Morfogénesis
Morfogénesis (del griego "morphê" que significa forma y "génesis" creación, literalmente el “origen de la forma”), es el proceso biológico que lleva a que un organismo desarrolle su forma.
Es uno de los procesos principales del desarrollo en paralelo a la adquisición de la identidad, el control de la división celular, la diferenciación así como el control de la distribución espacial durante el desarrollo embrionario. En la formación de un órgano partimos de células iguales que en el tiempo se diferencian. Todo esto requiere una organización de dichos tejidos y órganos. Las propiedades que deben presentar las células que intervienen en cambios de la forma son:
- Adhesividad de la célula
- Motilidad celular (capacidad de moverse espontáneamente)
- Cotractilidad (capacidad de contracción)
La morfogénesis también puede tener lugar en un organismo maduro, en un cultivo de células o dentro de un tumor celular. La morfogénesis asimismo, describe el desarrollo de formas de vida unicelular que no atraviesan por una etapa embrionaria en sus ciclos de vida, o describe la evolución de una estructura corporal dentro de un grupo taxonómico.
Cabe destacar que en la morfogénesis se tiene que tener en cuenta las propiedades biomecánicas de las células así como a nivel molecular, la existencia de proteínas u hormonas que regulan la adhesividad, la orientación de las divisiones celulares o la regulación de la presión osmótica y también el citoesqueleto, ya que pueden producir cambios de forma o variar su motilidad.
Historia
Los primeros estudios sobre morfogénesis fueron realizados por D’arcy Wentworth Thompson y Alan Turing, quienes se basaron en cómo las funciones relacionadas con la matemática y la física, influyen en el crecimiento y desarrollo de los embriones, en definitiva, a la activación de los mecanismos celulares y biológicos. El estudio llevado a cabo por estos investigadores, disparó otro trabajo de investigación que culminó con el descubrimiento,en 1953 a partir de datos de difracción de rayos X recogidos por Rosalind Franklin , James D. Watson y Francis Crick , de la estructura del ADN, la biología molecular y la aparición de la bioquímica.
Estos componentes fueron de gran utilidad para el estudio de la morfogénesis. Aunque la investigación primigenia sobre morfogénesis se llevó a cabo hace casi un siglo, cuando todavía no estaba comprobado, ni siquiera se había iniciado con la etapa de hipótesis, que el núcleo de las células contenía información genética hereditaria. En 1930, el control nuclear de la morfogénesis y la interacción del núcleo con el citoplasma fue descubierta por J.Hammerling. En los primeros estudios morfogenéticos que realizó usó diferentes especies de arbustos de la familia de las Acetabularia . J. Hammerling utilizó dos especies distintas de Acetabularia, la A. mediterranea y la A. crenulata.
La acetabularia es un organismo unicelular muy grande , de hasta 10 cm de largo, que consta de tres partes:
- la cabeza
- el tallo
- el rizoide.
El único núcleo de esta célula se localiza en el rizoide. El experimento consisitió en que Hammerling intercambió los núcleos de las dos especies, y con esto logró que se formara la cabeza característica de aquella que había donado el núcleo. Así se vio que el núcleo desempeñaba un papel en el control del desarrollo de la Acetabularia.
Actualmente, la morfogénesis se aplica para analizar la composición total de un organismo, ya sea la estructura de cada célula que lo compone, la capacidad de las células de los organismos para crear tejidos y el ordenamiento del cuerpo de cada ser vivo, estudiado a través de imágenes microscópicas.
Bases moleculares y celulares
Diversos tipos de moléculas son particularmente importantes durante la morfogénesis, entre estos destacan los morfógenos, las moléculas de adhesión y los factores de crecimiento, los cuales si desaparecen impiden un correcto crecimiento. Los morfógenos son moléculas solubles que se pueden difundir y llevar las señales que controlan las decisiones de crecimiento, existen morfógenos que estimulan el crecimiento y otros que lo frenan. Los morfógenos típicamente actúan al unirse a receptores proteicos específicos. Otra clase de moléculas involucradas en la morfogénesis son aquellas que controlan la adhesión celular. Por ejemplo, durante la gastrulación, grupos de células madre desconectan sus uniones intercelulares, se vuelven migratorias y toman nuevas posiciones dentro del embrión, donde vuelven a activar proteínas de unión (adhesión celular) específicas y forman nuevos tejidos y órganos. Diversos ejemplos que ilustran los papeles de los morfógenos, los factores de crecimiento y las moléculas de adhesión celular en la morfogénesis son discutidos a continuación.
Cambios en la forma celular
Mediados por la adhesión
Durante el desarrollo embrionario, las células están restringidas a diferentes capas debido a afinidades diferenciales. Una de las formas en que esto puede ocurrir, es cuando las células comparten las mismas adhesiones moleculares célula-a- célula. Por ejemplo, una adhesión celular homotipica puede mantener los límites entre los grupos de células con diferentes moléculas de adhesión. Además, las células se pueden ordenar sobre la base de diferencias en la adhesión entre las células, por lo que incluso dos poblaciones de células con distintos niveles de la misma molécula de adhesión pueden clasificarse. En un cultivo celular las células que tengan la mayor adhesión se mueven hacia el centro de una mezcla de células agregadas.
Las moléculas responsables de la adherencia son llamadas moléculas de adhesión celular (CAM)s. Se conocen diversos tipos de moléculas de adhesión celular y una clase importante de estas moléculas son cadherinas. Hay docenas de diferentes cadherinas que se expresan en diferentes tipos celulares. Las cadherinas se unen a otras cadherinas de modo similar, de modo: E-cadherina (se encuentra en muchas células epiteliales) se une preferentemente a otras moléculas de E-cadherina. Mientras que las células mesenquimales suelen expresar otros tipos cadherina como la N-cadherina.
Experimento de Townes y Holtfreter
Los análisis modernos de morfogénesis comenzaron con Townes y Holtfreter en 1955. Aprovechando el descubrimiento de que los tejidos de anfibio llegan a disociarse en células individuales cuando son colocados en soluciones alcalinas, prepararon suspensiones celulares individuales de cada una de las tres capas germinales de los embriones de anfibio poco después que el tubo neural se había formado. Dos o más de estas suspensiones de células individuales fueron combinadas en varios sentidos. Cuando el pH de la solución estaba normalizado, las células se adherían entre sí, formando agregados sobre las placas de Petri cubiertas de agar. Utilizando embriones de rana y salamandras, Townes y Holtfreter pudieron seguir el comportamiento de las células recombinadas. Los resultados de sus experimentos fueron sorprendentes. Primero, encontraron que las células reagregadas llegaban a estar espacialmente segregadas. Es decir, los dos tipos celulares en lugar de continuar mezclados, se separaban cada uno de ellos en su propia región. De este modo, cuando las células ectodérmicas y las células mesodérmicas son reunidas para formar un agregado mezclado, las células ectodérmicas se mueven hacia el interior. En ningún caso las células recombinadas se mantienen mezcladas y en la mayoria de los casos, un tipo de tejido envuelve completamente a otro. Segundo, los investigadores encontraron que las posiciones finales de los reagregados celulares reflejan sus posiciones embrionarias. Las células mesodérmicas migran centralmente con respecto a la epidermis, adhiriéndose a la superficie epidérmica interna. En la configuración final, el ectodermo está en la periferia, el endodermo es interno y el mesodermo se localiza en la región entre ellos. Holtfreter interpretó este hallazgo en términos de afinidad selectiva.
Modelo termodinámico de Malcolm Steinberg
Malcolm Steinberg propuso en 1964 la hipótesis de la adhesión diferencial basada en principios termodinámicos. Consiste en diferencias en la afinidad celular y en como estas diferencias son responsables de su organización en estructuras superiores. Algunas células realizan lo que se conoce como “sorting out”, lo que quiere decir que las células interactuan i se agrupan creando clusters que maximizan su contacto, asimismo obtienen una menor energía libre intersuperficial y segregan otros tipos celulares. Esto quiere decir que se organizan en el patrón más estable termodinámicamente. Ahora sabemos que existen propiedades de adhesividad y otras repulsivas.
Moléculas de adhesión y repulsión
Uno de los ejemplos más claros es el sistema Eph-ephrin, un sistema de repulsión mediada por Eph-ephrin durante la formación de los compartimentos de los rombómeros. Eph es el receptor del sistema y Ephrin el ligando, una vez unidos se generan fuerzas de repulsión, mientras que si están separados las células se encuentran unidas.
Mediados por el citoesqueleto
Los cambios en la forma llevados a cabo por el citoesqueleto se deben gracias a las estructuras que lo forman, los filamentos de actina, los microtúbulos y los filamentos intermedios. Los micrafilamentos de actina son unos filamentos finos y flexibles formados por la polimerización de monómeros de actina. Estos microfilamentos se pueden contraer i relajar por la acción de la miosina para mover el mantenimiento o cambio de la forma celular y generar fuerzas. El movimiento se realiza encima de una matriz extracelular. Cuando la miosina se une al ATP se puede desplazar y unirse a monómeros de actina juntando los filamentos y reduciendo la célula. Se fosforila y contrae los filamentos de actina.
Asimismo existen señales externas que pueden regular el citoesqueleto a través de una familia de proteínas llamadas Rho-Rho, Rac y Cdc42. La activación de las Rho GTPasas permite la activación de la polimerización de la actina así como la fosforilación de la cadena ligera de miosina. Rho facilita la contracción de la actomiosina. Señales como fuerzas, presión o cambios en la adhesividad pueden activar Rho, el cual se activa por intregrinas i otros receptores. De esta manera el citoesqueleto recibe señales continuamente. Por ejemplo, un anillo de actomiosina se genera rápidamente cuando se debe cerrar una herida.
Mediados por la matriz extracelular
La matriz extracelular (ECM del inglés extracellular matrix) está involucrada con la separación de los tejidos, proporcionando un soporte estructural para que las células migren en ella. El colágeno, la laminina y la fibronectina son las principales moléculas ECM que son secretadas y ensambladas en láminas, fibras, y geles. Receptores transmembrana de multisubunidades llamados integrinas se utilizan para enlazar con el ECM. Las integrinas se unen extracelularmente a la fibronectina, laminina, u otros componentes de la ECM, e intracelularmente a microfilamentos de enlace de las proteínas α-actinina y talina que se encargan de enlazar el citoesqueleto con el exterior celular. Las integrinas también sirven como receptores para activar las cascadas de transducción de señales cuando se enlazan con la ECM. Un ejemplo bien estudiado de la morfogénesis que involucra a la ECM es la ramificación de los conductos en glándula mamaria.[1][2]
Migración celular
La migración celular puede darse de manera individual o colectiva. La migración colectiva consiste en que las células con las mismas propiedades migran a la vez.Hay dos tipos de células bien estudiadas que se clasifican células epiteliales y células mesenquimales.La habilidad de las células para realizar esto surge a raíz de la adhesión celular diferencial. Durante el desarrollo embrionario ocurren algunos eventos de diferenciación celular en los que las células mesenquimales se transforman en epiteliales y en otras ocasiones, y de manera inversa las células epiteliales se transforman en mesenquimales (ver Transición epitelio-mesénquima). Siguiendo la transición epitelial-mesenquimal, las células pueden migrar lejos del epitelio y luego asociarse con otras células similares en una nueva locación.
Un ejemplo de migración celular es el desarrollo de la cresta neural.
Véase también
- Biología del desarrollo
- Ontogenia
- Organogénesis
- Segmentación (biología)
- Teoría de las catástrofes
- Embriogenesis
- Reaccion-difusión
- Neurulación
- Gastrulación
- Embriogénesis en Drosophila
Referencias
- ↑ Fata JE, Werb Z, Bissell MJ (2004). «Regulation of mammary gland branching morphogenesis by the extracellular matrix and its remodeling enzymes». Breast Cancer Res. 6 (1): 1-11. PMC 314442. PMID 14680479. doi:10.1186/bcr634.
- ↑ Sternlicht MD (2006). «Key stages in mammary gland development: the cues that regulate ductal branching morphogenesis». Breast Cancer Res. 8 (1): 201. PMC 1413974. PMID 16524451. doi:10.1186/bcr1368.
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Morfogénesis.- Artificial Life model of multicellular morphogenesis with autonomously generated gradients for positional information
- Esta obra contiene una traducción derivada de «Morphogenesis» de Wikipedia en inglés, publicada por sus editores bajo la Licencia de documentación libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional.