El desarrollo de las extremidades en los vertebrados es un área de investigación activa tanto en biología del desarrollo como en biología evolutiva , y gran parte de este último trabajo se centra en la transición de la aleta a la extremidad . [1]
La formación de las extremidades comienza en el campo morfogenético de las extremidades , cuando las células mesenquimales del mesodermo de la placa lateral proliferan hasta el punto de hacer que el ectodermo de arriba sobresalga, formando un brote de la extremidad . El factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) induce la formación de un organizador al final de la yema de la extremidad, llamado cresta ectodérmica apical (AER), que guía el desarrollo posterior y controla la muerte celular . La muerte celular programada es necesaria para eliminar las membranas interdigitales .
El campo de las extremidades es una región especificada por la expresión de ciertos genes Hox , un subconjunto de genes homeóticos y factores de transcripción T-box : Tbx5 para el desarrollo de las extremidades anteriores o de las alas, y Tbx4 para el desarrollo de las patas o de las extremidades traseras. El establecimiento del campo de las extremidades anteriores (pero no del campo de las extremidades posteriores) requiere la señalización del ácido retinoico en el tronco en desarrollo del embrión del que emergen las yemas de las extremidades. [2] [3] Además, aunque el exceso de ácido retinoico puede alterar el patrón de las extremidades al activar ectópicamente la expresión de Shh o Meis1/Meis2, los estudios genéticos en ratones que eliminan la síntesis de ácido retinoico han demostrado que la AR no es necesaria para el patrón de las extremidades. [4]
La yema de la extremidad permanece activa durante gran parte del desarrollo de la extremidad, ya que estimula la creación y la retención de retroalimentación positiva de dos regiones de señalización: la AER y su posterior creación de la zona de actividad polarizante (ZPA) con las células mesenquimales . [5] Además del eje dorsal-ventral creado por la expresión ectodérmica de señales competitivas Wnt7a y BMP respectivamente, estos centros de señalización AER y ZPA son cruciales para la formación adecuada de una extremidad que esté correctamente orientada con su correspondiente polaridad axial en el organismo en desarrollo. [6] [7] Debido a que estos sistemas de señalización sostienen recíprocamente la actividad de cada uno, el desarrollo de las extremidades es esencialmente autónomo una vez que se han establecido estas regiones de señalización. [5]
La formación de las extremidades comienza en el campo morfogenético de las extremidades . La formación de las extremidades resulta de una serie de interacciones tisulares recíprocas entre el mesénquima del mesodermo de la placa lateral y las células epiteliales superpuestas derivadas del ectodermo . Las células del mesodermo de la placa lateral y el miotoma migran al campo de la extremidad y proliferan hasta el punto de que hacen que el ectodermo de arriba sobresalga, formando la yema de la extremidad . Las células de la placa lateral producen las porciones cartilaginosas y esqueléticas de la extremidad, mientras que las células del miotoma producen los componentes musculares .
Las células mesodérmicas de la placa lateral secretan factores de crecimiento de fibroblastos ( FGF7 y FGF10 ) para inducir al ectodermo suprayacente a formar un organizador en el extremo de la yema de la extremidad, llamado cresta ectodérmica apical (AER), que guía el desarrollo posterior y controla la muerte celular . [8] El AER secreta otros factores de crecimiento FGF8 y FGF4 que mantienen la señal de FGF10 e inducen la proliferación en el mesodermo. [ cita necesaria ] La posición de la expresión de FGF10 está regulada por dos vías de señalización Wnt : Wnt8c en la extremidad trasera y Wnt2b en la extremidad anterior. Las extremidades anteriores y posteriores se especifican por su posición a lo largo del eje anterior/posterior y posiblemente por dos factores de transcripción : Tbx5 y Tbx4 , respectivamente. [9] [10]
Los elementos esqueléticos de la extremidad están prefigurados por agregados apretados conocidos como condensaciones celulares de las células mesenquimales precartílago. [11] La condensación mesenquimal está mediada por la matriz extracelular y las moléculas de adhesión celular . [12] En el proceso de condrogénesis , los condrocitos se diferencian de las condensaciones para formar cartílago , dando origen a los primordios esqueléticos . En el desarrollo de la mayoría de las extremidades de los vertebrados (aunque no en algunos anfibios), el esqueleto de cartílago es reemplazado por hueso más adelante en el desarrollo.
El miembro se organiza en tres regiones: estilopodo, zeugópodo y autópodo (en orden de proximal a distal ). El zeugópodo y el autopodo contienen una serie de motivos de patrones periódicos y cuasiperiódicos . El zeugópodo consta de dos elementos paralelos a lo largo del eje anteroposterior y el autopodo contiene de 3 a 5 (en la mayoría de los casos) elementos a lo largo del mismo eje. Los dedos también tienen una disposición casi periódica a lo largo del eje proximodistal, que consta de cadenas en tándem de elementos esqueléticos. La generación del plan básico de las extremidades durante el desarrollo resulta del patrón del mesénquima mediante una interacción de factores que promueven la condensación del precartílago y factores que la inhiben. [13]
El desarrollo del plan básico de extremidades va acompañado de la generación de diferencias locales entre los elementos. Por ejemplo, el radio y el cúbito de la extremidad anterior, y la tibia y el peroné de la extremidad trasera del zeugópodo son distintos entre sí, al igual que los diferentes dedos de las manos o de los pies en el autopodo. Estas diferencias pueden tratarse esquemáticamente considerando cómo se reflejan en cada uno de los tres ejes principales del miembro.
Un consenso general es que el patrón del esqueleto de las extremidades implica uno o más mecanismos de reacción-difusión de tipo Turing . [1]
La evolución de las extremidades a partir de aletas emparejadas ha sido un área de gran atención. [1] Se han realizado muchos estudios destinados a dilucidar genes y factores de transcripción específicos que son responsables del desarrollo de las extremidades (consulte la Tabla 1 a continuación). En particular, los estudios han demostrado que las familias de genes SHH , DACH1 y BMP , HOX , T-box , FGF y WNT desempeñan un papel fundamental en el desarrollo y la formación exitosos de las extremidades. [14] [15] Para estudiar los genes implicados en el desarrollo de las extremidades (y, por tanto, en la evolución), la reducción y pérdida de extremidades en las serpientes es un enfoque complementario. [16] Las secuencias conservadas implicadas en el desarrollo de las extremidades se conservan en los genomas de las serpientes. Ciertas secuencias de potenciadores de extremidades también se conservan entre diferentes tipos de apéndices, como las extremidades y el falo . [16] [17] Por ejemplo, la señalización del desarrollo de las extremidades desempeña un papel tanto en el desarrollo de las extremidades como del tubérculo genital en ratones. [16] [17] El estudio de la reducción y pérdida de extremidades está desentrañando las vías genéticas que controlan el desarrollo de las extremidades. [16] El sistema de Turing ha permitido una serie de resultados posibles en los pasos evolutivos de la creación de patrones de redes. [1]
Muchos de los genes enumerados en la Tabla 1 desempeñan un papel importante en el desarrollo embrionario, específicamente durante el patrón esquelético y la formación de yemas de las extremidades. [18] El gen Shh y los genes pertenecientes a las familias BMP, Hox, T-box, FGF y Wnt desempeñan un papel fundamental en la señalización y diferenciación celular para regular y promover la formación exitosa de las extremidades. Varios otros genes enumerados anteriormente, un ejemplo es Dach1, son proteínas de unión al ADN que regulan la expresión genética. La intrincada combinación de expresión, regulación, activación y desactivación de genes permite que estos genes produzcan extremidades durante el desarrollo embrionario. Curiosamente, muchos de estos genes permanecen presentes incluso en animales que no tienen extremidades, como las serpientes.
Un aspecto interesante para comprender el desarrollo de las extremidades es abordar la cuestión de cómo las serpientes perdieron sus patas. Las serpientes son un ejemplo particularmente bueno para estudiar la pérdida de extremidades, ya que sufrieron pérdida y regeneración de extremidades varias veces a lo largo de su evolución antes de finalmente perderlas para siempre. Gran parte de la expresión genética durante el desarrollo embrionario se regula mediante señalización espaciotemporal y quimiotáctica , [20] como se muestra en la imagen de la derecha. Evidencia reciente sugiere que los genes altamente conservados responsables del desarrollo de las extremidades (Tabla 1) todavía permanecen presentes en los vertebrados sin extremidades, [21] lo que indica que durante el desarrollo embrionario, la producción de extremidades, o la falta de ellas, puede explicarse mejor mediante la regulación genética.
Una teoría sugiere que la degradación de las secuencias potenciadoras puede haber contribuido a la pérdida progresiva de extremidades en la evolución de las serpientes . En particular, muchos estudios se han centrado en la secuencia reguladora ZPA (ZRS), el potenciador del gen Sonic Hedgehog ( Shh ). Este potenciador de largo alcance es necesario para la formación adecuada de las extremidades en varias especies de vertebrados , y se sabe que las mutaciones en esta secuencia causan deformidades en las extremidades. [17] Como tal, esta secuencia está altamente conservada en una variedad de especies de vertebrados.
Las comparaciones del ZRS central en varias especies de serpientes con las secuencias de ratón y lagarto muestran la presencia de alteraciones específicas de las serpientes. [23] El núcleo ZRS demostró estar conservado principalmente en serpientes basales como la boa constrictor y la pitón , que todavía contienen huesos de la cintura pélvica . [22] Por el contrario, las serpientes avanzadas como la víbora y la cobra , en las que no quedan estructuras esqueléticas de las extremidades, tienen una tasa mucho mayor de cambios de nucleótidos en comparación con el ratón y el lagarto ZRS. [22] Se cree que estos cambios acumulativos en la ZRS de la serpiente son indicativos de una pérdida progresiva de función en este potenciador a lo largo de la evolución de la serpiente. [22]
Investigaciones adicionales sobre estos cambios mostraron una mayor tasa de sustitución en los sitios de unión de factores de transcripción como ETS1 , cuya unión a ZRS ha demostrado activar la transcripción de Shh. [24] Esta degradación en ZRS sugiere que este potenciador puede ser importante para explorar más a fondo los mecanismos moleculares que impulsaron la evolución morfológica de las serpientes.
Las serpientes no son un organismo modelo común, es decir, no son fácilmente tratables genéticamente. Además, los datos de la secuencia del genoma están incompletos y adolecen de anotaciones y calidad deficientes. Estos factores dificultan la comprensión del mecanismo de la pérdida de extremidades de las serpientes mediante un enfoque genético, centrándose y observando la presencia y actividad de estos genes y sus potenciadores reguladores. Muchos de los genes necesarios para la formación de las extremidades todavía se conservan en las serpientes, por lo que la pérdida de una extremidad probablemente no pueda explicarse por la pérdida de genes. [ cita necesaria ]
El miembro en desarrollo debe alinearse con respecto a tres ejes de simetría. [25] Estos son los ejes craneocaudal (de la cabeza a la cola), dorsoventral (de atrás hacia adelante) y proximodistal (de cerca a lejos). [25]
Muchas investigaciones sobre el desarrollo del patrón esquelético de las extremidades han sido influenciadas por el concepto de información posicional propuesto por Lewis Wolpert en 1971. [26] En sintonía con esta idea, se han realizado esfuerzos para identificar moléculas de señalización difusivas ( morfógenos ) que atraviesan ejes ortogonales. de las extremidades en desarrollo y determinar ubicaciones e identidades de elementos esqueléticos de una manera dependiente de la concentración.
Los genes Hox contribuyen a la especificación del estilopodo , zeugópodo y autópodo . Las mutaciones en los genes Hox provocan pérdidas o anomalías proximodistales . [27] Se han propuesto tres modelos diferentes para explicar el patrón de estas regiones.
La cresta ectodérmica apical (AER) crea y mantiene una zona de proliferación celular conocida como zona de progreso . [28] Se cree que aquí las células obtienen la información posicional que necesitan para viajar a su posición de destino. [28] Se propuso que su valor posicional estuviera determinado por el tiempo que las células estuvieron en la zona de progreso, pero esto aún no se ha demostrado (a partir de 2001). [28] Se propuso que las estructuras proximales estuvieran formadas por las primeras células en salir de la zona y las distales, por las células que salían más tarde. [28]
El modelo de Zona de Progreso se propuso hace 30 años, pero la evidencia reciente ha entrado en conflicto con este modelo. [29]
Evidencia experimental:
Las células se especifican para cada segmento de la yema temprana de la extremidad y esta población de células se expande a medida que crece la yema de la extremidad. Este modelo es consistente con las siguientes observaciones. La división celular se observa en todo el brote de la extremidad. La muerte celular ocurre dentro de una zona de 200 μm subyacente al AER cuando se elimina; la muerte celular impide algunos patrones. Las perlas liberadoras de FGF pueden rescatar el desarrollo de las extremidades cuando se elimina el AER al prevenir la muerte de esta célula.
Evidencia experimental:
Más recientemente, sin embargo, los investigadores principales responsables de los modelos de Zona de Progreso y Preespecificación han reconocido que ninguno de estos modelos representa adecuadamente los datos experimentales disponibles. [29]
Este modelo, un modelo de reacción-difusión propuesto por primera vez en 1979, [32] se basa en las propiedades de autoorganización de los medios excitables descritas por Alan Turing en 1952. [33] El medio excitable es el mesénquima de la yema de la extremidad, en el que interactúan las células. por morfógenos positivamente autorreguladores como el factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) y vías de señalización inhibidoras que involucran el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) y Notch . Los ejes proximodistal y craneocaudal no se consideran especificados de forma independiente, sino que emergen por transiciones en el número de elementos paralelos a medida que la zona apical indiferenciada del yema en crecimiento de la extremidad sufre una remodelación. [34] Este modelo sólo especifica un patrón "básico". En cambio, se propone que otros factores como Sonic hedgehog (Shh) y las proteínas Hox, moléculas de información primaria en los otros modelos, desempeñen un papel de ajuste.
Evidencia experimental:
El descubrimiento, en 1957, de la zona de actividad polarizante (ZPA) en la yema de la extremidad proporcionó un modelo para comprender la actividad de modelado mediante la acción de un gradiente morfogénico de Sonic Hedgehog (Shh). [39] Shh se reconoce como un potenciador específico de las extremidades. [40] Shh es suficiente y necesario para crear la ZPA y especificar el patrón craneocaudal en la extremidad distal (Shh no es necesario para la polaridad del estilopodo). Shh se activa en la parte posterior mediante la expresión temprana de los genes Hoxd, la expresión de Hoxb8 y la expresión dHAND. Shh se mantiene en la parte posterior a través de un circuito de retroalimentación entre el ZPA y el AER. Shh induce al AER a producir FGF4 y FGF8 que mantienen la expresión de Shh.
Los dígitos 3, 4 y 5 están especificados por un gradiente temporal de Shh. El dígito 2 se especifica mediante una forma difusible de largo alcance de Shh y el dígito 1 no requiere Shh. Shh escinde el complejo represor transcripcional Ci/Gli3 para convertir el factor de transcripción Gli3 en un activador que activa la transcripción de los genes HoxD a lo largo del cráneo-caudal. La pérdida del represor Gli3 conduce a la formación de dígitos genéricos (no individualizados) en cantidades adicionales. [41]
El patrón dorsoventral está mediado por señales de Wnt7a en el ectodermo suprayacente, no en el mesodermo. Wnt7a es necesario y suficiente para dorsalizar la extremidad. Wnt7a también influye en el cráneo caudal y la pérdida de Wnt7a hace que el lado dorsal de las extremidades se convierta en el lado ventral y provoca la falta de dedos posteriores. Reemplazar las señales Wnt7a rescata este defecto. También se requiere Wnt7a para mantener la expresión de Shh.
Wnt7a también hace que se exprese Lmx1b, un gen LIM Homebox (y, por tanto, un factor de transcripción ). Lmx1b participa en la dorsalización de la extremidad, lo que se demostró desactivando el gen Lmx1b en ratones. [42] Los ratones que carecían de Lmx1b produjeron piel ventral en ambos lados de sus patas. Se cree que hay otros factores que controlan el patrón DV; Engrailed-1 reprime el efecto dorsalizante de Wnt7a en el lado ventral de las extremidades. [43]
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