Biología del desarrollo

La biología del desarrollo es el estudio del proceso por el cual los animales y las plantas crecen y se desarrollan. La biología del desarrollo también abarca la biología de la regeneración, la reproducción asexual, la metamorfosis y el crecimiento y diferenciación de células madre en el organismo adulto.

Perspectivas

Los principales procesos involucrados en el desarrollo embrionario de los animales son: el patrón de tejido (a través de la especificación regional y la diferenciación celular con patrón); crecimiento de tejido; y morfogénesis de tejidos.

• La especificación regional se refiere a los procesos que crean un patrón espacial en una bola o lámina de celdas inicialmente similares. Esto generalmente implica la acción de determinantes citoplasmáticos, ubicados dentro de partes del óvulo fertilizado, y de señales inductivas emitidas desde centros de señalización en el embrión. Las primeras etapas de especificación regional no generan células funcionales diferenciadas, sino poblaciones celulares comprometidas a desarrollarse en una región específica o parte del organismo. Estos se definen por la expresión de combinaciones específicas de factores de transcripción.
• La diferenciación celular se relaciona específicamente con la formación de tipos de células funcionales tales como nervios, músculos, epitelios secretores, etc. Las células diferenciadas contienen grandes cantidades de proteínas específicas asociadas con la función celular.
• La morfogénesis se relaciona con la formación de formas tridimensionales. Implica principalmente los movimientos orquestados de láminas celulares y de células individuales. La morfogénesis es importante para crear las tres capas germinales del embrión temprano (ectodermo, mesodermo y endodermo) y para construir estructuras complejas durante el desarrollo de órganos.
• El crecimiento del tejido implica tanto un aumento general en el tamaño del tejido como el crecimiento diferencial de partes (alometría) que contribuye a la morfogénesis. El crecimiento ocurre principalmente a través de la proliferación celular, pero también a través de cambios en el tamaño celular o la deposición de materiales extracelulares.

El desarrollo de las plantas implica procesos similares al de los animales. Sin embargo, las células vegetales son en su mayoría inmóviles, por lo que la morfogénesis se logra mediante un crecimiento diferencial, sin movimientos celulares. Además, las señales inductivas y los genes involucrados son diferentes de los que controlan el desarrollo animal.

Procesos de desarrollo

Diferenciación celular

La diferenciación celular es el proceso mediante el cual surgen diferentes tipos de células funcionales en el desarrollo. Por ejemplo, las neuronas, las fibras musculares y los hepatocitos (células del hígado) son tipos bien conocidos de células diferenciadas. Las células diferenciadas suelen producir grandes cantidades de unas pocas proteínas que son necesarias para su función específica y esto les da el aspecto característico que les permite reconocerlas al microscopio óptico. Los genes que codifican estas proteínas son muy activos. Por lo general, su estructura de cromatina es muy abierta, lo que permite el acceso de las enzimas de transcripción y los factores de transcripción específicos se unen a secuencias reguladoras en el ADN para activar la expresión génica.Por ejemplo, NeuroD es un factor de transcripción clave para la diferenciación neuronal, miogenina para la diferenciación muscular y HNF4 para la diferenciación de hepatocitos. La diferenciación celular suele ser la etapa final del desarrollo, precedida por varios estados de compromiso que no están visiblemente diferenciados. Un solo tejido, formado a partir de un solo tipo de célula progenitora o célula madre, a menudo consta de varios tipos de células diferenciadas. El control de su formación implica un proceso de inhibición lateral, basado en las propiedades de la vía de señalización de Notch. Por ejemplo, en la placa neural del embrión este sistema opera para generar una población de células precursoras neuronales en las que NeuroD está altamente expresado.

Regeneración

La regeneración indica la capacidad de regenerar una parte faltante. Esto es muy frecuente entre las plantas, que muestran un crecimiento continuo, y también entre los animales coloniales, como los hidroides y las ascidias. Pero el mayor interés de los biólogos del desarrollo se ha mostrado en la regeneración de partes en animales de vida libre. En particular, cuatro modelos han sido objeto de mucha investigación. Dos de estos tienen la capacidad de regenerar cuerpos completos: Hydra, que puede regenerar cualquier parte del pólipo a partir de un pequeño fragmento, y los gusanos planarias, que normalmente pueden regenerar tanto la cabeza como la cola. Ambos ejemplos tienen una renovación celular continua alimentada por células madre y, al menos en planaria, se ha demostrado que al menos algunas de las células madre son pluripotentes.Los otros dos modelos muestran solo la regeneración distal de los apéndices. Estos son los apéndices de los insectos, generalmente las patas de los insectos hemimetábolos como el grillo y las extremidades de los anfibios urodelos. Ahora se dispone de considerable información sobre la regeneración de las extremidades de los anfibios y se sabe que cada tipo de célula se regenera a sí mismo, excepto los tejidos conectivos donde existe una considerable interconversión entre el cartílago, la dermis y los tendones. En cuanto al patrón de estructuras, esto está controlado por una reactivación de señales activas en el embrión. Todavía hay debate sobre la vieja cuestión de si la regeneración es una propiedad "prístina" o "adaptativa".Si el primero es el caso, con un mejor conocimiento, podríamos esperar poder mejorar la capacidad regenerativa en humanos. En este último caso, se presume que cada instancia de regeneración ha surgido por selección natural en circunstancias particulares de la especie, por lo que no se esperarían reglas generales.

Desarrollo embrionario de los animales.

El esperma y el óvulo se fusionan en el proceso de fertilización para formar un óvulo fertilizado o cigoto. Este sufre un período de divisiones para formar una bola o lámina de células similares llamada blástula o blastodermo. Estas divisiones celulares suelen ser rápidas sin crecimiento, por lo que las células hijas tienen la mitad del tamaño de la célula madre y todo el embrión permanece aproximadamente del mismo tamaño. Se llaman divisiones de clivaje.

Las células germinales primordiales del epiblasto de ratón (consulte la Figura: “Las etapas iniciales de la embriogénesis humana”) se someten a una extensa reprogramación epigenética. Este proceso implica la desmetilación del ADN en todo el genoma, la reorganización de la cromatina y el borrado de la huella epigenética que conduce a la totipotencia. La desmetilación del ADN se lleva a cabo mediante un proceso que utiliza la vía de reparación por escisión de la base del ADN.

Los movimientos morfogenéticos convierten la masa celular en una estructura de tres capas que consta de láminas multicelulares llamadas ectodermo, mesodermo y endodermo. Estas hojas se conocen como capas germinales. Este es el proceso de gastrulación. Durante la escisión y la gastrulación ocurren los primeros eventos de especificación regional. Además de la formación de las propias tres capas germinales, éstas suelen generar estructuras extraembrionarias, como la placenta de los mamíferos, necesarias para el sostén y nutrición del embrión, y también establecen diferencias de compromiso a lo largo del eje anteroposterior (cabeza, tronco y cola).

La especificación regional se inicia por la presencia de determinantes citoplasmáticos en una parte del cigoto. Las células que contienen el determinante se convierten en un centro de señalización y emiten un factor inductor. Debido a que el factor inductor se produce en un lugar, se difunde y se descompone, forma un gradiente de concentración, alto cerca de las células fuente y bajo más lejos. Las células restantes del embrión, que no contienen el determinante, son competentes para responder a diferentes concentraciones mediante la regulación al alza de genes específicos de control del desarrollo. Esto da como resultado que se establezcan una serie de zonas, dispuestas a una distancia progresivamente mayor del centro de señalización. En cada zona se regula positivamente una combinación diferente de genes de control del desarrollo.Estos genes codifican factores de transcripción que regulan al alza nuevas combinaciones de actividad génica en cada región. Entre otras funciones, estos factores de transcripción controlan la expresión de genes que confieren propiedades adhesivas y de motilidad específicas a las células en las que son activos. Debido a estas diferentes propiedades morfogenéticas, las células de cada capa germinal se mueven para formar láminas de manera que el ectodermo termina en el exterior, el mesodermo en el medio y el endodermo en el interior. Los movimientos morfogenéticos no solo cambian la forma y la estructura del embrión, sino que al llevar las láminas celulares a nuevas relaciones espaciales, también posibilitan nuevas fases de señalización y respuesta entre ellas.

El crecimiento de los embriones es mayoritariamente autónomo. Para cada territorio de las células, la tasa de crecimiento está controlada por la combinación de genes que están activos. Los embriones de vida libre no crecen en masa ya que no tienen suministro externo de alimentos. Pero los embriones alimentados por una placenta o un suministro de yema extraembrionario pueden crecer muy rápido, y los cambios en la tasa de crecimiento relativo entre las partes de estos organismos ayudan a producir la anatomía general final.

Todo el proceso necesita ser coordinado en el tiempo y no se entiende cómo se controla. Puede haber un reloj maestro capaz de comunicarse con todas las partes del embrión que controla el curso de los acontecimientos, o el tiempo puede depender simplemente de las secuencias causales locales de los acontecimientos.

Metamorfosis

Los procesos de desarrollo son muy evidentes durante el proceso de metamorfosis. Esto ocurre en varios tipos de animales. Se ven ejemplos bien conocidos en las ranas, que generalmente nacen como un renacuajo y se metamorfosean en una rana adulta, y ciertos insectos que nacen como una larva y luego se remodelan a la forma adulta durante una etapa de pupa.

Todos los procesos de desarrollo enumerados anteriormente ocurren durante la metamorfosis. Los ejemplos que han sido especialmente bien estudiados incluyen la pérdida de la cola y otros cambios en el renacuajo de la rana Xenopus, y la biología de los discos imaginales, que generan las partes del cuerpo adulto de la mosca Drosophila melanogaster.

Desarrollo de plantas

El desarrollo de la planta es el proceso por el cual las estructuras se originan y maduran a medida que crece la planta. Se estudia en anatomía vegetal y fisiología vegetal, así como en morfología vegetal.

Las plantas producen constantemente nuevos tejidos y estructuras a lo largo de su vida a partir de meristemas ubicados en las puntas de los órganos o entre tejidos maduros. Así, una planta viva siempre tiene tejidos embrionarios. Por el contrario, un embrión animal producirá muy pronto todas las partes del cuerpo que tendrá en su vida. Cuando el animal nace (o sale del huevo), tiene todas las partes de su cuerpo y desde ese punto solo crecerá y madurará.

Las propiedades de organización vistas en una planta son propiedades emergentes que son más que la suma de las partes individuales. "El ensamblaje de estos tejidos y funciones en un organismo multicelular integrado produce no solo las características de las partes y procesos separados, sino también un conjunto bastante nuevo de características que no habrían sido predecibles sobre la base del examen de las partes separadas".

Crecimiento

Una planta vascular comienza a partir de un cigoto unicelular, formado por la fertilización de un óvulo por un espermatozoide. A partir de ese momento, comienza a dividirse para formar un embrión vegetal a través del proceso de embriogénesis. Mientras esto sucede, las células resultantes se organizarán de modo que un extremo se convierta en la primera raíz, mientras que el otro extremo formará la punta del brote. En las plantas con semillas, el embrión desarrollará una o más "hojas de semillas" (cotiledones). Al final de la embriogénesis, la planta joven tendrá todas las partes necesarias para comenzar su vida.

Una vez que el embrión germina de su semilla o planta madre, comienza a producir órganos adicionales (hojas, tallos y raíces) a través del proceso de organogénesis. Nuevas raíces crecen a partir de los meristemos de la raíz ubicados en la punta de la raíz, y nuevos tallos y hojas crecen a partir de los meristemos del brote ubicados en la punta del brote. La ramificación ocurre cuando pequeños grupos de células que deja el meristemo y que aún no han experimentado la diferenciación celular para formar un tejido especializado, comienzan a crecer como la punta de una nueva raíz o brote. El crecimiento de cualquier meristema en la punta de una raíz o brote se denomina crecimiento primario y da como resultado el alargamiento de esa raíz o brote. El crecimiento secundario da como resultado el ensanchamiento de una raíz o brote a partir de divisiones de células en un cambium.

Además del crecimiento por división celular, una planta puede crecer por elongación celular. Esto ocurre cuando las células individuales o los grupos de células crecen más. No todas las células vegetales crecerán a la misma longitud. Cuando las células de un lado de un tallo crecen más y más rápido que las células del otro lado, como resultado, el tallo se doblará hacia el lado de las células de crecimiento más lento. Este crecimiento direccional puede ocurrir a través de la respuesta de una planta a un estímulo particular, como la luz (fototropismo), la gravedad (gravitropismo), el agua (hidrotropismo) y el contacto físico (tigmotropismo).

El crecimiento y el desarrollo de las plantas están mediados por hormonas vegetales específicas y reguladores del crecimiento vegetal (PGR) (Ross et al. 1983). Los niveles de hormonas endógenas están influenciados por la edad de la planta, la resistencia al frío, la latencia y otras condiciones metabólicas; fotoperíodo, sequía, temperatura y otras condiciones ambientales externas; y fuentes exógenas de PGR, por ejemplo, aplicadas externamente y de origen rizosférico.

Variación morfológica

Las plantas exhiben una variación natural en su forma y estructura. Si bien todos los organismos varían de un individuo a otro, las plantas exhiben un tipo adicional de variación. Dentro de un solo individuo, se repiten partes que pueden diferir en forma y estructura de otras partes similares. Esta variación se ve más fácilmente en las hojas de una planta, aunque otros órganos como los tallos y las flores pueden mostrar una variación similar. Hay tres causas principales de esta variación: efectos posicionales, efectos ambientales y juventud.

Evolución de la morfología vegetal

Los factores de transcripción y las redes reguladoras transcripcionales juegan un papel clave en la morfogénesis de las plantas y su evolución. Durante el aterrizaje de la planta, surgieron muchas familias de factores de transcripción novedosos y se conectan preferentemente a las redes de desarrollo multicelular, reproducción y desarrollo de órganos, lo que contribuye a una morfogénesis más compleja de las plantas terrestres.

La mayoría de las plantas terrestres comparten un ancestro común, las algas multicelulares. Un ejemplo de la evolución de la morfología de las plantas se ve en los carófitos. Los estudios han demostrado que los carófitos tienen rasgos que son homólogos a las plantas terrestres. Hay dos teorías principales de la evolución de la morfología de las plantas, estas teorías son la teoría homóloga y la teoría antitética. La teoría comúnmente aceptada para la evolución de la morfología de las plantas es la teoría antitética. La teoría antitética establece que las múltiples divisiones mitóticas que tienen lugar antes de la meiosis, provocan el desarrollo del esporofito. Entonces el esporofito se desarrollará como un organismo independiente.

Organismos modelo de desarrollo

Gran parte de la investigación en biología del desarrollo en las últimas décadas se ha centrado en el uso de un pequeño número de organismos modelo. Ha resultado que hay mucha conservación de los mecanismos de desarrollo en todo el reino animal. En el desarrollo temprano, diferentes especies de vertebrados usan esencialmente las mismas señales inductivas y los mismos genes que codifican la identidad regional. Incluso los invertebrados usan un repertorio similar de señales y genes, aunque las partes del cuerpo formadas son significativamente diferentes. Cada organismo modelo tiene algunas ventajas experimentales particulares que les han permitido volverse populares entre los investigadores. En un sentido, son "modelos" para todo el reino animal y, en otro sentido, son "modelos" para el desarrollo humano, que es difícil de estudiar directamente por razones tanto éticas como prácticas. Los organismos modelo han sido muy útiles para dilucidar la amplia naturaleza de los mecanismos de desarrollo. Cuanto más se busca el detalle, más se diferencian entre sí y de los humanos.

Plantas

• Berro de Thale ( Arabidopsis thaliana )

Vertebrados

• Rana: Xenopus ( X. laevis y X. tropicalis ). Buen suministro de embriones. Especialmente indicado para microcirugía.
• Pez cebra: Danio rerio. Buen suministro de embriones. Genética bien desarrollada.
• Pollo: Gallus gallus. Las primeras etapas son similares a las de los mamíferos, pero la microcirugía es más fácil. Bajo costo.
• Ratón: Mus musculus. Un mamífero con una genética bien desarrollada.

Invertebrados

• Mosca de la fruta: Drosophila melanogaster. Buen suministro de embriones. Genética bien desarrollada.
• Nematodo: Caenorhabditis elegans. Buen suministro de embriones. Genética bien desarrollada. Bajo costo.

Unicelular

• Algas: Chlamydomonas
• Levadura: Saccharomyces

Otros

También han sido populares para algunos propósitos los erizos de mar y las ascidias. Para los estudios de regeneración se utilizan anfibios urodelos como el ajolote Ambystoma mexicanum, y también gusanos planarios como Schmidtea mediterranea. Los organoides también han demostrado ser un modelo eficiente para el desarrollo. El desarrollo de plantas se ha centrado en el berro thale Arabidopsis thaliana como organismo modelo.