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Morfogénesis

La morfogénesis (del griego morphê, forma, y ​​genesis , creación, literalmente "generación de la forma") es el proceso biológico que hace que una célula , tejido u organismo de...

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La morfogénesis (del griego morphê, forma, y ​​genesis , creación, literalmente "generación de la forma") es el 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 tisular y la formación de patrones de diferenciación celular .

El proceso controla la distribución espacial organizada de las células durante el desarrollo embrionario de un organismo . La morfogénesis también puede ocurrir en un organismo maduro, como en el mantenimiento normal de los tejidos por células madre o en la regeneración de tejidos después de una lesión. El cáncer es un ejemplo de un proceso patológico de morfogénesis tisular, caracterizado por anomalías significativas. 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, deformación y movimiento de las células. [ 1 ] Este proceso puede ser inducido por programas genéticos según el patrón espacial de las células dentro de los tejidos. La morfogénesis anormal se denomina dismorfogénesis .

Historia

Algunas de las primeras ideas y descripciones matemáticas sobre cómo los procesos físicos y las limitaciones afectan el crecimiento biológico, y por lo tanto los patrones naturales como las espirales de filotaxis , fueron escritas por D'Arcy Wentworth Thompson en su libro de 1917 Sobre el crecimiento y la forma [ 2 ] [ 3 ] [ nota 1 ] y Alan Turing en su La base química de la morfogénesis (1952). [ 6 ] Mientras que Thompson explicaba las formas del cuerpo animal como creadas por 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 que activa y otra que desactiva el crecimiento, para establecer patrones de desarrollo, décadas antes de que se observara la formación de tales patrones. [ 7 ] 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 morfogénesis está controlada por un conjunto de genes que activan y desactivan el desarrollo en momentos y lugares precisos. En este caso, los genes gap de la mosca de la fruta se activan mediante genes como bicoid , lo que genera las franjas que crean la forma segmentada del cuerpo.

Varios tipos de moléculas son importantes en la morfogénesis. Los morfógenos son moléculas solubles que pueden difundirse y transportar señales que controlan la diferenciación celular mediante gradientes de concentración. Los morfógenos suelen actuar uniéndose a receptores proteicos específicos . Una clase importante de moléculas implicadas en la morfogénesis son las proteínas de factores de transcripción , que determinan el destino de las células al interactuar con el ADN . Estas proteínas pueden estar codificadas por genes reguladores maestros y activan o desactivan la transcripción de otros genes; a su vez, estos productos génicos secundarios pueden regular la expresión de otros genes en una cascada reguladora de redes de regulación génica . Al final de esta cascada se encuentran clases de moléculas que controlan comportamientos celulares como la migración celular o, más generalmente, sus propiedades, como la adhesión celular o la contractilidad celular. Por ejemplo, durante la gastrulación , los grupos de células madre desactivan su adhesión célula-célula, se vuelven migratorios y ocupan nuevas posiciones dentro del embrión, donde activan nuevamente 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 . [ 8 ]

Base celular

Separación celular con células de carcinoma embrionario P19 cultivadas . Las células vivas se tiñeron con DiI (rojo) o DiO (verde). Las células rojas fueron modificadas genéticamente y expresan niveles más altos de E-cadherina que las células verdes. El cultivo mixto forma grandes agregados multicelulares.

A nivel tisular, sin tener en cuenta los mecanismos de control, la morfogénesis surge debido a la proliferación y motilidad celular. [ 9 ] La morfogénesis también implica cambios en la estructura celular [ 10 ] o en la forma en que las células interactúan en los tejidos. Estos cambios pueden resultar en elongación, adelgazamiento, plegamiento, invasión o separación de un tejido en capas distintas. Este último caso se conoce a menudo como clasificación celular . La "clasificación" celular consiste en que las células se mueven para agruparse de manera que maximicen el contacto entre células del mismo tipo. Malcolm Steinberg propuso 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 tisular también puede ocurrir mediante eventos de diferenciación celular más drásticos durante los cuales las células epiteliales se convierten en mesenquimales (véase Transición epitelio-mesenquimal ). Las células mesenquimales suelen abandonar el tejido epitelial como consecuencia de cambios en las propiedades adhesivas y contráctiles celulares. Tras la transición epitelio-mesenquimal, las células pueden migrar desde un epitelio y luego asociarse con otras células similares en una nueva ubicación. [ 11 ] En las plantas, la morfogénesis celular está estrechamente ligada a la composición química y las propiedades mecánicas de la pared celular. [ 12 ] [ 13 ]

Adhesión célula a célula

Durante el desarrollo embrionario, las células se restringen 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 célula-célula . Por ejemplo, la adhesión celular homotípica puede mantener los límites entre grupos de células que tienen diferentes moléculas de adhesión. Además, las células pueden clasificarse en función de las diferencias de adhesión entre ellas, por lo que incluso dos poblaciones de células con diferentes niveles de la misma molécula de adhesión pueden clasificarse. En los cultivos celulares, las células que tienen la adhesión más fuerte se mueven hacia el centro de los 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 de modo que dos poblaciones de células con niveles iguales de la misma molécula de adhesión pueden clasificarse. 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 principal 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 forma similar: la E-cadherina (presente en muchas células epiteliales) se une preferentemente a otras moléculas de E-cadherina. Las células mesenquimales suelen expresar otros tipos de cadherinas, como la N-cadherina. [ 14 ] [ 15 ]

matriz extracelular

La matriz extracelular (MEC) participa en la separación de los tejidos, proporcionando soporte estructural o una estructura para la migración celular. El colágeno , la laminina y la fibronectina son las principales moléculas de la MEC que se secretan y se ensamblan en láminas, fibras y geles. Los receptores transmembrana multisubunitarios llamados integrinas se unen a la MEC. Las integrinas se unen extracelularmente a la fibronectina, la laminina u otros componentes de la MEC, e intracelularmente a las proteínas de unión a microfilamentos α-actinina y talina para conectar el citoesqueleto con el exterior. Las integrinas también actúan como receptores para desencadenar cascadas de transducción de señales al unirse a la MEC. Un ejemplo bien estudiado de morfogénesis que involucra la MEC es la ramificación de los conductos de la glándula mamaria . [ 16 ] [ 17 ]

Contractilidad celular

Los tejidos pueden cambiar de forma y separarse en capas distintas mediante la contractilidad celular. Al igual que en las células musculares, la miosina puede contraer diferentes partes del citoplasma para modificar su forma o estructura. La contractilidad mediada por miosina en la morfogénesis del tejido embrionario se observa durante la separación de las capas germinales en los organismos modelo Caenorhabditis elegans , Drosophila y pez cebra . A menudo se producen pulsos periódicos de contracción durante la morfogénesis embrionaria. Un modelo denominado divisor de estado celular implica la alternancia de contracción y expansión celular, iniciada por un orgánulo biestable en el extremo apical de cada célula. Este orgánulo está compuesto por microtúbulos y microfilamentos en oposición mecánica. Responde a perturbaciones mecánicas locales causadas por movimientos morfogenéticos. Estos desencadenan ondas de diferenciación embrionaria que se propagan a través de los tejidos presuntivos, determinando el tipo celular y dando lugar a la diferenciación celular. El divisor de estados celulares se propuso por primera vez para explicar la morfogénesis de la placa neural durante la gastrulación del ajolote [ 18 ] y el modelo se generalizó posteriormente a toda la morfogénesis. [ 19 ] [ 20 ]

Morfogénesis ramificada

En el desarrollo del pulmón , un bronquio se ramifica en bronquiolos formando el árbol respiratorio . [ 21 ] La ramificación es el resultado de la bifurcación de la punta de cada tubo bronquiolar, y el proceso de morfogénesis de ramificación forma los bronquios, los bronquiolos y, finalmente, los alvéolos. [ 22 ]

La morfogénesis ramificada también es evidente en la formación de los conductos de la glándula mamaria . [ 23 ] [ 17 ] La formación primitiva de los conductos comienza en el desarrollo , pero la formación ramificada del sistema de conductos comienza más tarde en respuesta a los estrógenos durante la pubertad y se refina aún más en consonancia con el desarrollo de la glándula mamaria. [ 17 ] [ 24 ] [ 25 ]

Morfogénesis del cáncer

El cáncer puede resultar de la alteración de la morfogénesis normal, incluyendo tanto la formación de tumores como la metástasis tumoral . [ 26 ] La disfunción mitocondrial puede resultar en un mayor riesgo de cáncer debido a la alteración de la señalización de morfógenos. [ 26 ]

Morfogénesis viral

Durante el ensamblaje del virión del bacteriófago (fago) T4 , las proteínas morfogenéticas codificadas por los genes del fago interactúan entre sí en una secuencia característica. Mantener un equilibrio adecuado en las cantidades de cada una de estas proteínas producidas durante la infección viral parece ser fundamental para la morfogénesis normal del fago T4. [ 27 ] 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. [ 28 ] La morfogénesis del fago T4 se divide en tres vías independientes: la cabeza, la cola y las fibras largas de la cola, como detallan Yap y Rossman. [ 29 ]

Modelos informáticos

Un enfoque para modelar la morfogénesis en ciencias de la computación o matemáticas se puede rastrear hasta el artículo de Alan Turing de 1952, "La base química de la morfogénesis", [ 30 ] un modelo ahora conocido como el patrón de Turing .

Otro modelo famoso es el llamado modelo de la bandera francesa , desarrollado en los años sesenta. [ 31 ]

Las mejoras en el rendimiento informático del siglo XXI permitieron la simulación de modelos de morfogénesis relativamente complejos. En 2020, se propuso un modelo en el que el crecimiento y la diferenciación celular se representan mediante un autómata celular con reglas parametrizadas. Dado que los parámetros de las reglas son diferenciables, pueden entrenarse mediante descenso de gradiente , una técnica que se ha optimizado considerablemente en los últimos años gracias a su uso en el aprendizaje automático . [ 32 ] Este modelo se limitaba a la generación de imágenes y, por lo tanto, es bidimensional.

Un modelo similar al descrito anteriormente se extendió 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. [ 33 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ El libro de Thompson se cita con frecuencia. Una versión abreviada, de 349 páginas, sigue disponible y es fácilmente accesible. [ 4 ] También se ha publicado una versión completa, de 1116 páginas. [ 5 ]

Referencias

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  3. ↑ Montell, Denise J. (5 de diciembre de 2008), "Movimientos celulares morfogenéticos: Diversidad a partir de propiedades mecánicas modulares" (PDF) , Science , 322 (5907): 1502–1505 , Bibcode : 2008Sci...322.1502M , doi : 10.1126/science.1164073 , PMID 19056976 , S2CID 27982230 , archivado del original (PDF) el 28 de noviembre de 2014 , recuperado el 11 de diciembre de 2012  
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  5. ↑ Thompson, D'Arcy Wentworth (1992), Sobre el crecimiento y la forma: Edición revisada completa , Nueva York, NY: Dover, ISBN 978-0-486-67135-2
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Lecturas adicionales

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  • Slack, JMW (2013). Biología del desarrollo esencial . Oxford: Wiley-Blackwell.
  • Davies, Jamie A. (2023). Mecanismos de la morfogénesis (3.ª  ed.). Cambridge, MA: Academic Press. ISBN 9780323999656.
  • Modelo de vida artificial de morfogénesis multicelular con gradientes generados de forma autónoma para información posicional.
  • La teoría de la morfogénesis de Turing fue validada.