En embriología , la segmentación es la división de las células en el desarrollo temprano del embrión , después de la fecundación . [1] Los cigotos de muchas especies experimentan ciclos celulares rápidos sin un crecimiento general significativo, produciendo un grupo de células del mismo tamaño que el cigoto original. Las diferentes células derivadas de la segmentación se denominan blastómeros y forman una masa compacta llamada mórula . La segmentación termina con la formación de la blástula , o del blastocisto en los mamíferos.
Dependiendo principalmente de la concentración de yema en el huevo, la segmentación puede ser holoblástica (segmentación total o completa) o meroblástica (segmentación parcial o incompleta). El polo del huevo con mayor concentración de yema se denomina polo vegetal mientras que el polo opuesto se denomina polo animal .
La división celular se diferencia de otras formas de división celular en que aumenta el número de células y la masa nuclear sin aumentar la masa citoplasmática . Esto significa que con cada subdivisión sucesiva, hay aproximadamente la mitad del citoplasma en cada célula hija que antes de esa división y, por lo tanto, aumenta la proporción de material nuclear y citoplasmático. [2]
Los ciclos celulares rápidos se facilitan al mantener altos niveles de proteínas que controlan la progresión del ciclo celular, como las ciclinas y sus quinasas dependientes de ciclina (CDK) asociadas. El complejo ciclina B / CDK1, también conocido como MPF ( factor promotor de la maduración ), promueve la entrada en mitosis.
Los procesos de cariocinesis (mitosis) y citocinesis trabajan juntos para dar como resultado la división. El aparato mitótico está formado por un huso central y ásteres polares formados por polímeros de proteína tubulina llamados microtúbulos . Los ásteres están nucleados por centrosomas y los centrosomas están organizados por centriolos traídos al óvulo por el espermatozoide como cuerpos basales . La citocinesis está mediada por el anillo contráctil formado por polímeros de proteína actina llamados microfilamentos . La cariocinesis y la citocinesis son procesos independientes pero coordinados espacial y temporalmente. Si bien la mitosis puede ocurrir en ausencia de citocinesis, la citocinesis requiere del aparato mitótico.
El final de la segmentación coincide con el comienzo de la transcripción cigótica. Este punto en los no mamíferos se conoce como transición de la blástula media y parece estar controlado por la relación núcleo-citoplasma (aproximadamente 1:6).
La segmentación determinada (también llamada segmentación en mosaico) se da en la mayoría de los protóstomos . Esto hace que el destino de desarrollo de las células se determine en las primeras etapas del desarrollo del embrión . Cada blastómero producido por la segmentación embrionaria temprana no tiene la capacidad de convertirse en un embrión completo .
Una célula solo puede ser indeterminada (también llamada reguladora) si posee un conjunto completo de características citoarquitectónicas animales/vegetales intactas. Esto es característico de los deuteróstomos : cuando la célula original de un embrión de deuteróstomo se divide, las dos células resultantes pueden separarse y cada una de ellas puede desarrollarse individualmente hasta convertirse en un organismo completo.
En la división holoblástica, el cigoto y los blastómeros se dividen completamente durante la división, por lo que el número de blastómeros se duplica con cada división. En ausencia de una gran concentración de vitelo, se pueden observar cuatro tipos principales de división en células isolecíticas (células con una distribución pequeña y uniforme de vitelo) o en células mesolecíticas o células microlecíticas (concentración moderada de vitelo en un gradiente): división holoblástica bilateral , holoblástica radial , holoblástica rotacional y holoblástica espiral . [3] Estos planos de división holoblástica pasan por todo el camino a través de los cigotos isolecíticos durante el proceso de citocinesis. La coeloblastula es la siguiente etapa de desarrollo para los óvulos que experimentan estas divisiones radiales. En los óvulos holoblásticos, la primera división siempre ocurre a lo largo del eje vegetal-animal del óvulo, la segunda división es perpendicular a la primera. A partir de aquí, la disposición espacial de los blastómeros puede seguir varios patrones, debido a los diferentes planos de división, en varios organismos.
La primera división da como resultado la bisección del cigoto en mitades izquierda y derecha. Los siguientes planos de división están centrados en este eje y dan como resultado que las dos mitades sean imágenes especulares una de la otra. En la división holoblástica bilateral, las divisiones de los blastómeros son completas y separadas; en comparación con la división meroblástica bilateral, en la que los blastómeros permanecen parcialmente conectados.
La segmentación radial es característica de los deuteróstomos , que incluyen algunos vertebrados y equinodermos , en los que los ejes del huso son paralelos o forman ángulos rectos con el eje polar del ovocito .
La división rotacional implica una primera división normal a lo largo del eje meridional, lo que da lugar a dos células hijas. La forma en que esta división difiere es que una de las células hijas se divide meridionalmente, mientras que la otra se divide ecuatorialmente.
El nematodo C. elegans , un organismo modelo de desarrollo popular , sufre una división celular rotacional holoblástica. [4]
La escisión en espiral se conserva entre muchos miembros de los taxones de lofotrocozoos , conocidos como Spiralia . [5] La mayoría de los espiralianos experimentan una escisión en espiral igual, aunque algunos experimentan una escisión desigual (ver más abajo). [6] Este grupo incluye anélidos , moluscos y sipúnculos . La escisión en espiral puede variar entre especies, pero generalmente las dos primeras divisiones celulares dan como resultado cuatro macrómeros, también llamados blastómeros (A, B, C, D), cada uno de los cuales representa un cuadrante del embrión. Estas dos primeras escisiones no están orientadas en planos que ocurren en ángulos rectos paralelos al eje animal-vegetal del cigoto . [5] En la etapa de 4 células, los macrómeros A y C se encuentran en el polo animal, creando el surco transversal animal, mientras que los macrómeros B y D se encuentran en el polo vegetal, creando el surco transversal vegetal. [7] Con cada ciclo de escisión sucesivo, los macrómeros dan lugar a cuartetos de micrómeros más pequeños en el polo animal. [8] [9] Las divisiones que producen estos cuartetos ocurren en un ángulo oblicuo, un ángulo que no es múltiplo de 90 grados, con respecto al eje animal-vegetal. [9] Cada cuarteto de micrómeros gira con respecto a su macrómero original, y la quiralidad de esta rotación difiere entre cuartetos pares e impares, lo que significa que hay una simetría alternada entre los cuartetos pares e impares. [5] En otras palabras, la orientación de las divisiones que producen cada cuarteto alterna entre ser en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj con respecto al polo animal. [9] El patrón de escisión alternada que ocurre a medida que se generan los cuartetos produce cuartetos de micrómeros que residen en los surcos de escisión de los cuatro macrómeros. [7] Cuando se ve desde el polo animal, esta disposición de células muestra un patrón en espiral.
La especificación del macrómero D es un aspecto importante del desarrollo espiral. Aunque el eje primario, animal-vegetal, se determina durante la ovogénesis , el eje secundario, dorsal-ventral, se determina mediante la especificación del cuadrante D. [9] El macrómero D facilita divisiones celulares que difieren de las producidas por los otros tres macrómeros. Las células del cuadrante D dan lugar a las estructuras dorsal y posterior del espiral. [9] Existen dos mecanismos conocidos para especificar el cuadrante D. Estos mecanismos incluyen la escisión igual y la escisión desigual.
En la división celular por igual , las dos primeras divisiones celulares producen cuatro macrómeros que son indistinguibles entre sí. Cada macrómero tiene el potencial de convertirse en el macrómero D. [8] Después de la formación del tercer cuarteto, uno de los macrómeros inicia el contacto máximo con los micrómeros suprayacentes en el polo animal del embrión. [8] [9] Este contacto es necesario para distinguir un macrómero como el blastómero oficial del cuadrante D. En los embriones espirales con división por igual, el cuadrante D no se especifica hasta después de la formación del tercer cuarteto, cuando el contacto con los micrómeros dicta que una célula se convertirá en el futuro blastómero D. Una vez especificado, el blastómero D envía señales a los micrómeros circundantes para que establezcan sus destinos celulares. [9]
En la escisión desigual , las dos primeras divisiones celulares son desiguales, lo que produce cuatro células en las que una célula es más grande que las otras tres. Esta célula más grande se especifica como el macrómero D. [8] [9] A diferencia de las espirales de escisión igual, el macrómero D se especifica en la etapa de cuatro células durante la escisión desigual. La escisión desigual puede ocurrir de dos maneras. Un método implica el posicionamiento asimétrico del huso de escisión. [9] Esto ocurre cuando el áster en un polo se une a la membrana celular, lo que hace que sea mucho más pequeño que el áster en el otro polo. [8] Esto da como resultado una citocinesis desigual , en la que ambos macrómeros heredan parte de la región animal del óvulo, pero solo el macrómero más grande hereda la región vegetal. [8] El segundo mecanismo de escisión desigual implica la producción de una protuberancia citoplasmática enucleada, limitada por la membrana, llamada lóbulo polar. [8] Este lóbulo polar se forma en el polo vegetal durante la escisión, y luego se desvía al blastómero D. [7] [8] El lóbulo polar contiene citoplasma vegetal, que es heredado por el futuro macrómero D. [9]
En presencia de una gran concentración de yema en el óvulo fertilizado, la célula puede sufrir una división parcial o meroblástica. Dos tipos principales de división meroblástica son la discoidal y la superficial . [ cita requerida ]
En comparación con otros animales de rápido desarrollo, los mamíferos tienen un ritmo de división más lento, de entre 12 y 24 horas. Estas divisiones celulares, que inicialmente son sincrónicas, se van haciendo progresivamente cada vez más asincrónicas. La transcripción cigótica comienza en la etapa de dos, cuatro u ocho células, según la especie (por ejemplo, la transcripción cigótica del ratón comienza hacia el final de la etapa de cigoto y se vuelve significativa en la etapa de dos células, mientras que los embriones humanos comienzan la transcripción cigótica en la etapa de ocho células). La segmentación es holoblástica y rotacional.
En el desarrollo embrionario humano en la etapa de ocho células, después de haber sufrido tres divisiones, el embrión comienza a cambiar de forma a medida que se desarrolla en una mórula y luego en un blastocisto . En la etapa de ocho células, los blastómeros son inicialmente redondos y solo se adhieren de forma laxa. Con una división adicional en el proceso de compactación, las células se aplanan unas sobre otras. [13] En la etapa de 16 células, el embrión compactado se llama mórula . [14] [15] Una vez que el embrión se ha dividido en 16 células, comienza a parecerse a una mora , de ahí el nombre mórula ( latín , morus : morera ). [16] Al mismo tiempo, desarrollan una polaridad de adentro hacia afuera que proporciona características y funciones distintivas a sus interfaces célula-célula y célula-medio. [17] [18] A medida que las células de la superficie se vuelven epiteliales , comienzan a adherirse firmemente a medida que se forman las uniones en hendidura y se desarrollan uniones estrechas con los otros blastómeros. [19] [14] Con una mayor compactación, los blastómeros externos individuales, los trofoblastos , se vuelven indistinguibles a medida que se organizan en una fina lámina de células epiteliales firmemente adheridas . Todavía están encerrados dentro de la zona pelúcida . La mórula ahora es hermética, para contener el líquido que las células bombearán más tarde al embrión para transformarlo en el blastocisto.
En los seres humanos, la mórula entra en el útero después de tres o cuatro días y comienza a absorber líquido, ya que las bombas de sodio y potasio en los trofoblastos bombean sodio hacia la mórula, atrayendo agua por ósmosis del entorno materno para convertirse en líquido blastocélico . Como consecuencia del aumento de la presión osmótica, la acumulación de líquido aumenta la presión hidrostática dentro del embrión. [20] La presión hidrostática rompe los contactos célula-célula dentro del embrión mediante fractura hidráulica . [21] Inicialmente disperso en cientos de bolsas de agua en todo el embrión, el líquido se acumula en una única cavidad grande , llamada blastocele, siguiendo un proceso similar a la maduración de Ostwald . [21] Las células embrioblasto, también conocidas como masa celular interna , forman una masa compacta de células en el polo embrionario en un lado de la cavidad que luego producirá el embrión propiamente dicho. El embrión ahora se denomina blastocisto . [14] [22] Los trofoblastos eventualmente darán origen al aporte embrionario a la placenta llamado corion .
Se puede extraer una sola célula de un embrión de ocho células precompactado y utilizarla para el análisis genético , y el embrión se recuperará. [23] [24]
Existen diferencias entre la segmentación en los mamíferos placentarios y en otros mamíferos.