Los compartimentos se pueden definir simplemente como poblaciones de células adyacentes, separadas y diferentes que, al yuxtaponerse, crean un límite de linaje. [1] Este límite evita el movimiento celular de células de diferentes linajes a través de esta barrera, restringiéndolas a su compartimento . [2] Las subdivisiones se establecen mediante gradientes de morfógenos y se mantienen mediante interacciones locales entre células , lo que proporciona unidades funcionales con dominios de diferentes genes reguladores , que dan lugar a destinos distintos . [1] Los límites de los compartimentos se encuentran en todas las especies . En el rombencéfalo de los embriones de vertebrados , los rombómeros son compartimentos de linaje común [3] delineados por la expresión de genes Hox . [4] En los invertebrados , el disco imaginal del ala de Drosophila proporciona un modelo excelente para el estudio de los compartimentos. Aunque otros tejidos , como el abdomen, [5] e incluso otros discos imaginales están compartimentados, gran parte de nuestra comprensión de los conceptos clave y los mecanismos moleculares involucrados en los límites de los compartimentos se ha derivado de la experimentación en el disco del ala de la mosca de la fruta .
Al separar diferentes poblaciones celulares, el destino de estos compartimentos está altamente organizado y regulado. [6] Además, esta separación crea una región de células especializadas cerca del límite, [7] que sirve como un centro de señalización para la formación de patrones , la polarización y la proliferación [8] de todo el disco. Los límites de los compartimentos establecen estos centros organizadores [5] [7] al proporcionar la fuente de morfógenos [9] que son responsables de la información posicional requerida para el desarrollo y la regeneración . [9] [10] La incapacidad de que ocurra competencia celular a través del límite indica que cada compartimento sirve como una unidad autónoma de crecimiento . [8] [11] Las diferencias en las tasas de crecimiento y los patrones en cada compartimento mantienen separados los dos linajes [12] y cada uno controla el tamaño preciso de los discos imaginales. [13]
Estas dos poblaciones celulares se mantienen separadas por un mecanismo de segregación celular vinculado a la expresión hereditaria de un gen selector . [7] Un gen selector es uno que se expresa en un grupo de células pero no en el otro, [5] dando a las células fundadoras y a sus descendientes instrucciones diferentes. [12] Finalmente, estos genes selectores se fijan en un estado expresado o no expresado y se heredan de forma estable a los descendientes, [5] [8] especificando la identidad del compartimento y evitando que estas poblaciones celulares genéticamente diferentes se entremezclen. [13] Por lo tanto, estos genes selectores son clave para la formación y el mantenimiento de los compartimentos de linaje. [14]
La diferencia en la actividad de los genes selectores no solo establece dos compartimentos, sino que también conduce a la formación de un límite entre estos dos que sirve como fuente de gradientes de morfógenos . En el dogma central de los compartimentos, primero, los gradientes de morfógenos posicionan las células del compartimento fundador. [2] [8] Luego, los genes selectores activos/inactivos dan una identidad genética única a las células dentro de un compartimento, instruyendo su destino y sus interacciones con el compartimento vecino. [8] [14] Finalmente, las células fronterizas, establecidas por señalización de corto alcance de un compartimento a su compartimento vecino [15] emiten señales de largo alcance que se propagan a ambos compartimentos para regular el crecimiento y la formación de patrones de todo el tejido . [8] [16]
En 1970, mediante análisis clonal , se identificó el límite Anterior-Posterior. [2] Las células fundadoras, que se encuentran en el límite entre los parasegmentos 4 y 5 del embrión , ya están determinadas en la etapa temprana del blastodermo y definidas en las dos poblaciones que generarán por franjas del gen engrailed . [2] [8] [17] El gen selector , engrailed (en) , es un determinante clave en la formación del límite entre los compartimentos anterior y posterior . [12] A medida que el disco imaginal del ala se expande, las células posteriores, pero no las anteriores, expresarán engrailed y mantendrán este estado de expresión a medida que se expanden y forman el disco. [17] Los clones mutantes engrailed de origen posterior ganarán afinidad anterior y se moverán hacia el compartimento anterior y se entremezclarán con esas células. Dentro del compartimento posterior, estos clones se clasificarán y formarán un borde ectópico donde se encontrarán con otras células posteriores. [12] [16] [18] De manera similar, un clon de células anteriores que expresan engrailed obtendrá identidad posterior y creará un límite ectópico donde el clon se encuentra con otras células anteriores en este compartimento. [16] Además de su papel autónomo de la célula en la especificación de la identidad del compartimento posterior, engrailed también tiene una función no autónoma de la célula en el crecimiento general y el patrón del disco del ala, a través de la activación de vías de señalización como Hedgehog (Hh) y Decapentaplegic (Dpp). [18] [19] [20] La presencia de engrailed en las células posteriores conduce a la secreción del inductor de corto alcance Hh [8] que puede cruzar al compartimento anterior para activar el morfógeno de largo alcance, Dpp. [15] [16] Las células en el compartimento posterior producen Hh, pero solo las células anteriores pueden transducir la señal. [6] La optomotora ciega (omb) está involucrada en la respuesta transcripcional de Dpp, que solo se requiere en las células anteriores para interpretar la señalización de Hh para la formación y mantenimiento de límites. [21] Además, Cubitus interruptus (Ci) , el transductor de señal de la señal de Hh, se expresa en todo el compartimento anterior, particularmente en las células del borde anterior. [18]En las células posteriores, engrailed impide la expresión de Ci , por lo que solo se expresa en células anteriores y, por lo tanto, solo estas células pueden responder a la señalización de Hh regulando positivamente la expresión de dpp . [15] [22] La pérdida de la función de engrailed en las células posteriores da como resultado una transformación anterior, donde la expresión de Hh disminuye y la expresión de dpp , ci y patched (ptc) aumenta, lo que da como resultado la formación de un nuevo límite A/P, lo que sugiere que en regula positivamente a hh , mientras que regula negativamente a ci , ptc y dpp . [18] [19]
Para explicar cómo se mantienen separadas las células anteriores y posteriores, la hipótesis de adhesión diferencial propone que estas dos poblaciones celulares expresan diferentes moléculas de adhesión , produciendo diferentes afinidades entre sí que minimizan su contacto. [6] [8] El modelo de afinidad del selector propone que la diferencia en la afinidad celular entre compartimentos es el resultado de la expresión diferencial del gen selector . [14] La presencia o ausencia de genes selectores en un compartimento dado produce moléculas de adhesión o reconocimiento específicas del compartimento que son diferentes de las de su contraparte. [13] Por ejemplo, engrailed expresado en las células posteriores, pero no en las anteriores, proporciona la afinidad diferencial que mantiene estos compartimentos separados. También es posible que esta diferencia en la adhesión/afinidad celular no se deba directamente a la expresión de en , sino más bien a la capacidad de recibir señalización Hh . [16] [18] Las células anteriores, capaces de transducir Hh, expresarán moléculas adhesivas dadas que diferirían de las presentes en las células posteriores, creando una afinidad diferencial que evitaría que se entremezclaran. [13] Este modelo de afinidad de señalización está respaldado por experimentos que demuestran la importancia de la señalización Hh. Los clones mutantes para el gen Smoothened (smo) , responsable de la transducción de la señalización Hh, conservan características similares a las anteriores, pero se mueven hacia el compartimento posterior sin ningún cambio en la expresión de engrailed o invected. [13] Esto demuestra que la señalización Hh, en lugar de la ausencia de en, es lo que da a las células su identidad compartimental. [16] [18] No obstante, este modelo de afinidad de señalización es incompleto: los clones mutantes smo de origen anterior que migran al compartimento posterior, no se asocian completamente con estas células, sino que forman un límite suave con estas células posteriores. Si la afinidad de señalización fuera el único factor que determina la identidad compartimental, entonces estos clones, que ya no reciben señalización Hh, tendrían la misma afinidad que las otras células posteriores en ese compartimento y podrían entremezclarse con ellas. [13] Estos experimentos indican que, aunque la señalización de Hh podría tener un efecto en las propiedades adhesivas, este efecto se limita a las células del borde en lugar de a ambos compartimentos. [5] También es posible que ambos compartimentos produzcan las mismas moléculas de adhesión celular., pero una diferencia en su abundancia o actividad podría resultar en una clasificación entre los dos compartimentos. In vitro, las células transfectadas con altos niveles de una molécula de adhesión dada se segregarán de las células que expresan niveles más bajos de esta misma molécula. [23] Finalmente, las diferencias en la tensión del enlace celular también podrían desempeñar un papel en el establecimiento del límite y la separación de las dos poblaciones celulares diferentes. Los datos experimentales han demostrado que la miosina II se regula positivamente a lo largo de los límites dorsal-ventral y anteroposterior en el disco del ala imaginal. [24] [25] El límite D/V se caracteriza por la presencia de actina filamentosa y las mutaciones en la cadena pesada de la miosina II perjudican la compartimentación D/V. [25] De manera similar, tanto la F-actina como la miosina II aumentan a lo largo del límite A/P, acompañado de una disminución de Bazooka , que también se observó en el límite D/V. El inhibidor de la Rho-quinasa Y-27632 , del cual la miosina II es el objetivo principal, reduce significativamente la tensión de enlace celular , lo que sugiere que la miosina II podría ser el principal efector de este proceso. En apoyo del modelo de afinidad de señalización, la creación de una interfaz artificial entre células con señalización Hh activa vs. inactiva induce un comportamiento de unión que alinea los enlaces celulares de donde se encuentran estos tipos de células opuestas. [24] Además, se observa un aumento de 2,5 veces en la tensión mecánica a lo largo del límite A/P, en comparación con el resto del tejido. Las simulaciones que utilizan un modelo de vértice demuestran que este aumento en la tensión de enlace celular es suficiente para mantener poblaciones de células proliferantes en límites de compartimentos separados. [24] Los parámetros utilizados para medir la tensión de enlace celular se basan en la adhesión célula-célula y la entrada de tensión cortical. [6] También se ha sugerido que la formación de límites no es el resultado de la tensión mecánica diferencial entre las dos poblaciones de células, sino que podría ser el resultado de las propiedades mecánicas del límite en sí. [26] El nivel de la molécula de adhesión, E-cadherina , no se alteró y las propiedades biofísicas de las células entre los dos compartimentos fueron las mismas. Los cambios en las propiedades celulares, como un área de sección transversal apical agrandada, solo se observan en las células del borde anterior y posterior. [24] A lo largo del límite, la orientación de las divisiones celulares fue aleatoria y no hay evidencia de que aumentara la muerte celular.o zonas de células no proliferantes son importantes para mantener el límite A/P o D/V. [5]
A pesar de los numerosos intentos de identificar las moléculas de adhesión importantes para el establecimiento y mantenimiento de los límites de los compartimentos, no se ha identificado ninguna. [6] [22] La continuación de nuestra comprensión de este proceso se beneficiará de más datos experimentales sobre los enlaces celulares y la tensión cortical, así como de estudios para identificar moléculas que regulen la afinidad celular diferencial.