Gastrulación

Gastrulación es la etapa en el desarrollo embrionario temprano de la mayoría de los animales, durante la cual la blástula (una esfera hueca de células de una sola capa) o, en los mamíferos, el blastocisto se reorganiza en una estructura multicapa conocida como como la gástrula. Antes de la gastrulación, el embrión es una hoja epitelial continua de células; al final de la gastrulación, el embrión ha comenzado a diferenciarse para establecer distintos linajes celulares, establecer los ejes básicos del cuerpo (por ejemplo, dorsal-ventral, anterior-posterior) e internalizar uno o más tipos de células, incluido el intestino prospectivo.

En los organismos triploblásticos, la gástrula es trilaminar (de tres capas). Estas tres capas germinales son el ectodermo (capa externa), el mesodermo (capa intermedia) y el endodermo (capa interna). En organismos diploblásticos, como Cnidaria y Ctenophora, la gástrula tiene solo ectodermo y endodermo. Las dos capas también se denominan a veces hipoblasto y epiblasto. Las esponjas no pasan por la etapa de gástrula, por lo que son basales entre todos los animales.

La gastrulación tiene lugar después de la escisión y la formación de la blástula o blastocisto. A la gastrulación le sigue la organogénesis, cuando se desarrollan órganos individuales dentro de las capas germinales recién formadas. Cada capa da origen a tejidos y órganos específicos en el embrión en desarrollo.

• El ectodermo da lugar a la epidermis, el sistema nervioso, y a la cresta neural en los vertebrados.
• El endodermo da lugar al epitelio del sistema digestivo y el sistema respiratorio, y los órganos asociados con el sistema digestivo, como el hígado y el páncreas.
• El mesodermo da lugar a muchos tipos de células como músculo, hueso y tejido conectivo. En los vertebrados, los derivados del mesodermo incluyen el notochord, el corazón, la sangre y los vasos sanguíneos, el cartílago de las costillas y las vértebras y la dermis.

Después de la gastrulación, las células del cuerpo se organizan en láminas de células conectadas (como en el epitelio) o como una malla de células aisladas, como el mesénquima.

Aunque los patrones de gastrulación exhiben una enorme variación en todo el reino animal, están unificados por los cinco tipos básicos de movimientos celulares que ocurren durante la gastrulación:

1. Invagination
2. Involution
3. Ingresos
4. Delamination
5. Epiboly

Los términos "gástrula" y "gastrulación" fueron acuñados por Ernst Haeckel, en su obra de 1872 "Biología de las esponjas calcáreas". A Lewis Wolpert, biólogo del desarrollo pionero en el campo, se le atribuye el mérito de señalar que "no es el nacimiento, el matrimonio o la muerte, sino la gastrulación, que es verdaderamente el momento más importante de su vida".

Sistemas modelo

La gastrulación es muy variable en todo el reino animal, pero tiene similitudes subyacentes. La gastrulación se ha estudiado en muchos animales, pero algunos modelos se han utilizado durante más tiempo que otros. Además, es más fácil estudiar el desarrollo en animales que se desarrollan fuera de la madre. Los organismos modelo cuya gastrulación se comprende con mayor detalle incluyen el molusco, el erizo de mar, la rana y el pollo. Un sistema modelo humano es el gastruloide.

Protostomas vs deuterostomas

La distinción entre protostomas y deuterostomas se basa en la dirección en la que se desarrolla la boca (estoma) en relación con el blastoporo. Protostome deriva de la palabra griega protostoma que significa "primera boca" (πρῶτος + στόμα) mientras que la etimología de Deuterostome es "segunda boca" de las palabras segundo y boca (δεύτερος + στόμα).

Las principales distinciones entre deuterostomes y protostomes se encuentran en el desarrollo embrionario:

• Mouth/anus
  • En el desarrollo protostómico, la primera apertura en el desarrollo, el blastopore, se convierte en la boca del animal.
  • En el desarrollo deuterostome, el blastopore se convierte en el ano del animal.
• Cleavage
  • Los átomos tienen lo que se conoce como espiral que es determinación, lo que significa que el destino de las células se determina como se forman.
  • Deuterostomes tienen lo que se conoce como radial cleavage eso es indeterminado.

Erizos de mar

Los erizos de mar han sido organismos modelo importantes en la biología del desarrollo desde el siglo XIX. Su gastrulación a menudo se considera el arquetipo de los deuterostomas de invertebrados. Se han utilizado experimentos junto con simulaciones por computadora para obtener conocimiento sobre la gastrulación en el erizo de mar. Simulaciones recientes encontraron que la polaridad de las células planas es suficiente para impulsar la gastrulación del erizo de mar.

Determinación de la capa germinal

Los erizos de mar exhiben patrones de división y destinos celulares altamente estereotipados. Los ARNm depositados por la madre establecen el centro organizador del embrión de erizo de mar. La señalización canónica de Wnt y Delta-Notch segrega progresivamente el endodermo y el mesodermo progresivos.

Internalización celular

En los erizos de mar, las primeras células en internalizarse son las células mesenquimáticas primarias (PMC), que tienen un destino esquelético, que ingresan durante la etapa de blástula. La gastrulación, la internalización del endodermo prospectivo y el mesodermo no esqueletógeno, comienza poco después con la invaginación y otros reordenamientos celulares del polo vegetal, que contribuyen aproximadamente en un 30% a la longitud final del arquenterón. La longitud final del intestino depende de los reordenamientos celulares dentro del archenteron.

Anfibios

El género de ranas Xenopus se ha utilizado como organismo modelo para el estudio de la gastrulación.

Romper la simetría

El esperma aporta uno de los dos ásteres mitóticos necesarios para completar la primera escisión. El esperma puede entrar en cualquier parte de la mitad animal del óvulo, pero su punto exacto de entrada romperá la simetría radial del óvulo al organizar el citoesqueleto. Antes de la primera escisión, la corteza del óvulo gira en relación con el citoplasma interno por la acción coordinada de los microtúbulos, en un proceso conocido como rotación cortical. Este desplazamiento pone en contacto los determinantes del destino celular cargados maternalmente desde el citoplasma ecuatorial y la corteza vegetal, y juntos estos determinantes configuran el organizador. Así, el área del lado vegetal opuesto al punto de entrada de los espermatozoides se convertirá en el organizador. Hilde Mangold, trabajando en el laboratorio de Hans Spemann, demostró que este "organizador" del embrión es necesario y suficiente para inducir la gastrulación.

Determinación de la capa germinal

La especificación del endodermo depende del reordenamiento de los determinantes depositados por la madre, lo que conduce a la nuclearización de la beta-catenina. El mesodermo se induce mediante la señalización del presunto endodermo a las células que, de lo contrario, se convertirían en ectodermo.

Internalización celular

El labio dorsal del blastoporo es el impulsor mecánico de la gastrulación. El primer signo de invaginación que se observa en la rana es el labio dorsal.

Señalización celular

En la rana, Xenopus, una de las señales es el ácido retinoico (AR). La señalización de la AR en este organismo puede afectar la formación del endodermo y, según el momento de la señalización, puede determinar el destino, ya sea pancreático, intestinal o respiratorio. Otras señales, como Wnt y BMP, también desempeñan un papel en el destino respiratorio del Xenopus al activar los marcadores de linaje celular.

Amniotas

Resumen

En los amniotas (reptiles, aves y mamíferos), la gastrulación implica la creación del blastoporo, una abertura en el archenteron. Tenga en cuenta que el blastoporo no es una abertura en el blastocele, el espacio dentro de la blástula, sino que representa una nueva bolsa que empuja las superficies existentes de la blástula para unirlas. En los amniotas, la gastrulación ocurre en la siguiente secuencia: (1) el embrión se vuelve asimétrico; (2) las formas de estrías primitivas; (3) las células del epiblasto en la línea primitiva experimentan una transición epitelial a mesenquimatosa y entran en la línea primitiva para formar las capas germinales.

Romper la simetría

En preparación para la gastrulación, el embrión debe volverse asimétrico tanto en el eje proximal-distal como en el eje anteroposterior. El eje proximal-distal se forma cuando las células del embrión forman el “huevo cilíndrico”, que consiste en los tejidos extraembrionarios, que dan origen a estructuras como la placenta, en el extremo proximal y el epiblasto en el extremo distal. Muchas vías de señalización contribuyen a esta reorganización, incluidas BMP, FGF, nodal y Wnt. El endodermo visceral rodea al epiblasto. El endodermo visceral distal (DVE) migra a la porción anterior del embrión, formando el endodermo visceral anterior (AVE). Esto rompe la simetría anterior-posterior y está regulado por señalización nodal.

Transición epitelial-mesenquimal – la pérdida de adherencia celular conduce a la constricción y extrusión de células mesenquimales recién formadas.

Determinación de la capa germinal

La estría primitiva se forma al comienzo de la gastrulación y se encuentra en la unión entre el tejido extraembrionario y el epiblasto en el lado posterior del embrión y el sitio de ingreso. La formación de la racha primitiva depende de la señalización nodal en la hoz de Koller dentro de las células que contribuyen a la racha primitiva y la señalización de BMP4 del tejido extraembrionario. Además, Cer1 y Lefty1 restringen la racha primitiva a la ubicación adecuada al antagonizar la señalización nodal. La región definida como la línea primitiva continúa creciendo hacia la punta distal.

Durante las primeras etapas de desarrollo, la estría primitiva es la estructura que establecerá la simetría bilateral, determinará el sitio de la gastrulación e iniciará la formación de la capa germinal. Para formar la línea, los reptiles, las aves y los mamíferos disponen las células mesenquimales a lo largo de la línea media prospectiva, estableciendo el primer eje embrionario, así como el lugar donde las células ingresarán y migrarán durante el proceso de gastrulación y formación de la capa germinal. La línea primitiva se extiende a través de esta línea media y crea el eje anteroposterior del cuerpo, convirtiéndose en el primer evento de ruptura de simetría en el embrión y marca el comienzo de la gastrulación. Este proceso implica la entrada de progenitores de mesodermo y endodermo y su migración a su posición final, donde se diferenciarán en las tres capas germinales. La localización de la molécula de señalización y adhesión celular beta-catenina es fundamental para la formación adecuada de la región organizadora que es responsable de iniciar la gastrulación.

Internalización celular

Para que las células se muevan desde el epitelio del epiblasto a través de la línea primitiva para formar una nueva capa, las células deben pasar por una transición epitelial a mesenquimatosa (EMT) para perder sus características epiteliales, como la adhesión célula-célula.. La señalización de FGF es necesaria para la EMT adecuada. FGFR1 es necesario para la regulación positiva de SNAI1, que regula negativamente la E-cadherina, lo que provoca una pérdida de adhesión celular. Después de la EMT, las células ingresan a través de la racha primitiva y se dispersan para formar una nueva capa de células o unirse a las capas existentes. FGF8 está implicado en el proceso de esta dispersión de la línea primitiva.

Señalización celular

Hay ciertas señales que juegan un papel en la determinación y formación de las tres capas germinales, como FGF, RA y Wnt. En mamíferos como los ratones, la señalización de la AR puede desempeñar un papel en la formación de pulmones. Si no hay suficiente RA, habrá un error en la producción de pulmón. RA también regula la competencia respiratoria en este modelo de ratón.

Señalización celular que impulsa la gastrulación

Durante la gastrulación, las células se diferencian en ectodermo o mesendodermo, que luego se separa en mesodermo y endodermo. El endodermo y el mesodermo se forman debido a la señalización nodal. La señalización nodal utiliza ligandos que forman parte de la familia TGFβ. Estos ligandos señalarán a los receptores transmembrana de serina/treonina quinasa, y esto luego fosforilará Smad2 y Smad3. Esta proteína luego se unirá a Smad4 y se trasladará al núcleo donde los genes del mesendodermo comenzarán a transcribirse. La vía Wnt junto con la β-catenina juega un papel clave en la señalización nodal y la formación del endodermo. Los factores de crecimiento de fibroblastos (FGF), la vía Wnt canónica, la proteína morfogenética ósea (BMP) y el ácido retinoico (RA) son todos importantes en la formación y desarrollo del endodermo. Los FGF son importantes en la producción del gen homeobox que regula el desarrollo anatómico temprano. La señalización de BMP juega un papel en el hígado y promueve el destino hepático. La señalización de RA también induce genes homeobox como Hoxb1 y Hoxa5. En ratones, si hay una falta de señalización de AR, el ratón no desarrollará pulmones. La señalización de AR también tiene múltiples usos en la formación de órganos de los arcos faríngeos, el intestino anterior y el intestino posterior.

Gastrulación in vitro

Ha habido una serie de intentos de comprender los procesos de gastrulación utilizando técnicas in vitro en paralelo y complementarias a los estudios en embriones, generalmente mediante el uso de cultivos de células 2D y 3D (organoides embrionarios). técnicas que utilizan células madre embrionarias (ESC) o células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Estos están asociados con una serie de claras ventajas en el uso de protocolos basados en cultivo de tejidos, algunos de los cuales incluyen la reducción del costo del trabajo asociado in vivo (reduciendo, reemplazando y refinando así el uso de animales en experimentos; el 3Rs), siendo capaz de aplicar con precisión agonistas/antagonistas de manera espacial y temporal específica que puede ser técnicamente difícil de realizar durante la gastrulación. Sin embargo, es importante relacionar las observaciones en cultivo con los procesos que ocurren en el embrión por contexto.

Para ilustrar esto, la diferenciación guiada de ESC de ratón ha resultado en la generación de células primitivas en forma de estrías que muestran muchas de las características de las células del epiblasto que atraviesan la estría primitiva (p. transición epitelial a mesenquimatosa), y las ESC humanas cultivadas en micropatrones, tratadas con BMP4, pueden generar un patrón de diferenciación espacial similar a la disposición de las capas germinales en el embrión humano. Finalmente, utilizando técnicas basadas en organoides y cuerpos embrioides en 3D, pequeños agregados de ESC de ratón (organoides embrionarios o gastruloides) pueden mostrar una serie de procesos del desarrollo temprano de embriones de mamíferos, como ruptura de simetría, polarización de la expresión génica, gastrulación. -como movimientos, elongación axial y la generación de los tres ejes embrionarios (ejes anteroposterior, dorsoventral e izquierda-derecha).

La fecundación vitro se produce en un laboratorio. El proceso de fecundación vitro es cuando los óvulos maduros se extraen de los ovarios y se colocan en un medio de cultivo donde son fecundados por los espermatozoides. En el cultivo se formará el embrión. 14 días después de la fecundación se forma la línea primitiva. La formación de la racha primitiva ha sido conocida en algunos países como “individualidad humana”." Esto significa que el embrión es ahora un ser en sí mismo, es su propia entidad. Los países que creen esto han creado una regla de 14 días en la que es ilegal estudiar o experimentar con un embrión humano después del período de 14 días in vitro. Se han realizado investigaciones sobre los primeros 14 días de un embrión, pero no se han realizado estudios conocidos después de los 14 días. Con la regla en vigor, los embriones de ratones se utilizan para comprender el desarrollo después de 14 días; sin embargo, existen diferencias en el desarrollo entre ratones y humanos.