Las células de la cresta neural son un grupo temporal de células que surgen de la capa germinal del ectodermo embrionario y, a su vez, dan lugar a un linaje celular diverso, que incluye melanocitos , cartílago y hueso craneofacial , músculo liso , neuronas periféricas y entéricas y glía . [1] [2]
Después de la gastrulación , las células de la cresta neural se especifican en el borde de la placa neural y el ectodermo no neural . Durante la neurulación , los bordes de la placa neural, también conocidos como pliegues neurales , convergen en la línea media dorsal para formar el tubo neural . [3] Posteriormente, las células de la cresta neural de la placa del techo del tubo neural experimentan una transición epitelial a mesenquimatosa , se deslaminan del neuroepitelio y migran a través de la periferia donde se diferencian en diversos tipos de células. [1] La aparición de la cresta neural fue importante en la evolución de los vertebrados porque muchos de sus derivados estructurales son características definitorias del clado de los vertebrados . [4]
Detrás del desarrollo de la cresta neural hay una red reguladora de genes , descrita como un conjunto de señales interactivas, factores de transcripción y genes efectores posteriores que confieren características celulares como multipotencia y capacidades migratorias. [5] Comprender los mecanismos moleculares de la formación de la cresta neural es importante para nuestro conocimiento de las enfermedades humanas debido a sus contribuciones a múltiples linajes celulares . Las anomalías en el desarrollo de la cresta neural causan neurocristopatías , que incluyen afecciones como la displasia frontonasal , el síndrome de Waardenburg-Shah y el síndrome de DiGeorge . [1]
Por lo tanto, definir los mecanismos del desarrollo de la cresta neural puede revelar ideas clave sobre la evolución de los vertebrados y las neurocristopatías.
La cresta neural fue descrita por primera vez en el embrión de pollo por Wilhelm His padre en 1868 como "el cordón intermedio" (Zwischenstrang) debido a su origen entre la placa neural y el ectodermo no neural. [1] Llamó al tejido cresta ganglionar ya que su destino final era cada lado lateral del tubo neural donde se diferenciaba en ganglios espinales. [6] Durante la primera mitad del siglo XX, la mayoría de las investigaciones sobre la cresta neural se realizaron utilizando embriones de anfibios, lo cual fue revisado por Hörstadius (1950) en una conocida monografía. [7]
Las técnicas de etiquetado celular avanzaron en el campo de la cresta neural porque permitieron a los investigadores visualizar la migración del tejido a lo largo de los embriones en desarrollo. En la década de 1960, Weston y Chibon utilizaron marcaje radioisotópico del núcleo con timidina tritiada en embriones de pollo y anfibio, respectivamente. Sin embargo, este método adolece de inconvenientes de estabilidad, ya que cada vez que la célula marcada se divide, la señal se diluye. También se han desarrollado técnicas modernas de etiquetado celular, como el dextrano lisinado con rodamina y el tinte vital diI, para marcar transitoriamente los linajes de la cresta neural. [6]
El sistema de marcado de polluelos de codorniz, ideado por Nicole Le Douarin en 1969, fue otra técnica instrumental utilizada para rastrear las células de la cresta neural. [8] [9] Las quimeras , generadas mediante trasplantes, permitieron a los investigadores distinguir las células de la cresta neural de una especie del tejido circundante de otra especie. Con esta técnica, generaciones de científicos pudieron marcar y estudiar de forma fiable la ontogenia de las células de la cresta neural.
Una cascada molecular de eventos está involucrada en el establecimiento de las características migratorias y multipotentes de las células de la cresta neural. Esta red reguladora de genes se puede subdividir en las siguientes cuatro subredes que se describen a continuación.
En primer lugar, las moléculas de señalización extracelular, secretadas por la epidermis adyacente y el mesodermo subyacente, como Wnts , BMP y Fgfs , separan el ectodermo no neural (epidermis) de la placa neural durante la inducción neural . [1] [4]
La señalización Wnt se ha demostrado en la inducción de la cresta neural en varias especies mediante experimentos de ganancia y pérdida de función. En coherencia con esta observación, la región promotora de slug (un gen específico de la cresta neural) contiene un sitio de unión para factores de transcripción implicados en la activación de genes diana dependientes de Wnt, lo que sugiere un papel directo de la señalización de Wnt en la especificación de la cresta neural. [10]
El papel actual de las BMP en la formación de la cresta neural está asociado con la inducción de la placa neural. Los antagonistas de BMP que se difunden desde el ectodermo generan un gradiente de actividad de BMP. De esta manera, el linaje de la cresta neural se forma a partir de niveles intermedios de señalización de BMP necesarios para el desarrollo de la placa neural (BMP baja) y la epidermis (BMP alta). [1]
Se ha sugerido que Fgf del mesodermo paraxial es una fuente de señal inductiva de la cresta neural. Los investigadores han demostrado que la expresión del receptor Fgf dominante negativo en explantes de ectodermo bloquea la inducción de la cresta neural cuando se recombina con el mesodermo paraxial. [11] La comprensión del papel de las vías BMP, Wnt y Fgf en la expresión del especificador de la cresta neural sigue siendo incompleta.
Los eventos de señalización que establecen el borde de la placa neural conducen a la expresión de un conjunto de factores de transcripción aquí delineados como especificadores del borde de la placa neural. Estas moléculas incluyen factores Zic, Pax3/7, Dlx5, Msx1/2 que pueden mediar la influencia de Wnts, BMP y Fgfs. Estos genes se expresan ampliamente en la región del borde de la placa neural y preceden a la expresión de marcadores auténticos de la cresta neural. [4]
La evidencia experimental sitúa estos factores de transcripción aguas arriba de los especificadores de la cresta neural. Por ejemplo, en Xenopus Msx1 es necesario y suficiente para la expresión de Slug, Snail y FoxD3. [12] Además, Pax3 es esencial para la expresión de FoxD3 en embriones de ratón. [13]
Después de la expresión de los especificadores del borde de la placa neural hay una colección de genes que incluyen Slug/Snail, FoxD3, Sox10, Sox9, AP-2 y c-Myc. Este conjunto de genes, denominados aquí especificadores de la cresta neural, se activan en las células emergentes de la cresta neural. Al menos en Xenopus, cada especificador de cresta neural es necesario y/o suficiente para la expresión de todos los demás especificadores, lo que demuestra la existencia de una amplia regulación cruzada. [4] Además, este organismo modelo fue fundamental para dilucidar el papel de la vía de señalización Hedgehog en la especificación de la cresta neural, con el factor de transcripción Gli2 desempeñando un papel clave. [14]
Fuera de la red estrechamente regulada de especificadores de crestas neurales hay otros dos factores de transcripción, Twist e Id. Twist, un factor de transcripción bHLH , es necesario para la diferenciación del mesénquima de las estructuras del arco faríngeo . [15] Id es un objetivo directo de c-Myc y se sabe que es importante para el mantenimiento de las células madre de la cresta neural. [dieciséis]
Finalmente, los especificadores de la cresta neural activan la expresión de genes efectores, que confieren ciertas propiedades como la migración y la multipotencia. Dos efectores de la cresta neural, Rho GTPasas y cadherinas , funcionan en la delaminación regulando la morfología celular y las propiedades adhesivas. Sox9 y Sox10 regulan la diferenciación de la cresta neural activando muchos efectores específicos de tipos celulares, incluidos Mitf, P0, Cx32, Trp y cKit. [4]
La migración de las células de la cresta neural implica una cascada de eventos altamente coordinados que comienza con el cierre del tubo neural dorsal .
Después de la fusión del pliegue neural para crear el tubo neural , las células originalmente ubicadas en el borde de la placa neural se convierten en células de la cresta neural . [17] Para que comience la migración, las células de la cresta neural deben someterse a un proceso llamado delaminación que implica una transición epitelial-mesenquimatosa (EMT) total o parcial . [18] La delaminación se define como la separación del tejido en diferentes poblaciones, en este caso, células de la cresta neural que se separan del tejido circundante. [19] Por el contrario, la EMT es una serie de eventos que coordinan un cambio de un fenotipo epitelial a mesenquimatoso . [18] Por ejemplo, la delaminación en embriones de pollo es desencadenada por una cascada BMP / Wnt que induce la expresión de EMT que promueve factores de transcripción como SNAI2 y FoxD3 . [19] Aunque todas las células de la cresta neural se someten a EMT, el momento de la delaminación ocurre en diferentes etapas en diferentes organismos: en los embriones de Xenopus laevis hay una delaminación masiva que ocurre cuando la placa neural no está completamente fusionada, mientras que en el embrión de pollo ocurre la delaminación. durante la fusión del pliegue neural . [19]
Antes de la delaminación, las presuntas células de la cresta neural se anclan inicialmente a las células vecinas mediante proteínas de unión estrecha como la ocludina y moléculas de adhesión celular como NCAM y N - Cadherina . [20] Las BMP expresadas dorsalmente inician la delaminación induciendo la expresión de los factores de transcripción de la proteína del dedo de zinc caracol , babosa y torsión . [17] Estos factores desempeñan un papel directo en la inducción de la transición epitelial-mesenquimatosa al reducir la expresión de ocludina y N-cadherina , además de promover la modificación de las NCAM con residuos de ácido polisiálico para disminuir la adhesividad. [17] [21] Las células de la cresta neural también comienzan a expresar proteasas capaces de degradar cadherinas como ADAM10 [22] y secretan metaloproteinasas de matriz (MMP) que degradan la lámina basal suprayacente del tubo neural para permitir que las células de la cresta neural escapen. [20] Además, las células de la cresta neural comienzan a expresar integrinas que se asocian con proteínas de la matriz extracelular , incluido el colágeno , la fibronectina y la laminina , durante la migración. [23] Una vez que la lámina basal se vuelve permeable, las células de la cresta neural pueden comenzar a migrar por todo el embrión.
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La migración de las células de la cresta neural se produce en dirección rostral a caudal sin la necesidad de un andamio neuronal como a lo largo de una célula glial radial . Por este motivo, el proceso de migración de las células de la cresta se denomina "migración libre". En lugar de un andamiaje sobre células progenitoras , la migración de la cresta neural es el resultado de una guía repulsiva a través de la señalización de EphB / EphrinB y semaforina / neuropilina , interacciones con la matriz extracelular e inhibición del contacto entre sí. [17] Mientras que las proteínas Ephrin y Eph tienen la capacidad de sufrir señalización bidireccional, la repulsión de las células de la cresta neural emplea predominantemente señalización directa para iniciar una respuesta dentro del receptor que lleva la célula de la cresta neural. [23] Las florecientes células de la cresta neural expresan EphB, un receptor tirosina quinasa , que se une al ligando transmembrana EphrinB expresado en la mitad caudal de cada somita . Cuando estos dos dominios interactúan, provoca la fosforilación de tirosina del receptor, la activación de rhoGTPasas y eventuales reordenamientos citoesqueléticos dentro de las células de la cresta que las inducen a repelerse. Este fenómeno permite que las células de la cresta neural se canalicen a través de la porción rostral de cada somita. [17]
La señalización repulsiva de semaforina-neuropilina funciona sinérgicamente con la señalización de EphB para guiar las células de la cresta neural por la mitad rostral de los somitas en ratones. En los embriones de pollo, la semaforina actúa en la región cefálica para guiar las células de la cresta neural a través de los arcos faríngeos . Además de la señalización repulsiva, las células de la cresta neural expresan integrinas β1 y α4 , lo que permite la unión y la interacción guiada con el colágeno , la laminina y la fibronectina de la matriz extracelular a medida que viajan. Además, las células de la cresta tienen una inhibición intrínseca del contacto entre sí mientras invaden libremente tejidos de diferente origen como el mesodermo . [17] Las células de la cresta neural que migran a través de la mitad rostral de los somitas se diferencian en neuronas sensoriales y simpáticas del sistema nervioso periférico . La otra ruta principal que toman las células de la cresta neural es dorsolateral entre la epidermis y el dermamiotoma . Las células que migran por este camino se diferencian en células pigmentarias de la dermis . Una mayor diferenciación y especificación de las células de la cresta neural en su tipo de célula final está sesgada por su sujeción espaciotemporal a señales morfogénicas como BMP, Wnt, FGF, Hox y Notch . [20]
Las neurocristopatías resultan de la especificación, migración, diferenciación o muerte anormal de las células de la cresta neural durante el desarrollo embrionario. [24] [25] Este grupo de enfermedades comprende un amplio espectro de malformaciones congénitas que afectan a muchos recién nacidos. Además, surgen debido a defectos genéticos que afectan la formación de la cresta neural y debido a la acción de los teratógenos [26].
El síndrome de Waardenburg es una neurocristopatía que resulta de una migración defectuosa de las células de la cresta neural. Las principales características de la afección incluyen piebaldismo y sordera congénita . En el caso del piebaldismo, las áreas de piel incoloras son causadas por una ausencia total de melanocitos productores de pigmentos derivados de la cresta neural . [27] Hay cuatro tipos diferentes de síndrome de Waardenburg, cada uno con características genéticas y fisiológicas distintas. Los tipos I y II se distinguen en función de si los familiares del individuo afectado tienen distopía cantorum o no . [28] El tipo III da lugar a anomalías en las extremidades superiores. Por último, el tipo IV también se conoce como síndrome de Waardenburg-Shah, y los individuos afectados presentan tanto el síndrome de Waardenburg como la enfermedad de Hirschsprung . [29] Los tipos I y III se heredan de forma autosómica dominante , [27] mientras que II y IV exhiben un patrón de herencia autosómico recesivo . En general, el síndrome de Waardenburg es poco común, con una incidencia de aproximadamente 2/100 000 personas en los Estados Unidos. Todas las razas y sexos se ven igualmente afectados. [27] Actualmente no existe cura ni tratamiento para el síndrome de Waardenburg.
También implicada en defectos relacionados con el desarrollo y la migración de las células de la cresta neural está la enfermedad de Hirschsprung (HD o HSCR), caracterizada por una falta de inervación en regiones del intestino . Esta falta de inervación puede provocar otras anomalías fisiológicas como agrandamiento del colon ( megacolon ), obstrucción de los intestinos o incluso un crecimiento más lento. En un desarrollo saludable, las células de la cresta neural migran hacia el intestino y forman los ganglios entéricos . Los genes que desempeñan un papel en la migración saludable de estas células de la cresta neural al intestino incluyen RET , GDNF , GFRα , EDN3 y EDNRB . RET , un receptor tirosina quinasa (RTK), forma un complejo con GDNF y GFRα . EDN3 y EDNRB están entonces implicados en la misma red de señalización. Cuando esta señalización se altera en ratones, se produce aganglionosis o la falta de estos ganglios entéricos. [30]
La exposición prenatal al alcohol (PAE) se encuentra entre las causas más comunes de defectos del desarrollo . [31] Dependiendo del alcance de la exposición y la gravedad de las anomalías resultantes, los pacientes son diagnosticados dentro de una serie de trastornos denominados en términos generales Trastorno del espectro alcohólico fetal (FASD). El FASD grave puede afectar la migración de la cresta neural , como lo demuestran las anomalías craneofaciales características que incluyen fisuras palpebrales cortas , un labio superior alargado y un filtro alisado . Sin embargo, debido a la naturaleza promiscua de la unión del etanol , los mecanismos por los cuales surgen estas anomalías aún no están claros. Los explantes de cultivos celulares de células de la cresta neural, así como los embriones de pez cebra en desarrollo in vivo expuestos a etanol, muestran una disminución en el número de células migratorias y una disminución de las distancias recorridas por las células de la cresta neural en migración. Los mecanismos detrás de estos cambios no se comprenden bien, pero la evidencia sugiere que la PAE puede aumentar la apoptosis debido al aumento de los niveles de calcio citosólico causado por la liberación de calcio mediada por IP3 desde las reservas intracelulares . También se ha propuesto que la disminución de la viabilidad de las células de la cresta neural expuestas al etanol es causada por un aumento del estrés oxidativo . A pesar de estos y otros avances, queda mucho por descubrir sobre cómo el etanol afecta el desarrollo de la cresta neural. Por ejemplo, parece que el etanol afecta de manera diferencial a ciertas células de la cresta neural sobre otras; es decir, si bien las anomalías craneofaciales son comunes en la EAP, las células pigmentarias derivadas de la cresta neural parecen verse mínimamente afectadas. [32]
El síndrome de DiGeorge se asocia con deleciones o translocaciones de un pequeño segmento en el cromosoma humano 22 . Esta deleción puede alterar la migración o el desarrollo de las células de la cresta neural rostral . Algunos defectos observados están relacionados con el sistema de bolsa faríngea , que recibe contribución de las células de la cresta migratoria rostral. Los síntomas del síndrome de DiGeorge incluyen defectos cardíacos congénitos , defectos faciales y algunas discapacidades neurológicas y de aprendizaje . También se ha informado que los pacientes con deleciones 22q11 tienen una mayor incidencia de esquizofrenia y trastorno bipolar . [33]
El síndrome de Treacher Collins (STC) resulta del desarrollo comprometido del primer y segundo arco faríngeo durante la etapa embrionaria temprana, lo que en última instancia conduce a anomalías en la parte media e inferior de la cara. El TCS es causado por la mutación sin sentido del gen TCOF1 , que hace que las células de la cresta neural experimenten apoptosis durante la embriogénesis . Aunque las mutaciones del gen TCOF1 se encuentran entre las mejor caracterizadas en su papel en el TCS, las mutaciones en los genes POLR1C y POLR1D también se han relacionado con la patogénesis del TCS. [34]
Las células de la cresta neural que se originan en diferentes posiciones a lo largo del eje anteroposterior se desarrollan en diversos tejidos. Estas regiones de la cresta neural se pueden dividir en cuatro dominios funcionales principales, que incluyen la cresta neural craneal, la cresta neural del tronco, la cresta neural vagal y sacra y la cresta neural cardíaca.
La cresta neural craneal migra dorsolateralmente para formar el mesénquima craneofacial que se diferencia en varios ganglios craneales y cartílagos y huesos craneofaciales. [21] Estas células ingresan a las bolsas y arcos faríngeos donde contribuyen al timo , los huesos del oído medio y la mandíbula y los odontoblastos de los primordios dentales. [35]
La cresta neural del tronco da origen a dos poblaciones de células. [36] Un grupo de células destinadas a convertirse en melanocitos migra dorsolateralmente hacia el ectodermo hacia la línea media ventral. Un segundo grupo de células migra ventrolateralmente a través de la porción anterior de cada esclerotoma . Las células que permanecen en el esclerotoma forman los ganglios de la raíz dorsal , mientras que las que continúan más ventralmente forman los ganglios simpáticos, la médula suprarrenal y los nervios que rodean la aorta. [35]
Las células de la cresta neural vagal y sacra se convierten en los ganglios del sistema nervioso entérico y los ganglios parasimpáticos. [35]
La cresta neural cardíaca se convierte en melanocitos, cartílago, tejido conectivo y neuronas de algunos arcos faríngeos. Asimismo, este dominio da lugar a regiones del corazón como el tejido musculoconectivo de las grandes arterias, y parte del tabique , que divide la circulación pulmonar de la aorta. [35] Las válvulas semilunares del corazón están asociadas con las células de la cresta neural según una nueva investigación. [37]
Varias estructuras que distinguen a los vertebrados de otros cordados se forman a partir de derivados de las células de la cresta neural. En su teoría de la "nueva cabeza", Gans y Northcut sostienen que la presencia de la cresta neural fue la base de características específicas de los vertebrados, como los ganglios sensoriales y el esqueleto craneal. Además, la aparición de estas características fue fundamental en la evolución de los vertebrados porque permitió un estilo de vida depredador. [38] [39]
Sin embargo, considerar la cresta neural una innovación de los vertebrados no significa que surgiera de novo . En cambio, a menudo surgen nuevas estructuras a través de la modificación de programas regulatorios de desarrollo existentes. Por ejemplo, los programas regulatorios pueden cambiarse mediante la cooptación de nuevos reguladores ascendentes o mediante el empleo de nuevos objetivos genéticos descendentes, colocando así las redes existentes en un contexto novedoso. [40] [41] Esta idea está respaldada por datos de hibridación in situ que muestran la conservación de los especificadores del borde de la placa neural en protocordados , lo que sugiere que parte de la red precursora de la cresta neural estaba presente en un ancestro común de los cordados. [5] En algunos cordados no vertebrados, como los tunicados, se ha identificado un linaje de células (melanocitos), que son similares a las células de la cresta neural de los vertebrados. Esto implica que existía una cresta neural rudimentaria en un ancestro común de los vertebrados y los tunicados. [42]
Ectomesénquima (también conocido como mesectodermo ): [43] odontoblastos , papilas dentales , el condrocráneo (cápsula nasal, cartílago de Meckel , huesecillos esclerales, cuadrado, articular, hioides y columela), cartílago traqueal y laríngeo , dermatocráneo (huesos membranosos), dorsal aletas y plastrón de tortuga (vertebrados inferiores), pericitos y músculo liso de las arterias y venas branquiales, tendones de los músculos oculares y masticatorios, tejido conectivo de las glándulas de la cabeza y el cuello (pituitaria, salival, lagrimal, timo, tiroides), dermis y tejido adiposo de calvaria, cuello ventral y cara
Células endocrinas : células cromafines de la médula suprarrenal, células del glomo tipo I/II.
Sistema nervioso periférico : neuronas sensoriales y glía de los ganglios de la raíz dorsal , ganglios cefálicos (VII y en parte, V, IX y X), células de Rohon-Beard , algunas células de Merkel en el bigote, [44] [45] Glía satélite células de todos los ganglios autónomos y sensoriales, células de Schwann de todos los nervios periféricos.
Células entéricas : Células enterocromafines . [46]
Melanocitos , músculo del iris y células pigmentarias , e incluso asociados a algunos tumores (como el tumor neuroectodérmico melanótico de la infancia ).