Dentro del campo de la biología del desarrollo , uno de los objetivos es comprender cómo una célula en particular se convierte en un tipo de célula final, lo que se conoce como determinación del destino. Dentro de un embrión, se desarrollan varios procesos a nivel celular y tisular para crear un organismo. Estos procesos incluyen la proliferación celular , diferenciación , movimiento celular [1] y muerte celular programada. [2] [3] Cada célula de un embrión recibe señales moleculares de las células vecinas en forma de proteínas, ARN e incluso interacciones de superficie. Casi todos los animales experimentan una secuencia similar de eventos durante el desarrollo muy temprano, un proceso conservado conocido como embriogénesis . [4]Durante la embriogénesis, las células existen en tres capas germinales y se someten a gastrulación . Si bien la embriogénesis se ha estudiado durante más de un siglo, solo recientemente (los últimos 25 años aproximadamente) los científicos descubrieron que un conjunto básico de las mismas proteínas y ARNm están involucrados en la embriogénesis . La conservación evolutiva es una de las razones por las que los sistemas modelo como la mosca ( Drosophila melanogaster ), el ratón ( Mus musculus ) y otros organismos se utilizan como modelos para estudiar la embriogénesis y la biología del desarrollo. El estudio de organismos modelo proporciona información relevante para otros animales, incluidos los humanos. Al estudiar los diferentes sistemas modelo, se descubrió que el destino de las células se determina de varias formas, dos de las cuales son por la combinación de factores de transcripción que tienen las células y por la interacción célula-célula. [5] Los mecanismos de determinación del destino de las células se clasificaron en tres tipos diferentes, células especificadas de forma autónoma, células especificadas condicionalmente o células especificadas sincitiales. Además, el destino de las células se determinó principalmente mediante dos tipos de experimentos, ablación celular y trasplante. [6] Los resultados obtenidos de estos experimentos ayudaron a identificar el destino de las células examinadas.
Destino celular
El desarrollo de nuevas herramientas moleculares, incluida la GFP , y los principales avances en la tecnología de imágenes, incluida la microscopía de fluorescencia , han hecho posible el mapeo del linaje celular de Caenorhabditis elegans, incluido su embrión . [7] [8] Esta técnica de mapeo del destino se utiliza para estudiar las células a medida que se diferencian y obtienen una función específica. La simple observación de una célula a medida que se diferencia durante la embriogénesis no proporciona ninguna indicación de los mecanismos que impulsan la especificación. El uso de técnicas moleculares, incluidas la eliminación de genes y proteínas, la eliminación y la sobreexpresión permite investigar los mecanismos de determinación del destino. [9] [10] [11] [12] [13] Las mejoras en herramientas de imágenes incluidos en vivo microscopía confocal y súper resolución microscopía [14] permitir la visualización de cambios moleculares en las células experimentalmente manipulados en comparación con los controles. Los experimentos de trasplante también se pueden utilizar junto con la manipulación genética y el rastreo del linaje. Las técnicas más nuevas de determinación del destino celular incluyen el rastreo del linaje realizado con ratones transgénicos Cre-lox inducables , donde las poblaciones de células específicas se pueden mapear experimentalmente usando reporteros como brainbow , un reportero colorido que es útil en el cerebro y otros tejidos para seguir la ruta de diferenciación de una célula. . [15]
Durante la embriogénesis, para una serie de escisiones celulares (el número específico depende del tipo de organismo), todas las células de un embrión serán morfológica y evolutivamente equivalentes. Esto significa que cada celda tiene el mismo potencial de desarrollo y todas las celdas son esencialmente intercambiables, estableciendo así un grupo de equivalencia . La equivalencia de desarrollo de estas células generalmente se establece mediante experimentos de trasplante y ablación celular. A medida que los embriones maduran, se produce una determinación del destino más compleja a medida que aparecen las estructuras y las células se diferencian, comenzando a realizar funciones específicas. En condiciones normales, una vez que las células tienen un destino específico y han experimentado una diferenciación celular , generalmente no pueden volver a estados menos específicos; sin embargo, una nueva investigación indica que la desdiferenciación es posible bajo ciertas condiciones, incluida la cicatrización de heridas y el cáncer. [16] [17]
La determinación de una celda a un destino particular se puede dividir en dos estados en los que la celda se puede especificar (comprometer) o determinar . En el estado de cometido o especificado, el tipo de célula aún no está determinado y cualquier sesgo que la célula tenga hacia un destino determinado puede revertirse o transformarse en otro destino. Si una celda se encuentra en un estado determinado , el destino de la celda no se puede revertir ni transformar. En general, esto significa que una célula determinada a diferenciarse en una célula cerebral no puede transformarse en una célula de la piel. A la determinación le sigue la diferenciación, los cambios reales en la bioquímica, la estructura y la función que dan como resultado tipos de células específicos. La diferenciación a menudo implica un cambio tanto en la apariencia como en la función.
Modos de especificación
Hay tres formas generales en que una célula puede especificarse para un destino en particular; son especificación autónoma , especificación condicional y especificación sincitial . [18]
Especificación autónoma
Este tipo de especificación resulta de las propiedades intrínsecas de la célula; da lugar al desarrollo del mosaico. Las propiedades intrínsecas de la célula surgen de una escisión de una célula con determinantes citoplasmáticos maternos expresados asimétricamente (proteínas, pequeños ARN reguladores y ARNm). Por tanto, el destino de la célula depende de factores secretados en su citoplasma durante la escisión. La especificación autónoma fue demostrada en 1887 por un estudiante de medicina francés, Laurent Chabry, trabajando en embriones tunicados. [19] [20] Esta división celular asimétrica por lo general ocurre temprano en la embriogénesis.
La retroalimentación positiva puede crear asimetría a partir de la homogeneidad. En los casos en los que los estímulos externos o que causarían la asimetría son muy débiles o desorganizados, a través de la retroalimentación positiva el sistema puede modelarse espontáneamente. Una vez que ha comenzado la retroalimentación, cualquier pequeña señalización inicial se magnifica y, por lo tanto, se produce un mecanismo de modelado eficaz. [21] Esto es normalmente lo que ocurre en el caso de la inhibición lateral en la que las células vecinas inducen la especificación a través de señales inhibidoras o inductoras (ver Señalización Notch ). Este tipo de retroalimentación positiva a nivel de una sola célula y de tejido es responsable de la ruptura de la simetría , que es un proceso de todo o nada, mientras que una vez que se rompe la simetría, las células involucradas se vuelven muy diferentes. La ruptura de la simetría conduce a un sistema biestable o multiestable donde la célula o células involucradas se determinan para diferentes destinos celulares. Las células determinadas continúan con su destino particular incluso después de que la señal estimulante / inhibidora inicial desaparece, dando a las células un recuerdo de la señal. [21]
Los resultados específicos de la ablación y el aislamiento celular que destacan las células especificadas de forma autónoma son los siguientes. Si se produjo la ablación de un tejido de una determinada célula, a la célula le faltará una parte. Como resultado, el tejido extraído se especificó de forma autónoma ya que la célula no pudo compensar la parte faltante [18] [19] [22] . Además, si se aislaran células específicas en una placa de Petri de toda la estructura, estas células seguirían formando la estructura o tejido que iban a formar inicialmente. [18] [19] [22] En otras palabras, la señalización para formar un tejido específico está dentro del tejido y no proviene de un órgano o sistema central.
Especificación condicional
En contraste con la especificación autónoma, este tipo de especificación es un proceso extrínseco de células que se basa en señales e interacciones entre células o en gradientes de concentración de morfógenos . Las interacciones inductivas entre células vecinas es el modo más común de modelado de tejidos. En este mecanismo, una o dos células de un grupo de células con el mismo potencial de desarrollo se exponen a una señal ( morfógeno ) de fuera del grupo. Solo las células expuestas a la señal son inducidas a seguir una ruta de desarrollo diferente, dejando sin cambios al resto del grupo de equivalencia . Otro mecanismo que determina el destino de la célula es la determinación regional (ver Especificación regional ). Como lo implica el nombre, esta especificación se produce según el lugar dentro del embrión que se coloca la célula, también se conoce como valor posicional. [23] Esto se observó por primera vez cuando el mesodermo se tomó de la posible región del muslo de un embrión de pollo, se injertó en la región del ala y no se transformó en tejido del ala, sino en tejido del dedo del pie. [24]
En las celdas especificadas condicionalmente, la celda designada requiere la señalización de una celda exterior. Por lo tanto, si el tejido fue extirpado, la célula podrá regenerarse o enviar señales para reformar el tejido inicialmente extirpado. [18] [19] [22] Además, si, por ejemplo, se extrajo un tejido del abdomen y se trasplantó en la espalda, el nuevo tejido en formación será un tejido de la espalda. [18] [19] [22] Este resultado se observa porque las células y los tejidos circundantes influyen en la célula recién formada.
Especificación sincitial
Este tipo de especificación es un híbrido de lo autónomo y condicional que ocurre en los insectos. Este método implica la acción de gradientes de morfógeno dentro del sincitio . Como no hay límites celulares en el sincitio, estos morfógenos pueden influir en los núcleos de manera dependiente de la concentración. Se descubrió que la celularización del blastodermo tuvo lugar durante o antes de las especificaciones de las regiones corporales. [25] Además, una célula podría contener más de un núcleo debido a la fusión de múltiples células no nucleares. Como resultado, la división variable de las células hará que las células sean difíciles de comprometer o determinar con el destino de una célula. [22] Al final de la celularización, las células especificadas de forma autónoma se distinguen de las especificadas condicionalmente una vez.
Ver también
Embriogénesis vegetal , ver Lau S et al. , Comunicación célula-célula en la embriogénesis temprana de Arabidopsis. Eur J Cell Biol 2010, 89: 225-230. [26]
Para una buena revisión de la parte de la historia de la señalización y el desarrollo de morfógenos, consulte Briscoe J, Making a grade: Sonic Hedgehog signaling and the control of neural cell fate. [27]
En biología de sistemas, se predice que la determinación del destino celular exhibe ciertas dinámicas, como la convergencia del atractor (el atractor puede ser un punto de equilibrio, un ciclo límite o un atractor extraño ) u oscilatorio. [28]
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