Morfogénesis

Morfogénesis (del griego morphê forma y génesis creación, literalmente "la generación de la forma") es la proceso biológico que hace que una célula, tejido u organismo desarrolle su forma. Es uno de los tres aspectos fundamentales de la biología del desarrollo junto con el control del crecimiento de tejidos y el patrón de diferenciación celular.

El proceso controla la distribución espacial organizada de las células durante el desarrollo embrionario de un organismo. La morfogénesis también puede tener lugar en un organismo maduro, como en el mantenimiento normal del tejido por parte de las células madre o en la regeneración de los tejidos después del daño. El cáncer es un ejemplo de morfogénesis tisular altamente anormal y patológica. La morfogénesis también describe el desarrollo de formas de vida unicelulares que no tienen una etapa embrionaria en su ciclo de vida. La morfogénesis es esencial para la evolución de nuevas formas.

La morfogénesis es un proceso mecánico que involucra fuerzas que generan tensión mecánica, tensión y movimiento de las células, y puede ser inducida por programas genéticos de acuerdo con el patrón espacial de las células dentro de los tejidos. La morfogénesis anormal se llama dismorfogénesis.

Historia

Algunas de las primeras ideas y descripciones matemáticas sobre cómo los procesos físicos y las restricciones afectan el crecimiento biológico y, por lo tanto, los patrones naturales como las espirales de la filotaxis, fueron escritas por D'Arcy Wentworth Thompson en su libro de 1917 On Growth and Form y Alan Turing en su The Chemical Basis of Morphogenesis (1952). Mientras que Thompson explicó que las formas del cuerpo de los animales se crean mediante tasas variables de crecimiento en diferentes direcciones, por ejemplo, para crear la concha espiral de un caracol, Turing predijo correctamente un mecanismo de morfogénesis, la difusión de dos señales químicas diferentes, una activadora y otra desactivante. crecimiento, para establecer patrones de desarrollo, décadas antes de que se observara la formación de tales patrones. La comprensión más completa de los mecanismos involucrados en los organismos reales requirió el descubrimiento de la estructura del ADN en 1953 y el desarrollo de la biología molecular y la bioquímica.

Bases genéticas y moleculares

La morfogenesis es controlada por un "toolkit" de genes que activan y apagan el desarrollo en momentos y lugares precisos. Aquí, los genes de brecha en la mosca de la fruta se activan por genes tales como bicoide, configurar tiras que crean la forma segmental del cuerpo.

Varios tipos de moléculas son importantes en la morfogénesis. Los morfógenos son moléculas solubles que pueden difundir y transportar señales que controlan la diferenciación celular a través de gradientes de concentración. Los morfógenos suelen actuar mediante la unión a receptores de proteínas específicos. Una clase importante de moléculas involucradas en la morfogénesis son las proteínas del factor de transcripción que determinan el destino de las células al interactuar con el ADN. Estos pueden ser codificados por genes reguladores maestros y activar o desactivar la transcripción de otros genes; a su vez, estos productos de genes secundarios pueden regular la expresión de otros genes en una cascada reguladora de redes reguladoras de genes. Al final de esta cascada hay clases de moléculas que controlan comportamientos celulares como la migración celular o, de manera más general, sus propiedades, como la adhesión celular o la contractilidad celular. Por ejemplo, durante la gastrulación, grupos de células madre interrumpen su adhesión de célula a célula, se vuelven migratorias y ocupan nuevas posiciones dentro de un embrión donde nuevamente activan proteínas de adhesión celular específicas y forman nuevos tejidos y órganos. Las vías de señalización del desarrollo implicadas en la morfogénesis incluyen Wnt, Hedgehog y efrinas.

Base celular

Célula clasificada con células de carcinoma embrionaria P19 cultivadas. Las células vivas se mancharon con DiI (rojo) o DiO (verde). Las células rojas fueron alteradas genéticamente y expresan niveles más altos de E-cadherin que las células verdes. La cultura mixta forma grandes agregados multicelulares.

A nivel tisular, ignorando los medios de control, surge la morfogénesis por la proliferación y motilidad celular. La morfogénesis también implica cambios en la estructura celular o cómo interactúan las células en los tejidos. Estos cambios pueden dar como resultado el alargamiento, adelgazamiento, plegamiento, invasión o separación de un tejido en distintas capas. El último caso a menudo se denomina clasificación de celdas. Celda "ordenando" consiste en células que se mueven para clasificarse en grupos que maximizan el contacto entre células del mismo tipo. Malcolm Steinberg ha propuesto que la capacidad de las células para hacer esto surge de la adhesión celular diferencial a través de su hipótesis de adhesión diferencial. La separación de tejidos también puede ocurrir a través de eventos de diferenciación celular más dramáticos durante los cuales las células epiteliales se vuelven mesenquimatosas (ver Transición epitelial-mesenquimatosa). Las células mesenquimales normalmente abandonan el tejido epitelial como consecuencia de cambios en las propiedades adhesivas y contráctiles de las células. Después de la transición epitelio-mesénquima, las células pueden migrar lejos de un epitelio y luego asociarse con otras células similares en una nueva ubicación. En las plantas, la morfogénesis celular está estrechamente relacionada con la composición química y las propiedades mecánicas de la pared celular.

Adhesión de célula a célula

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 moléculas de adhesión de célula a célula. Por ejemplo, la adhesión de células homotípicas puede mantener límites entre grupos de células que tienen diferentes moléculas de adhesión. Además, las células pueden clasificarse en función de las diferencias en la adhesión entre las células, por lo que incluso dos poblaciones de células con diferentes niveles de la misma molécula de adhesión pueden clasificarse. En el cultivo celular, las células que tienen la adhesión más fuerte se mueven al centro de agregados mixtos de células. Además, la adhesión célula-célula a menudo está modulada por la contractilidad celular, que puede ejercer fuerzas sobre los contactos célula-célula para que dos poblaciones celulares con niveles iguales de la misma molécula de adhesión puedan separarse. Las moléculas responsables de la adhesión se denominan moléculas de adhesión celular (CAM). Se conocen varios tipos de moléculas de adhesión celular y una clase importante de estas moléculas son las cadherinas. Hay docenas de cadherinas diferentes que se expresan en diferentes tipos de células. Las cadherinas se unen a otras cadherinas de manera similar: la E-cadherina (que se encuentra en muchas células epiteliales) se une preferentemente a otras moléculas de E-cadherina. Las células mesenquimales suelen expresar otros tipos de cadherina, como la N-cadherina.

Matriz extracelular

La matriz extracelular (ECM, por sus siglas en inglés) participa en mantener los tejidos separados, brindando soporte estructural o proporcionando una estructura para que las células migren. El colágeno, la laminina y la fibronectina son las principales moléculas de la ECM que se secretan y ensamblan en láminas, fibras y geles. Los receptores transmembrana de múltiples subunidades llamados integrinas se utilizan para unirse a la MEC. Las integrinas se unen extracelularmente a la fibronectina, laminina u otros componentes de la MEC, e intracelularmente a las proteínas de unión a microfilamentos α-actinina y talina para unir el citoesqueleto con el exterior. Las integrinas también sirven como receptores para desencadenar cascadas de transducción de señales cuando se unen a la MEC. Un ejemplo bien estudiado de morfogénesis que involucra ECM es la ramificación ductal de la glándula mamaria.

Contractilidad celular

Los tejidos pueden cambiar de forma y separarse en distintas capas a través de la contractilidad celular. Al igual que en las células musculares, la miosina puede contraer diferentes partes del citoplasma para cambiar su forma o estructura. La contractilidad impulsada por la miosina en la morfogénesis del tejido embrionario se observa durante la separación de las capas germinales en los organismos modelo Caenorhabditis elegans, Drosophila y el pez cebra. A menudo hay pulsos periódicos de contracción en la morfogénesis embrionaria. Un modelo llamado divisor de estado celular implica la contracción y expansión celular alterna, iniciada por un orgánulo biestable en el extremo apical de cada célula. El orgánulo consta de microtúbulos y microfilamentos en oposición mecánica. Responde a perturbaciones mecánicas locales provocadas por movimientos morfogenéticos. Estos luego desencadenan ondas viajeras de diferenciación embrionaria de contracción o expansión sobre tejidos presuntivos que determinan el tipo de célula y son seguidas por la diferenciación celular. El divisor de estado celular se propuso por primera vez para explicar la morfogénesis de la placa neural durante la gastrulación del ajolote y el modelo se generalizó más tarde a toda la morfogénesis.

Morfogénesis ramificada

En el desarrollo del pulmón, un bronquio se ramifica en bronquiolos formando el árbol respiratorio. La ramificación es el resultado de la bifurcación de la punta de cada tubo bronquiolar, y el proceso de morfogénesis de la ramificación forma los bronquios, los bronquiolos y, en última instancia, los alvéolos.

La morfogénesis ramificada también es evidente en la formación ductal de la glándula mamaria. La formación de conductos primitivos comienza en el desarrollo, pero la formación de ramificaciones del sistema de conductos comienza más tarde en respuesta a los estrógenos durante la pubertad y se refina aún más de acuerdo con el desarrollo de la glándula mamaria.

Morfogénesis del cáncer

El cáncer puede resultar de la alteración de la morfogénesis normal, incluida la formación de tumores y la metástasis tumoral. La disfunción mitocondrial puede resultar en un mayor riesgo de cáncer debido a la alteración de la señalización del morfógeno.

Morfogénesis del virus

Durante el ensamblaje del virión T4 del bacteriófago (fago), las proteínas morfogenéticas codificadas por los genes del fago interactúan entre sí en una secuencia característica. Mantener un equilibrio apropiado en las cantidades de cada una de estas proteínas producidas durante la infección viral parece ser crítico para la morfogénesis normal del fago T4. Las proteínas codificadas por el fago T4 que determinan la estructura del virión incluyen componentes estructurales principales, componentes estructurales menores y proteínas no estructurales que catalizan pasos específicos en la secuencia de morfogénesis. La morfogénesis del fago T4 se divide en tres vías independientes: la cabeza, la cola y las fibras de la cola larga, como detallan Yap y Rossman.

Modelos de computadora

Un enfoque para modelar la morfogénesis en informática o matemáticas se puede rastrear hasta el artículo de Alan Turing de 1952 llamado "La base química de la morfogénesis", un modelo que ahora se conoce como el patrón de Turing.

Otro modelo famoso es el llamado modelo de bandera francesa, desarrollado en los años sesenta.

Las mejoras en el rendimiento de las computadoras en el siglo XXI permitieron la simulación de modelos de morfogénesis relativamente complejos. En 2020, se propuso un modelo de este tipo donde el crecimiento y la diferenciación celular es el de un autómata celular con reglas parametrizadas. Como las reglas' los parámetros son diferenciables, se pueden entrenar con gradiente descendente, una técnica que ha sido muy optimizada en los últimos años debido a su uso en aprendizaje automático. Este modelo se limitó a la generación de imágenes y, por lo tanto, es bidimensional.

Un modelo similar al descrito anteriormente se amplió posteriormente para generar estructuras tridimensionales y se demostró en el videojuego Minecraft, cuya naturaleza basada en bloques lo hizo particularmente conveniente para la simulación de autómatas celulares 3D.