el
sistema nervioso central, estructuras
musculares, extremidades
y el
3
complejo craneofacial .
En los organismos vertebrados, estos
genes codifican para
factores de
transcripción, factores de crecimiento
y diversos receptores. Además los
genes homeóticos codifican para
proteínas que le informan a las células
del embrión en desarrollo, la posición
y la función que deben ejercer 2 . Los
genes homeóticos Msx, juegan un
papel muy importante en el
desarrollo craneofacial. Estos genes
contribuyen a mantener un balance
entre
la
proliferación
y
la
diferenciación celular, durante la
morfogénesis del cráneo en estados
pre y postnatal, y están representados
por los genes: Msx1, Msx2, Msx3. 2
Msx1 y Msx2 son ampliamente
expresados en varias regiones
(cráneo, cara, meninges, suturas,
corazón,
duramadre,
dientes…)
especialmente en los sitios donde las
interacciones epitelio – mesénquima
toman lugar. Msx1 se expresa durante
el desarrollo dental en estadios
tempranos, y en el desarrollo del
paladar, 2 y del miocardio 3. Msx2 se
expresa en el esqueleto craneofacial,
huesos del maxilar y de la mandíbula
(derivada del primer arco branquial),
cartílago de Meckel, gérmenes
dentales, y células del miocardio3.
Msx2 es detectable en el germen
dental en la lámina vestibular, el
epitelio, el mesénquima, el nudo del
esmalte y el epitelio vestibular en el
estadio de campana. Contrario a
Msx1, que se expresa en el
mesénquima
de
los
gérmenes
dentales únicamente. Se ha detectado
también una fuerte expresión de
Msx2 en los odontoblastos y en las
regiones subodontoblásticas de la
papila dental. El gen Msx3 se expresa
únicamente en el tubo neural dorsal2.
Los genes homeobox MSX1 y MSX2
también intervienen en el desarrollo
inicial de los primordios faciales
(porción
distal
del
primordio
mandibular
y
bifurcación
del
3
cartílago de meckel) . Las proteínas
MSX son importantes moduladores
del desarrollo craneofacial, de los
brazos, piernas y del sistema
nervioso. La activación en la
expresión de estos genes se encuentra
correlacionada con la formación del
patrón del primordio facial desde el
mesénquima indiferenciado hasta la
formación de cartílagos, músculos y
nervios y con cambios en el desarrollo
esquelético.2
Las alteraciones en la función del gen
MSX1 parecen estar asociadas con
hipoplasias
mandibulares
y
maxilares, fisuras labiales con o sin
fisura
palatina,
alteraciones
frontonasales, anomalías en los ojos y
en los dientes (hipodoncia). En
cultivos de célula mioblásticas, la
proteína Msx1 puede reprimir la
miogénesis y mantener las células en
un estado indiferenciado.
En
contraste, la mutación del gen MSX2
causa la craneosinostosis tipo Boston,
que se presenta en humanos, por la
sustitución de una prolina por una
histidina,
en la posición 7 del
homeodominio de Msx2, que genera
un aumento en la función normal de
este gen, ocasionando este tipo de
craneosinostosis. Las mutaciones del
gen MSX1, también se han visto
asociadas con alteraciones en el
desarrollo de las extremidades y del
sistema nervioso. Aunque ambos
genes MSX1 y MSX2, muestran un
sitio de preferencia similar de unión
al DNA y ambos pueden reprimir la
transcripción, presentan propiedades
bioquímicas diferentes por tener
dominios únicos N-terminal, que le
confiere a MSX2 una gran afinidad
por el DNA mientras le da al MSX1
potencia como represor. 2
Los cambios en el desarrollo
craneofacial y agenesia dental están
relacionados no solo con el gen MSX,
sino también con las BMP (proteínas
morfogenéticas óseas BMP2 y BMP4).
Estas proteínas se expresan en
regiones discretas de las zonas
distales del inicio del primordio
facial, e interactúan con los genes Msx
mediante las vías señalización en la
regulación de las interacciones
epitelio- mesénquima durante la
organogénesis 4 .
Las
BMP2 y BMP4 activan la
expresión de los genes MSX1 y MSX2
durante el desarrollo del primordio
facial y en la formación del cráneo y
las meninges. La aplicación de BMP4
puede inducir a la expresión de los
genes Msx1 y Msx2 en la sutura
mesenquimal, resultando en un
aumento concomitante del grosor del
tejido. Se ha propuesto que la vía de
señalización de BMP4 – MSX1 regula
el balance de las células osteogénicas
que se encuentran en el sitio de la
sutura, y participan en procesos de
diferenciación en el mesénquima
dental, porque cambios en la
expresión de BMP4 preceden cambios
en la expresión de MSX14. Por otra
parte BMP4 también interactúa con
tres factores de transcripción (MSX1,
MSX2 y Egr 1).
Otros genes que contienen homeobox,
son expresados en el arco mandibular
y maxilar y en el desarrollo del
primordio facial, los cuales codifican
dominios Homeox que contienen
factores de transcripción, incluidos,
MSX1, MSX2, DLX1 a 6 y BARX1, 2.
Los genes, Noggin y Chordin
intervienen en el desarrollo de la
mandíbula y son antagonistas de las
BMP. La expresión de Noggin está
restringida al epitelio frontonasal
pero es reducida en los cornetes, el
tratamiento con Noggin conduce a un
crecimiento
extrínseco
de
la
prominencia frontonasal y de las
prominencias maxilares y finalmente
a la delección de los huesos maxilares
y palatinos. Estos genes también
regulan la expresión de BMPs
endógenas.
En
experimentos
realizados en embriones de pollos, se
observó que las BMP son importantes
en el cierre del labio superior y del
paladar primario y pueden presentar
un desarrollo normal mandibular o
los ratones pueden ser agnáticos,
cuando los genes, Noggin y Chordin
se encuentran alterados. 2
Otro gen que juega un papel
importante en el fenotipo mandibular,
es conocido como Goosecoid. Cuando
el gen goosecoid fue extraído en los
ratones transgénicos, estos mostraron
un normal desarrollo del eje corporal,
pero con múltiples deformidades
craneofaciales,
incluyendo
la
hipoplasia mandibular y ausencia de
apófisis
coronoides
y
ángulo
mandibular. De este modo se ha visto
que la trascripción del gen goosecoid,
es detectada en estadios tardíos del
desarrollo
del
mesénquima
osteogénico de la mandíbula, lengua
y oído medio y está involucrado en
las interacciones inductivas de la
formación de la cabeza.1
Una de las diferencias entre la
embriogénesis del maxilar y la
mandíbula es la interacción genética.
En el primordio mandibular la
activación del gen MSX1, se encuentra
asociado con FGF 4 en el epitelio y la
bifurcación del cartílago de Meckel.
Además la aplicación de BMP2 puede
aumentar la proliferación celular del
primordio mandibular, mientras que
en el primordio maxilar, MSX1
interactúa con el gen Hedgehog sónico,
en el epitelio y en la bifurcación del
hueso palatino.
Otro gen relacionado con la
embriogénesis cráneofacial, es la
endotelina, es un péptido vasoactivo
que se expresa en las células del
endotelio vascular y juega un rol en la
regulación de la presión sanguínea.
La alteración de este gen en ratones,
no muestra alteraciones en su sistema
cardiovascular, pero presenta una
marcada disminución de la medida
de la lengua, micrognatismo y
paladar hendido. La ET-A, es uno de
los dos receptores de endotelina y su
ligando primario ET-1, es expresado
en el epitelio del arco branquial,
endodermo de la bolsa faríngea, y
mesodermo paraxial del núcleo del
arco. Esta relación ET-A/ET-1 es
importante porque define patrones de
la región caudal del primer arco, y su
mutación produce una condición
humana denominada CATCH-22,
caracterizada por estructuras faciales
anormales
y
deformidades
cardiovasculares. Al parecer algunos
de los defectos encontrados en
ratones mutantes ET-A guardan
relación con la ausencia de goosecoid. 1
Los genes homeobox también,
influyen en la expresión de otros
grupos de genes como los SHH que
intervienen en el fenotipo del sistema
craneofacial. Es importante resaltar
que esta familia de genes incluye
genes más específicos, en el desarrollo
de las estructuras del cráneo y la cara
y en la determinación del fenotipo
mandibular.
El sonic hedgehog (SHH) es un
homologo de la Drosophila.1 Esta
proteína SHH es liberada desde la
notocorda y es necesaria para la
supervivencia
y el desarrollo de
células esclerosomales que expresan
Pax1/Pax9,
además,
actúa
antagónicamente en Bmp4 y Bmp3,
controla el patrón en el eje antero
posterior y está implicada en el
control de la apoptosis y proliferación
celular en la extremidad del embrión
en desarrollo.1
SHH inhibe la expresión de BMP4, de
los genes MSX y
promueve la
expresión de Pax1 por
células
somáticas in Vitro e in vivo. SHH
codifica para un péptido de
señalización que está involucrado en
la regionalización de segmentos de
corto y largo rango. La mutación de
este
gen
genera
profundas
anormalidades en la morfogénesis
craneofacial. La pérdida de SHH
produce defectos en el patrón de la
placa
neural,
desencadenando
prosencefalia, defectos análogos al
hipertelorismo
y
labio-paladar
hendido.
Por el contrario la
sobrexpresión de este gen, resulta en
hipertelorismo, y en casos más
severos en duplicación facial. 1
La familia de los genes FGF (factor de
crecimiento fibroblásticos), también
actúa en la regulación del gen MSX1 y
de PAX9durante la morfogénesis
dental, el desarrollo inicial de los
primordios faciales, el desarrollo de la
porción
distal
del
primordio
mandibular y la bifurcación del
cartílago de Meckel. Estos genes
también se expresan en las células del
epitelio dental, estimulando la
proliferación celular y la división
celular en el mesénquima y el epitelio
dental 4.
La expresión de FGF 3 está confinada
al mesénquima de la papila dental,
mientras que FGF 4, FGF8 y FGF9
son expresados exclusivamente en las
células de la papila dental. Los FGF
utilizan
proteoglicanos
como
receptores. FGF-8 induce la expresión
de Pax 9, mientras que BMP2 y BMP4
previenen esta inducción4.
El gen Pax9 es un marcador para el
desarrollo del mesénquima dental
antes de la primera manifestación
morfológica de la odontogénesis. Los
sitios de expresión de Pax9 en el arco
mandibular están representados por
la actividad combinada de 2 señales
provenientes de FGF8 y de BMP2BMP.
Otro grupo de genes que interactúa
con los genes homeóticos durante la
morfogénesis
craneofacial
está
representado por los genes Wnt. Los
genes Wnt, Wnt3 y Wnt4, intervienen
en
las
funciones
de
las
comunicaciones
intercelulares
durante el desarrollo de los órganos y
de los miembros del embrión,
contribuyendo a la morfogénesis y
organogénesis. En la morfogénesis
craneofacial los genes wnt interactúan
con los genes Msx 1 y Bmp4.
Según
estudios
en
implantes
experimentales se ha demostrado que
la expresión de Fgf8 induce la
expresión de Pitx 1 y Pitx 2, por el
contrario la expresión de Bmp4
reprime la expresión de Pitx 1 en el
mesénquima mandibular y de Pitx 2
en el epitelio dental. Los patrones de
Pitx1 y pitx2 en el desarrollo
mandibular, son regulados por los
efectos antagonistas de Fgf8 y Bmp4,
e intervienen en la expresión de los
genes en el mesénquima y en el
epitelio dental.
La expresión de Pitx 1 es detectada en
el desarrollo temprano en el epitelio y
en el mesénquima cubriendo la
formación del diente en la mandíbula,
y luego es mantenida en el epitelio
dental desde el estado de botón hasta
el estado de campana tardía. En
contraste, la expresión de Pitx 2 está
restringida al epitelio dental durante
la organogénesis. 4
El conocimiento de las función e
interacciones de los genes durante el
desarrollo cráneofacial ayudará a
diseñar
herramientas
para
el
diagnóstico prenatal y para la
intervención terapéutica
en los
síndromes
cráneofaciales,
las
patologías orales y las maloclusiones.
BIBLIOGRAFIA
1
Cobourne, Martin. Construction for the Modern
Head: current concepts in craneofacial
development. Journal of Orthodontics 2000. 27:
307-314.
2
Alappat S, Zhang Z. MSX homeobox gene
family and craniofacial development. Cell
Research. 2003; 13 (6): 429-442.
3
Jernvall J, Thesleff I. Reiterative signaling and
patterning
during
mammalian
tooth
morphogenesis. Mech Dev 2000;92:19—29.
4
Longabaugh W, Davidson E, Bolouri H.
Computational representation of developmental
genetic regulatory networks. Developmental
Biology .2005; 283 : 1 – 16