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Generalidades del desarrollo temprano
Tomado y modificado de
GILBERT S.: Biología del Desarrollo (7ª edición−2005) – Editorial Médica Panamericana
SORPRENDENTE COMO ES, la fecundación es sólo el paso que inicia el desarrollo. El cigoto, con su nuevo
potencial genético y su nueva organización del citoplasma, ahora comienza a producir un organismo
multicelular. Entre los acontecimientos de la fecundación y los de la formación de un órgano se encuentran
dos estadios críticos: segmentación y gastrulación. Durante la segmentación, divisiones celulares rápidas
dividen al citoplasma del gameto femenino fecundado (cigoto) en numerosas células. A continuación estas
células experimentan desplazamientos espectaculares durante la gastrulación, proceso por el cual se
mueven a diferentes partes del embrión y adquieren nuevos vecinos. Durante la segmentación y la
gastrulación, se determinan los principales ejes del embrión y las células comienzan a adquirir sus
respectivos destinos.
Mientras que la segmentación siempre precede a la gastrulación, la formación de ejes puede comenzar tan
temprano como durante la formación del ovocito. Ésta puede completarse durante la segmentación (como
en Drosophila) o extenderse completamente a través de la gastrulación (como sucede en Xenopus)". Hay
tres ejes que necesitan ser especificados: el eje anteroposterior (cabeza-ano), el eje dorsoventral (espaldavientre) y el eje izquierda-derecha. Las distintas especies determinan estos ejes a diferentes tiempos,
utilizando distintos mecanismos.
UNA INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS QE DESARROLLO TEMPRANO
Segmentación
Después de la fecundación, el desarrollo de un organismo multicelular continúa mediante un proceso
denominado segmentación,* una serie de divisiones mitóticas por medio de las cuales el enorme volumen
del citoplasma del cigoto es dividido en numerosas células nucleadas pequeñas. Las células de este estado
de segmentación son denominadas blastómeras. En la mayoría de las especies (los mamíferos
constituyen la principal excepción), la velocidad de división celular y la localización de las blastómeras entre
sí están bajo el completo control de proteínas y mRNA almacenados en el ovocito por la madre. Durante la
segmentación, el volumen citoplasmático no se incrementa. En su lugar, el enorme volumen del citoplasma
del cigoto es dividido en células cada vez más pequeñas. En primer lugar el cigoto es dividido en la mitad,
luego en cuartos, luego en octavos, y así sucesivamente. Esta división del citoplasma sin incremento del
volumen se lleva a cabo mediante la abolición del período de crecimiento entre las divisiones (esto es, las
fases G1 y G2 del ciclo celular). Mientras tanto, la segmentación de los núcleos se produce a una rápida
velocidad nunca vista (ni siquiera en las células tumorales). Por ejemplo, un cigoto de rana puede dividirse
en 37.000 células en tan solo 43 horas. La mitosis en la segmentación de los embriones de Drosophila se
produce cada 10 minutos durante más de dos horas y en tan solo 12 horas forma aproximadamente 50.000
células. Este espectacular incremento en el número celular puede ser apreciado al comparar la
segmentación con otros estadios del desarrollo. La figura 8-1 muestra el logaritmo del número de células en
un embrión de rana trazado contra el tiempo de desarrollo (Sze 1953). Esto ilustra una discontinuidad muy
marcada entre la segmentación y la gastrulación.
Fig. 8-1. Velocidad de formación de nuevas
células durante el desarrollo temprano de la rana
Rana pipiens. (Según Sze 1953.
* Nota de traductor: el término segmentación puede utilizarse en dos sentidos importantes: 1) hacer referencia al período, etapa o proceso de
desarrollo que se produce finalizada la fecundación hasta el inicio de la gastrulación; 2) indicar la escisión o separación del citoplasma entre dos
células durante la división celular.
Desde la fecundación a la segmentación
La transición desde la fecundación a la segmentación es causada por la activación del factor promotor de
la mitosis (FPM). El FPM fue descubierto primeramente como el principal factor responsable para la
reanudación de las divisiones celulares meióticas en los ovocitos II ovulados por la rana. Este continúa
teniendo un papel durante la fecundación, regulando el ciclo celular bifásico de las blastómeras tempranas.
Las blastómeras en general progresan a través de un ciclo celular que consta tan sólo de dos etapas: M
(mitosis) y S (síntesis de DNA) (fig. 8-2). Gerhart y col. (1984) demostraron que el FPM experimenta
cambios cíclicos en su nivel de actividad en las células mitóticas. La actividad del FPM de las blastómeras
tempranas es la más alta durante M e indetectable durante S.
Fig. 8-2. Ciclos celulares de las células somáticas y de las blastómeras tempranas
A. El ciclo celular bifásico simple de las blastómeras tempranas de anfibio tiene sólo dos etapas, S y M. La síntesis de ciclina B
permite la progresión a M (mitosis), mientras que la degradación de ciclina B le permite a las células pasar hacia la fase S
(síntesis).
B. Ciclo celular de una célula somática típica. La mitosis (M) es seguida por una etapa de "interfase". Este último período está
subdividido en las fases G1, S (síntesis) y G2. Las células que están diferenciándose se hallan generalmente "retiradas" del ciclo
celular y están en una fase G1 prolongada denominada Go. Las ciclinas responsables de la progresión a lo largo del ciclo celular y
sus respectivas cinasas son mostradas en el punto de regulación del ciclo celular. (B, según Nigg 1995.).
Newport y Kirschner (1984) demostraron que la replicación del DNA (S) y la mitosis (M) son manejadas únicamente por el aumento o la pérdida de la actividad del FPM. Las células que están en segmentación pueden ser
retenidas experimentalmente en la fase S al incubarlas con un inhibidor de la síntesis de proteínas. Cuando
el FPM es microinyectado en las células, éstas ingresan en la fase M. Desaparecen sus envolturas nucleares
y la cromatina se condensa a cromosoma. Después de una hora, el FPM es degradado y los cromosomas
retornan a la fase S.
¿Qué provoca esta actividad cíclica del FPM? El factor promotor de la mitosis contiene dos subunidades.
La subunidad mayor es denominada ciclina B. Éste es el componente que muestra un comportamiento
periódico, acumulándose durante S y siendo degradado después que las células han alcanzado M (Evans y col.
1983; Swen-son y col. 1986). La ciclina B es frecuentemente codificada por mRNA almacenados en el
citoplasma del ovocito y si se inhibe específicamente la traducción de este mensaje, la célula no entrará en la
mitosis (Minshull y col. 1989). La aparición y degradación cíclica de la ciclina B es un factor clave en la
regulación mitótica. La ciclina B regula a la subunidad menor del FPM, la cinasa dependiente de ciclina. Esta
cinasa activa la mitosis mediante la fosforilación de varias proteínas de interés, incluidas las histonas, las
proteínas de la lámina de la envoltura nuclear y de la subunidad regulatoria de la miosina citoplasmática. Estas
acciones producen la condensación de la cromatina, la desensamblaje de la envoltura nuclear y la organización
del huso mitótico.
Sin la ciclina B, la cinasa dependiente de ciclina no podrá funcionar. La presencia de ciclina es controlada por
varias proteínas que aseguran su síntesis y degradación periódica. En la mayoría de las especies estudiadas,
los reguladores de la ciclina B (y por lo tanto del FPM) están almacenados en el citoplasma del cigoto. Por lo
tanto, el ciclo celular es independiente del genoma nuclear durante numerosas divisiones celulares. Estas
divisiones tempranas tienden a ser rápidas y sincrónicas. Sin embargo, a medida que los componentes
citoplasmáticos son consumidos, el núcleo comienza a sintetizarlos. El embrión ingresa ahora en la transición
de blástula media, en la que varios fenómenos son incorporados a las divisiones celulares bifásicas del
embrión. En primer lugar, se agregan al ciclo celular las fases "brecha o espacio" (G1 y G2; G: del inglés gap),
que permiten a las células crecer (fig. 8-2B). (Recordar que antes de este momento, el citoplasma estaba
dividiéndose entre células cada vez más y más pequeñas, pero el volumen total del organismo se mantenía sin
cambios.) Los embriones de Xenopus incorporan las fases G1 y G2 al ciclo celular poco después de la
duodécima segmentación. Drosophila agrega a G2 durante el decimocuarto ciclo y a G1 durante el
decimoséptimo ciclo (Newport y Kirschner 1982a; Edgar y col. 1986). En segundo lugar, se pierde la
sincronicidad de la división celular, debido a que diferentes células sintetizan distintos reguladores del FPM. En
tercer lugar, se transcriben nuevos mRNA. Muchos de estos mensajeros codifican proteínas que llegarán a ser
necesarias para la gastrulación. En muchas especies, si la transcripción es bloqueada la división celular se
producirá a un ritmo y tiempo normales, pero el embrión no será capaz de comenzar la gastrulación.
Mecanismos citoesqueléticos de la mitosis
La segmentación es en realidad el resultado de dos procesos cíclicos coordinados. El primero es la
cariocinesis: la división mitótica del núcleo. El agente mecánico de la cariocinesis es el huso mitótico, con
sus microtúbulos compuestos de tubulina (el mismo tipo de proteína que forma el flagelo del
espermatozoide). El segundo proceso es la citocinesis: la división de la célula. El agente mecánico de la
citocinesis es un anillo contráctil de microfilamentos de actina (el mismo tipo de proteína que extiende la
microvellosidad del gameto femenino y del proceso acrosómico del espermatozoide). El cuadro 8-1 presenta
una comparación de estos agentes de la división celular. La relación y coordinación entre estos dos sistemas
durante la segmentación está representada en la figura 8-3A, en la que se muestra al cigoto del erizo de mar
experimentando su primera segmentación. El huso mitótico y el anillo contráctil son perpendiculares entre sí,
y el huso es interno al anillo contráctil. Este último crea un surco de segmentación, que finalmente biseca
el plano de la mitosis, creando de este modo dos blastómeras genéticamente equivalentes.
Los microfilamentos de actina se encuentran en la corteza (citoplasma externo) del cigoto más que en el
citoplasma central. Bajo el microscopio electrónico, el anillo de microfilamentos puede ser visto formando
una banda cortical definida de 0,1µm de ancho (fig. 8-3B). Este anillo contráctil existe únicamente durante la
segmentación y se extiende unos 8-10µm hacia el centro del cigoto; es el responsable de ejercer la fuerza
que divide el cigoto en blastómeras; si éste es alterado, se detiene la citocinesis. Schroeder (1973)
comparó el anillo contráctil con una "cuerda de fruncido intercelular," apretándose sobre el cigoto a medida
que continúa la segmentación. Este estrechamiento del anillo de, microfilamentos crea un surco de
segmentación. Los microtúbulos también son vistos cerca del surco de segmentación (además de su papel
en la generación del huso mitótico), debido a que son necesarios para traer material de membrana al sitio de
adición de membrana (Danilchik y col. 1998).
Fig. 8-3. Papel de los microtúbulos y de los
microfilamentos en la división celular.
(A) Esquema de la telofase de la primera
segmentación. Los cromosomas están acercándose
hacia los centríolos por los microtúbulos, mientras que
el citoplasma se está estrechando por la contracción
de los microfilamentos.
(B) La marcación fluorescente de los microfilamentos
de actina muestra el anillo de contracción en el surco
de la primera segmentación (cabeza de flecha) de una
telofase de un cigoto de erizo de mar.
(C) La marcación fluorescente de tubulina muestra a
los ásteres de microtúbulos del cigoto del erizo de mar
durante la telofase de la primera segmentación.
(B, de Bondery col. 1988; C de White y col. 1988;
fotografías cortesía de los autores.)
Aunque la cariocinesis y la citocinesis están generalmente coordinadas, a veces son separadas por
condiciones naturales o experimentales. En los cigotos de insecto, la cariocinesis se produce varias veces
antes de que tenga lugar la citocinesis. Otro modo de producir este estado es tratar a los embriones con la
droga citocalasina B. Esta droga inhibe la formación y organización de los microfilamentos en el anillo
contráctil, deteniendo de este modo la segmentación sin detener la cariocinesis (Schroeder 1972).
Cuadro 8-1 Cariocinesis y citocinesis
proceso
Cariocinesis
citocinesis
agente mecánico
Huso mitótico
Anillo contráctil
principal composición
proteica
Microtúbulos de tubulina
Microfilamentos de actina
localización
Citoplasma central
Citoplasma cortical
principal fármaco
disruptivo
Colchicina, nocodazol
Citocalacina b
Patrones de segmentación embrionaria
En 1923, el embriólogo E. B. Wilson reflexionó sobre lo poco que conocemos acerca de la segmentación:
"Para nuestra limitada inteligencia, parecería una tarea simple dividir al núcleo en partes iguales. La célula,
evidentemente, alberga una opinión muy diferente". En efecto, distintos organismos experimentan la
segmentación de modos claramente diferentes. El patrón de segmentación embrionario característico de
una especie es determinado por dos parámetros principales: 1) la cantidad y distribución de la proteína
vitelina dentro del citoplasma y 2) los factores en el citoplasma del cigoto que influyen sobre el ángulo del
huso mitótico y el tiempo de su formación.
La cantidad y distribución de vitelo determina dónde puede producirse la segmentación y el tamaño relativo
de las blastómeras. Cuando un polo del cigoto está relativamente libre de vitelo, la división celular se
produce allí a una velocidad más rápida que en el polo opuesto. El polo rico en vitelo es referido como el
polo vegetal; la concentración de vitelo en el polo animal es relativamente baja. El núcleo del cigoto es
desplazado frecuentemente hacia el polo animal. En general, el vitelo inhibe la segmentación. La figura 84 proporciona una clasificación de los tipos de segmentación y muestra la influencia del vitelo en el patrón y
en la simetría de la segmentación.
Fig. 8-3. Resumen de los
principales patrones de
segmentación
En un extremo están los cigotos o células huevo de los erizos de mar, mamíferos y caracoles. Estos cigotos
tienen escaso vitelo equitativamente distribuido y son por lo tanto isolecíticos (griego, "vitelo igual"). En
estas especies, la segmentación es holoblástica (griego holos, completa), lo que significa que el surco de
segmentación se extiende a través de la totalidad del cigoto. Con poco vitelo, los embriones deben contar
con algún otro medio para obtener nutrientes. La mayoría generará una forma larval voraz, mientras que los
mamíferos obtienen su nutrición a partir de la placenta materna.
En el otro extremo están los cigotos de insectos, peces, reptiles y aves. La mayor parte del volumen de
estas células está compuesta de vitelo. El vitelo debe ser suficiente para nutrir a estos animales durante
todo el desarrollo embrionario. Los cigotos que contienen grandes acumulaciones de vitelo experimentan
una segmentación meroblástica (griego meros, parte), por la que solamente una porción del citoplasma es
segmentada. El surco de segmentación no penetra en la porción vitelínica del citoplasma debido a que las
placas de vitelo dificultan en estos sitios la formación de membrana. Los cigotos de insecto tienen su vitelo
en el centro (es decir, son centrolecíticos) y se producen divisiones del citoplasma solo en el aro de
citoplasma alrededor de la periferia de la célula (es decir, segmentación superficial). Los cigotos de aves
y peces tienen solo una pequeña área del cigoto que está libre de vitelo (cigotos telolecíticos), y por lo
tanto, las divisiones celulares se producen solamente en este pequeño disco de citoplasma, dando origen a
un patrón de segmentación discoidal. No obstante, éstas son reglas generales y especies estrechamente
relacionadas pueden desarrollar distintos patrones de segmentación en diferentes ambientes.
Sin embargo, el vitelo es sólo uno de los factores que influyen en el patrón de segmentación de las especies.
Hay también patrones heredados de división celular que están superpuestos a las limitaciones del vitelo. Esto
puede verse fácilmente en los cigotos isolecíticos, en los que hay muy poco vitelo. Ante la ausencia de una
gran concentración de vitelo, pueden observarse cuatro tipos principales de segmentación: patrones de
segmentación radial holoblástica, espiral holoblástica, bilateral holoblástica y rotacional holoblástica.
Especificación de los destinos celulares durante la segmentación
Los destinos celulares pueden especificarse mediante interacciones célula-célula o mediante la distribución
asimétrica de patrones de moléculas en células particulares. Estas moléculas distribuidas de manera
desigual generalmente son factores de transcripción que activan o reprimen la transcripción de genes
específicos en aquellas células que los adquieren. Tales distribuciones asimétricas de patrones de
moléculas pueden ocurrir durante la segmentación y en general siguen uno de los tres mecanismos:
1. las moléculas son unidas al citoesqueleto del gameto femenino (será un cigoto al ser fecundado) y las
células que obtienen el citoplasma las adquieren pasivamente;
2. las moléculas son transportadas activamente a lo largo del citoesqueleto de una célula particular; o
3. las moléculas llegan a asociarse con un centrosoma específico y siguen al centrosoma de una de las dos
células hijas mitóticas (Lambert y Nagy 2002).
Una vez que se ha establecido la asimetría, una célula puede especificar a una célula vecina mediante
interacciones parácrinas o yuxtácrinas sobre la superficie celular.
Gastrulación
La gastrulación es el proceso de migraciones celulares y tisulares altamente coordinado por medio del cual
las células de la blástula se reorganizan de manera espectacular. La blástula consiste en numerosas
células, cuyas posiciones fueron establecidas durante la segmentación. Durante la gastrulación, estas
células obtienen nuevas posiciones y nuevos vecinos, y se establece el plan corporal de múltiples capas.
Las células que formarán los órganos mesodérmicos y endodérmicos son llevadas hacia el interior del
embrión, mientras que las células que formarán la piel (epidermis) y el sistema nervioso se extienden sobre
la superficie exterior. Por lo tanto, las tres capas germinales -ectodermo externo, endodermo interno y
mesodermo intersticial- se producen por primera vez durante la gastrulación. Además, en esta etapa se
dan las condiciones para las interacciones de estos tejidos posicionados recientemente.
Los movimientos de la gastrulación involucran al embrión en su totalidad y las migraciones de las células en
una parte del embrión que está gastrulando deben estar íntimamente coordinadas con otros movimientos
que se producen simultáneamente. Aunque los patrones de la gastrulación tienen una enorme variación a
lo largo del reino animal, hay tan solo unos pocos tipos básicos de movimiento celular. La gastrulación
generalmente involucra alguna combinación de los siguientes tipos de movimientos (fig. 8-5):
• Invaginación. Plegamiento hacia adentro de una región de células, de un modo muy parecido a la
hendidura que se forma en una pelota de goma desinflada cuando es empujada hacia adentro.
• Involución. Movimiento de girar hacia adentro de una capa celular en expansión de modo tal que se
extiende por la superficie interna de las restantes células externas.
• Ingresión. Migración de células individuales de la capa superficial hacia el interior del embrión. Las
células se convierten en mesenquimáticas (separadas) y migran en forma independiente.
• Delaminación. Separación de una lámina celular en dos láminas más o menos paralelas. Mientras que
sobre bases celulares ésta recuerda a la ingresión, el resultado es la formación de una nueva lámina de
células.
• Epibolia. Movimiento de las láminas epiteliales (generalmente de las células ectodérmicas) que se
despliegan como una unidad, en lugar de individualmente, para envolver las capas profundas del
embrión. La epibolia puede producirse mediante la división celular, por el cambio de la forma celular, o
a través de la intercalación de varias capas en menos capas. A menudo, se utilizan los tres
mecanismos.
Fig. 8-5. Tipos de movimientos celulares durante la gastrulación.
La gastrulación de cualquier organismo en particular es un ensamblaje de varios de estos movimientos.
Especificación celular y formación de ejes
Los embriones deben desarrollar tres ejes decisivos que constituyen las bases del cuerpo: el eje
anteroposterior, el eje dorsoventral y el eje derecha-izquierda (fig. 8-6).
El eje anteroposterior es la línea que se extiende desde la cabeza a la cola (o de la boca al ano en los
organismos que carecen de cabeza y cola). El eje dorsoventral es la línea que se extiende desde la espalda
(dorso) al abdomen (vientre). Por ejemplo, en los vertebrados, el tubo neural es una estructura dorsal. En los
insectos, el cordón neural es una estructura ventral. El eje derecha-izquierda es una línea entre los dos lados
laterales del cuerpo. Aunque los seres humanos (por ejemplo) podrían parecer simétricos, se debe recordar
que en la mayoría el corazón y el hígado están solamente en la mitad izquierda y derecha del cuerpo
respectivamente. De algún modo, el embrión sabe que algunos órganos pertenecen a un lado y otros órganos
al otro.
Fig. 8-6. Ejes de un animal simétrico bilateralmente.
Un único plano, el plano mediosagital, divide al animal en las
mitades derecha e izquierda. Las secciones transversales se
realizan a lo largo del eje anteroposterior.