Gastrulación

La gastrulación es la etapa del 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 mamíferos, el blastocisto , se reorganiza en un embrión de dos o tres capas conocido como gástrula , con un pliegue llamado blastoporo . ^{[ 1 ]} Antes de la gastrulación, el embrión es una lámina epitelial continua de células; al final de la gastrulación, el embrión ha comenzado la diferenciación para establecer linajes celulares distintos , establecer los ejes básicos del cuerpo (por ejemplo, dorsal-ventral , anterior-posterior ) e internalizar uno o más tipos de células, incluido el intestino prospectivo . ^{[ 2 ]} La gastrulación está regulada por vías de señalización que incluyen las siguientes: BMP, Wnt y Nodal. Estas vías coordinan la migración celular, la formación de ejes y la especificación de linajes. ^{[ 3 ]}

En los organismos triploblásticos , incluido el humano, la gástrula es trilaminar (de tres capas). Estas tres capas germinales son el ectodermo (capa externa), el mesodermo (capa media) y el endodermo (capa interna). ^{[ 4 ] [ 5 ]} Estas capas germinales se forman a medida que las células del epiblasto se mueven a través de la estría primitiva, mientras experimentan una transición epitelial-mesenquimal e ingresión. Esto forma el mesodermo y el endodermo, mientras que las células restantes del epiblasto se diferencian en el ectodermo. ^{[ 6 ]} En los organismos diploblásticos , como los cnidarios y los ctenóforos , la gástrula tiene solo ectodermo y endodermo. Las dos capas también se denominan a veces hipoblasto y epiblasto . ^{[ 7 ]} Las esponjas no pasan por la etapa de gástrula.

La gastrulación tiene lugar después de la segmentación y la formación de la blástula o blastocisto (véase blastulación ). A la gastrulación le sigue la organogénesis , cuando se desarrollan órganos individuales dentro de las capas germinales recién formadas. ^{[ 8 ]} Cada capa da origen a tejidos y órganos específicos en el embrión en desarrollo.

• El ectodermo da origen a la epidermis , al sistema nervioso y a la cresta neural en los vertebrados. ^{[ 2 ]}
• El endodermo da origen al epitelio del sistema digestivo y respiratorio , y a órganos asociados con el sistema digestivo, como el hígado y el páncreas . ^{[ 2 ]}
• El mesodermo da origen a muchos tipos de células, como músculo , hueso y tejido conectivo . En los vertebrados, los derivados del mesodermo incluyen la notocorda , el corazón , la sangre y los vasos sanguíneos , el cartílago de las costillas y las vértebras , y la dermis . ^{[ 2 ] [ 9 ]}

Aunque los patrones de gastrulación muestran una enorme variación en todo el reino animal, están unificados por los cinco tipos básicos de movimientos celulares que ocurren durante la gastrulación: ^{[ 2 ] [ 10 ]}

1. Invaginación : Enrollamiento hacia adentro de una capa celular sobre sí misma para formar una hendidura.
2. Involución : El enrollamiento hacia adentro de una capa celular sobre un borde para que se extienda sobre la superficie interior.
3. Ingression : Migración de células desde la capa externa hacia el interior del embrión.
4. Delaminación: La división de una lámina en dos capas paralelas.
5. Epibolia : Expansión y adelgazamiento de la capa celular para encerrar capas más profundas.

Estos movimientos impulsan la formación de la capa germinal y contribuyen a la diferenciación del plan corporal durante la gastrulación. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Los términos "gastrula" y "gastrulación" fueron acuñados por Ernst Haeckel en su obra de 1872 "Biología de las esponjas calcáreas" . ^{[ 13 ]} Gastrula (literalmente, "pequeña barriga") es un diminutivo neolatino basado en el griego antiguo γαστήρ gastḗr ("barriga").

Lewis Wolpert , biólogo del desarrollo pionero en este campo, ha sido reconocido por señalar que "No es el nacimiento, el matrimonio ni la muerte, sino la gastrulación el momento verdaderamente más importante de tu vida". ^{[ 2 ] [ 14 ]}

La gastrulación es muy variable en el reino animal, pero presenta similitudes subyacentes. 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. Entre los organismos modelo cuya gastrulación se comprende con mayor detalle se encuentran el molusco , el erizo de mar , la rana y el pollo . Un sistema modelo humano es el gastruloide .

En todos los procesos de gastrulación, se requiere una señal para determinar dónde se formará la invaginación, y posteriormente otras señales para impulsar la formación y diferenciación de las capas germinales. Existen paralelismos tanto en los pasos físicos como en las vías moleculares. El organizador , que se sitúa en el centro de este proceso, es un rasgo conservado entre los Cnidarios , Ctenóforos y Bilateria , todos los principales grupos de animales, excepto las esponjas. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

La distinción entre protóstomos y deuteróstomos se basaba originalmente en la dirección en la que se desarrolla la boca (estoma) en relación con el blastoporo . El término protóstomo deriva de la palabra griega protostoma, que significa "primera boca" (πρῶτος + στόμα), mientras que la etimología de deuteróstomo es "segunda boca", de las palabras segundo y boca (δεύτερος + στόμα). ^{[ 18 ]}

Las principales diferencias entre deuterostomos y protostomos se encuentran en el desarrollo embrionario :

• boca/ano
  • En el desarrollo de los protóstomos , la primera abertura en desarrollo, el blastoporo, se convierte en la boca del animal ; al menos esta era la definición original. Ahora se sabe que el destino del blastoporo entre los protóstomos es extremadamente variable; si bien la distinción evolutiva entre deuteróstomos y protóstomos sigue siendo válida, la precisión descriptiva del nombre protóstomo es discutible. ^{[ 18 ]}
  • En el desarrollo de los deuterostomos , el blastoporo se convierte en el ano del animal .
• Escisión
  • Los protóstomos presentan lo que se conoce como segmentación espiral , que es determinada , lo que significa que el destino de las células se determina a medida que se forman.
  • Los deuterostomos tienen lo que se conoce como segmentación radial , que es indeterminada .

Los erizos de mar han sido organismos modelo importantes en la biología del desarrollo desde el siglo XIX. ^{[ 19 ]} Su gastrulación se considera a menudo el arquetipo de los deuterostomados invertebrados. ^{[ 20 ]}

Los erizos de mar exhiben patrones de segmentación y destinos celulares altamente estereotipados. Los ARNm depositados por la madre establecen el centro organizador del embrión de erizo de mar. La señalización canónica Wnt y Delta-Notch segrega progresivamente el endodermo y el mesodermo. ^{[ 21 ]}

Las primeras células en internalizarse son las células mesenquimales primarias (PMC), que tienen un destino esquelético y que ingresan durante la etapa de blástula. La gastrulación —internalización del endodermo prospectivo y el mesodermo no esquelético— comienza poco después con la invaginación y otras reorganizaciones celulares del polo vegetal , que contribuyen aproximadamente en un 30 % a la longitud final del arquénteron . La longitud final del intestino depende de las reorganizaciones celulares dentro del arquénteron. ^{[ 22 ]}

El género de ranas Xenopus se ha utilizado como organismo modelo para el estudio de la gastrulación. ^{[ 23 ]}

Durante la gastrulación, las células se diferencian en ectodermo o mesendodermo , que luego se separa en mesodermo y endodermo. ^{[ 28 ]} El endodermo y el mesodermo se forman debido a la señalización nodal . La señalización nodal utiliza ligandos que son parte de la familia TGFβ . Estos ligandos activarán 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 comenzarán a transcribirse los genes del mesendodermo. La vía Wnt junto con la β-catenina juega un papel clave en la señalización nodal y la formación del endodermo. ^{[ 37 ]} 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 el desarrollo del endodermo. ^{[ 28 ]} 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 RA, el ratón no desarrollará pulmones. ^{[ 28 ]} La señalización de RA también tiene múltiples usos en la formación de órganos de los arcos faríngeos, el intestino anterior y el intestino posterior. ^{[ 28 ]}

Se han realizado varios intentos para comprender los procesos de gastrulación utilizando técnicas in vitro en paralelo y de forma complementaria a los estudios en embriones, generalmente mediante el uso de técnicas de cultivo celular 2D ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} y 3D ( organoides embrionarios ) ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} utilizando células madre embrionarias (CME) o células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Estas se asocian con una serie de claras ventajas en el uso de protocolos basados ​​en el cultivo de tejidos, algunas de las cuales incluyen la reducción del coste del trabajo in vivo asociado (reduciendo, reemplazando y refinando así el uso de animales en experimentos; las 3R ), siendo la capacidad de aplicar con precisión agonistas/antagonistas de manera espacial y temporalmente específica ^{[ 42 ] [ 43 ]} lo 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 para contextualizar.

Para ilustrar esto, la diferenciación guiada de ESC de ratón ha dado como resultado la generación de células similares a la línea primitiva que muestran muchas de las características de las células del epiblasto que atraviesan la línea primitiva ^{[ 38 ]} (por ejemplo, regulación positiva transitoria de brachyury y los cambios celulares asociados con una transición epitelial a mesenquimal ^{[ 38 ]} ), 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. ^{[ 39 ] [ 40 ]} Finalmente, utilizando técnicas basadas en cuerpos embrionarios y organoides 3D, pequeños agregados de ESC de ratón ( organoides embrionarios o gastruloides ) pueden mostrar una serie de procesos del desarrollo embrionario temprano de mamíferos, como la ruptura de la simetría, la polarización de la expresión génica, movimientos similares a la gastrulación, elongación axial y la generación de los tres ejes embrionarios (anteroposterior, dorsoventral y eje izquierda-derecha). ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 45 ]}

La fertilización in vitro se lleva a cabo en un laboratorio. El proceso consiste en extraer óvulos maduros de los ovarios y colocarlos en un medio de cultivo donde son fertilizados por espermatozoides. En el cultivo se forma el embrión. ^{[ 46 ]} Catorce días después de la fertilización se forma la línea primitiva. La formación de la línea primitiva se conoce en algunos países como "individualidad humana". ^{[ 47 ]} Esto significa que el embrión es ahora un ser en sí mismo, una entidad propia. Los países que creen esto han creado una regla de 14 días según la cual es ilegal estudiar o experimentar con un embrión humano después de este período in vitro . Se han realizado investigaciones sobre los primeros 14 días de un embrión, pero no se conocen estudios posteriores a este período. ^{[ 48 ]} Con esta regla vigente, se utilizan embriones de ratón para comprender el desarrollo después de los 14 días; sin embargo, existen diferencias en el desarrollo entre ratones y humanos.

• Mapeo del destino
• Neurulación
• Nodo primitivo
• Rotación vegetal

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• Animaciones de gastrulación archivadas el 20 de octubre de 2015 en Wayback Machine.
• Ilustraciones y vídeos sobre la gastrulación procedentes de "Gastrulation: From Cells To Embryo", editado por Claudio Stern.
• Un vídeo de gastrulación de rana