16.15: Regulación de la expresión génica en el desarrollo celular - Establecimiento de ejes corporales durante el desarrollo

Objetivos de aprendizaje

• Resumir los mecanismos y tipos de células que establecen los ejes del cuerpo

Formación del eje vertebrado

Durante el desarrollo, a medida que se forman las capas germinales, la bola de células aún conserva su forma esférica. Sin embargo, los cuerpos de los animales tienen ejes lateral-medial (izquierda-derecha), dorsal-ventral (parte posterior del vientre) y anterior-posterior (cabeza-pies). ¿Cómo se establecen estos? En uno de los experimentos más seminales jamás realizados en biología del desarrollo, Spemann y Mangold tomaron células dorsales de un embrión y las trasplantaron a la región del vientre de otro embrión. Encontraron que el embrión trasplantado tenía ahora dos notocordes: uno en el sitio dorsal de las células originales y otro en el sitio trasplantado. Esto sugiere que las células dorsales se programaron genéticamente para formar la notocorda y definir el eje. Desde entonces, los investigadores han identificado muchos genes que son responsables de la formación del eje. Las mutaciones en estos genes conducen a la pérdida de simetría requerida para el desarrollo del organismo. Los cuerpos animales tienen simetría externamente visible. Sin embargo, los órganos internos no son simétricos. Por ejemplo, el corazón está del lado izquierdo y el hígado a la derecha. La formación del eje central izquierda-derecha es un proceso importante durante el desarrollo. Esta asimetría interna se establece muy temprano durante el desarrollo e involucra muchos genes. La investigación aún está en curso para comprender completamente las implicaciones de desarrollo de estos genes.

Figura\(\PageIndex{1}\): Formación del Eje de Vertebrados: Los cuerpos de los animales tienen tres ejes para simetría: lateral-medial (izquierda-derecha), dorsal-ventral (parte posterior del vientre) y anterior-posterior (cabeza-pies).

Tubo neural

En el cordado en desarrollo (incluidos los vertebrados), el tubo neural es el precursor del embrión del sistema nervioso central, que comprende el cerebro y la médula espinal. El surco neural se profundiza gradualmente a medida que los pliegues neuronales se elevan, y finalmente los pliegues se encuentran y se unen en la línea media y convierten el surco en un tubo cerrado, el tubo neural o canal neural, cuya pared ectodérmica forma el rudimento del sistema nervioso.

Figura\(\PageIndex{1}\): Tubo Neural: Sección transversal de la mitad de un embrión de pollo de cuarenta y cinco horas de incubación. La superficie dorsal (posterior) del embrión está hacia la parte superior de esta página, mientras que la superficie ventral (frontal) está hacia la parte inferior. (El tubo neural está en verde).

Neurulación primaria y secundaria

El tubo neural se desarrolla de dos maneras: neurulación primaria y neurulación secundaria. La neurulación primaria divide el ectodermo en tres tipos celulares: el tubo neural localizado internamente, la epidermis ubicada externamente y las células de la cresta neural, que se desarrollan en la región entre el tubo neural y la epidermis, pero luego migran a nuevas ubicaciones. La neurulación primaria comienza después de que se forma la placa neural. Los bordes de la placa neural comienzan a engrosarse y elevarse hacia arriba, formando los pliegues neurales. El centro de la placa neural permanece conectado a tierra, permitiendo que se forme un surco neural en forma de U. Este surco neural establece el límite entre los lados derecho e izquierdo del embrión. Los pliegues neuronales se pellizcan hacia la línea media del embrión y se fusionan para formar el tubo neural. En la neurulación secundaria, las células de la placa neural forman una estructura tipo cordón que migra al interior del embrión y se ahueca para formar el tubo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Formación del Tubo Neural: La región central del ectodermo forma el tubo neural, que da lugar al cerebro y a la médula espinal.

Cada organismo utiliza la neurulación primaria y secundaria en diversos grados. La neurulación en peces procede únicamente a través de la forma secundaria. En las especies aviares las regiones posteriores del tubo se desarrollan mediante neurulación secundaria y las regiones anteriores se desarrollan por neurulación primaria. En los mamíferos, la neurulación secundaria comienza alrededor del somita 35. Los tubos neuronales de mamíferos se cierran en la cabeza en el orden opuesto al que cierran en el tronco. En la cabeza, las células de la cresta neural migran, el tubo neural se cierra y el ectodermo suprayacente se cierra. En el tronco, el ectodermo suprayacente se cierra, el tubo neural se cierra y las células de la cresta neural migran.

Subdivisiones del tubo neural

Cuatro subdivisiones del tubo neural eventualmente se convierten en distintas regiones del sistema nervioso central por la división de las células neuroepiteliales: la prosencefalia, el mesencéfalo, la romboencefalia y la médula espinal. La prosencefalia continúa desarrollándose en el telencéfalo (el prosencéfalo o cerebro) y el diencéfalo (las vesículas ópticas y el hipotálamo). El mesencéfalo se desarrolla en el mesencéfalo. El rombencéfalo se desarrolla en el metencéfalo (los pones y el cerebelo) y el mielencéfalo (el raquídeo medular).

Por poco tiempo, el tubo neural está abierto tanto cranealmente como caudalmente. Estas aberturas, llamadas neuroporas, cierran durante la cuarta semana en el ser humano. El cierre inadecuado de los neuroporos puede resultar en defectos del tubo neural como anencefalia o espina bífida. La parte dorsal del tubo neural contiene la placa alar, la cual se asocia principalmente con la sensación. La parte ventral del tubo neural contiene la placa basal, la cual se asocia principalmente con el control motor (es decir, muscular).

Moléculas de señalización y otros factores

Los patrones del tubo neural a lo largo del eje dorsal-ventral establecen compartimentos definidos de células progenitoras neurales que conducen a distintas clases de neuronas. Este patrón ocurre temprano en el desarrollo y resulta de la actividad de varias moléculas de señalización secretadas. Sonic hedgehog (Shh) es un jugador clave en el patrón del eje ventral, mientras que las proteínas morfogénicas óseas (Bmp) y los miembros de la familia Wnt juegan un papel importante en el patrón del eje dorsal. Otros factores que han demostrado proporcionar información posicional a las células progenitoras neurales incluyen los factores de crecimiento de fibroblastos (FGF) y el ácido retinoico. Se requiere ácido retinoico ventralmente junto con Shh para inducir Pax6 y Olig2 durante la diferenciación de neuronas motoras. Durante el desarrollo temprano del tubo neural se establecen tres tipos principales de células ventrales: las células de la placa del suelo, que se forman en la línea media ventral durante la etapa de pliegue neural; así como las neuronas motoras e interneuronas localizadas más dorsalmente. Estos tipos de células se especifican por la secreción de Shh desde la notocorda (localizada ventralmente al tubo neural), y posteriormente desde las células de la placa del piso. Shh actúa como un morfógeno, lo que significa que actúa de una manera dependiente de la concentración para especificar los tipos de células a medida que se mueve más lejos de su fuente. Las diferentes combinaciones de expresión de factores de transcripción a lo largo del eje dorsal-ventral del tubo neural son responsables de crear la identidad de las células progenitoras neuronales.

Puntos Clave

• Los tres ejes del cuerpo animal se establecen en desarrollo a través de la expresión de conjuntos específicos de genes que regulan qué células se desarrollarán en estructuras específicas.
• Durante el desarrollo, las células dorsales se programan genéticamente para convertirse en la notocorda y definir el eje.
• El tubo neural puede desarrollarse de dos maneras: neurulación primaria o secundaria, las cuales son utilizadas por los organismos en diversos grados para establecer el tubo neural que se desarrollará en el sistema nervioso central (cerebro y médula espinal).
• Los patrones específicos a lo largo del tubo neural que se establecen a través de la secreción y producción de moléculas de señalización específicas (como Wnt, Shh, BMP y ácido retinoico) juegan un papel clave en el patrón de los ejes dorsal y ventral.

Términos Clave

• tubo neural: tubo dorsal longitudinal hueco formado en el plegamiento y posterior fusión de los pliegues ectodérmicos opuestos en el embrión que da lugar al cerebro y la médula espinal
• neurulación: el proceso por el cual se forman los inicios del sistema nervioso vertebrado en embriones
• anencefalia: un defecto de nacimiento letal en el que faltan la mayor parte del cerebro y partes del cráneo; ausencia del encéfalo
• notocordio: una estructura flexible en forma de varilla que forma el soporte principal del cuerpo en los cordados más bajos; una columna primitiva