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 los mamíferos el blastocisto , se reorganiza en un embrión de dos o tres capas conocido como gástrula . [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 futuro intestino . [2]
En los organismos triploblásticos , la gástrula es trilaminar (de tres capas). Estas tres capas germinales son el ectodermo (capa externa), el mesodermo (capa intermedia) y el endodermo (capa interna). [3] [4] En los organismos diploblásticos , como Cnidaria y Ctenophora , la gástrula solo tiene ectodermo y endodermo. Las dos capas también se denominan a veces hipoblasto y epiblasto . [5] Las esponjas no pasan por la etapa de gástrula.
La gastrulación se produce después de la división y la formación de la blástula o blastocisto. A la gastrulación le sigue la organogénesis , cuando se desarrollan órganos individuales dentro de las capas germinales recién formadas. [6] Cada capa da lugar a tejidos y órganos específicos en el embrión en desarrollo.
Después de la gastrulación, las células del cuerpo se organizan en láminas de células conectadas (como en los epitelios ) o como una malla de células aisladas, como el mesénquima . [4] [8]
Aunque los patrones de gastrulación exhiben una enorme variación en todo el reino animal, están unificados por los cinco tipos básicos de movimientos celulares que ocurren durante la gastrulación: [2] [9]
Los términos "gástrula" y "gastrulación" fueron acuñados por Ernst Haeckel , en su obra de 1872 "Biología de las esponjas calcáreas" . [10] Gástrula (literalmente, "pequeña barriga") es un diminutivo neolatino basado en el griego antiguo γαστήρ gastḗr ("una barriga").
A Lewis Wolpert , biólogo del desarrollo pionero en este campo, se le atribuye haber señalado que "no es el nacimiento, el matrimonio o la muerte, sino la gastrulación el momento verdaderamente más importante de la vida". [2] [11]
La gastrulación es muy variable en todo el reino animal, pero tiene similitudes subyacentes. La gastrulación 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. Los organismos modelo cuya gastrulación se entiende con mayor detalle incluyen el molusco , el erizo de mar , la rana y el pollo . Un sistema modelo humano es el gastruloide .
La distinción entre protóstomos y deuteróstomos se basa en la dirección en la que se desarrolla la boca (estoma) en relación con el blastoporo . 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 segunda y boca (δεύτερος + στόμα). [ cita requerida ]
Las principales distinciones entre deuteróstomos y protóstomos se encuentran en el desarrollo embrionario :
Los erizos de mar han sido organismos modelo importantes en la biología del desarrollo desde el siglo XIX. [12] Su gastrulación se considera a menudo el arquetipo de los deuteróstomos invertebrados. [13] Se han utilizado experimentos junto con simulaciones por ordenador para obtener conocimientos sobre la gastrulación en el erizo de mar. Simulaciones recientes han descubierto que la polaridad celular plana es suficiente para impulsar la gastrulación del erizo de mar. [14]
Los erizos de mar presentan patrones de segmentación y destinos celulares altamente estereotipados. Los ARNm depositados por la madre establecen el centro organizador del embrión del erizo de mar. La señalización canónica de Wnt y Delta-Notch segrega progresivamente el endodermo y el mesodermo. [15]
En los erizos de mar, las primeras células que se internalizan son las células primarias del mesénquima (PMC), que tienen un destino esqueletógeno y que ingresan durante la etapa de blástula. La gastrulación (internalización del endodermo prospectivo y del mesodermo no esqueletógeno ) comienza poco después con la invaginación y otros reordenamientos celulares del polo vegetal , que contribuyen aproximadamente en un 30 % a la longitud final del arquenterón . La longitud final del intestino depende de los reordenamientos celulares dentro del arquenterón. [16]
El género de ranas Xenopus se ha utilizado como organismo modelo para el estudio de la gastrulación. [17]
El espermatozoide aporta uno de los dos ásteres mitóticos necesarios para completar la primera división. El espermatozoide puede entrar en cualquier parte de la mitad animal del óvulo, pero su punto exacto de entrada romperá la simetría radial del óvulo organizando el citoesqueleto . Antes de la primera división, la corteza del óvulo gira en relación con el citoplasma interno por la acción coordinada de los microtúbulos , en un proceso conocido como rotación cortical. Este desplazamiento pone en contacto los determinantes del destino celular cargados por la madre desde el citoplasma ecuatorial y la corteza vegetal, y juntos estos determinantes configuran el organizador . Por lo tanto, el área del lado vegetal opuesto al punto de entrada del espermatozoide se convertirá en el organizador. [18] Hilde Mangold , trabajando en el laboratorio de Hans Spemann , demostró que este "organizador" especial del embrión es necesario y suficiente para inducir la gastrulación. [19] [20] [21]
La especificación del endodermo depende de la reorganización de los determinantes depositados por la madre, lo que conduce a la nuclearización de la beta-catenina . El mesodermo se induce mediante la señalización del endodermo presunto a las células que de otro modo se convertirían en ectodermo. [18]
El labio dorsal del blastoporo es el impulsor mecánico de la gastrulación. El primer signo de invaginación que se observa en la rana es el labio dorsal. [ cita requerida ]
En la rana Xenopus, una de las señales es el ácido retinoico (AR). [22] La señalización del AR en este organismo puede afectar la formación del endodermo y, dependiendo del momento de la señalización, puede determinar si su destino es pancreático, intestinal o respiratorio. Otras señales como Wnt y BMP también desempeñan un papel en el destino respiratorio del Xenopus al activar los trazadores del linaje celular. [22]
En los amniotas (reptiles, aves y mamíferos), la gastrulación implica la creación del blastoporo, una abertura hacia el arquenterón . Nótese que el blastoporo no es una abertura hacia el blastocele , el espacio dentro de la blástula , sino que representa una nueva cavidad que empuja las superficies existentes de la blástula juntas. En los amniotas , la gastrulación ocurre en la siguiente secuencia: (1) el embrión se vuelve asimétrico ; (2) se forma la línea primitiva ; (3) las células del epiblasto en la línea primitiva experimentan una transición epitelial a mesenquimal e ingresan en la línea primitiva para formar las capas germinales . [7]
En preparación para la gastrulación, el embrión debe volverse asimétrico a lo largo del eje proximal-distal y del eje anteroposterior . El eje proximal-distal se forma cuando las células del embrión forman el "cilindro del óvulo", que consiste en los tejidos extraembrionarios, que dan lugar a estructuras como la placenta , en el extremo proximal y el epiblasto en el extremo distal. Muchas vías de señalización contribuyen a esta reorganización, incluyendo BMP , FGF , nodal y Wnt . El endodermo visceral rodea el epiblasto . El endodermo visceral distal (DVE) migra a la porción anterior del embrión, formando el endodermo visceral anterior (AVE). Esto rompe la simetría anteroposterior y está regulado por la señalización nodal . [7]
La línea primitiva se forma al comienzo de la gastrulación y se encuentra en la unión entre el tejido extraembrionario y el epiblasto en el lado posterior del embrión y el sitio de ingresión . [23] La formación de la línea primitiva depende de la señalización nodal [7] en la hoz de Koller dentro de las células que contribuyen a la línea primitiva y la señalización BMP4 del tejido extraembrionario. [23] [24] Además, Cer1 y Lefty1 restringen la línea primitiva a la ubicación apropiada al antagonizar la señalización nodal . [25] La región definida como la línea primitiva continúa creciendo hacia la punta distal. [7]
Durante las primeras etapas del desarrollo, la línea primitiva es la estructura que establecerá la simetría bilateral , determinará el sitio de la gastrulación e iniciará la formación de la capa germinal. [26] Para formar la línea, los reptiles, las aves y los mamíferos disponen las células mesenquimales a lo largo de la línea media prospectiva, estableciendo el primer eje embrionario, así como el lugar donde las células ingresarán y migrarán durante el proceso de gastrulación y formación de la capa germinal. [27] La línea primitiva se extiende a través de esta línea media y crea el eje corporal anteroposterior, [28] convirtiéndose en el primer evento de ruptura de simetría en el embrión , y marca el comienzo de la gastrulación. [29] Este proceso implica la ingresión de los progenitores del mesodermo y el endodermo y su migración a su posición final, [28] [30] donde se diferenciarán en las tres capas germinales. [27] La localización de la molécula de adhesión celular y señalización beta-catenina es fundamental para la formación adecuada de la región organizadora que es responsable de iniciar la gastrulación.
Para que las células se muevan desde el epitelio del epiblasto a través de la línea primitiva para formar una nueva capa, las células deben experimentar una transición epitelial a mesenquimal (EMT) para perder sus características epiteliales, como la adhesión célula-célula . La señalización de FGF es necesaria para una EMT adecuada. FGFR1 es necesario para la regulación positiva de SNAI1 , que regula negativamente la E-cadherina , causando una pérdida de adhesión celular. Después de la EMT, las células ingresan a través de la línea primitiva y se extienden para formar una nueva capa de células o unirse a capas existentes. FGF8 está implicado en el proceso de esta dispersión desde la línea primitiva . [25]
Existen ciertas señales que desempeñan un papel en la determinación y formación de las tres capas germinales, como FGF, RA y Wnt. [22] En mamíferos como los ratones, la señalización de RA puede desempeñar un papel en la formación de los pulmones. Si no hay suficiente RA, habrá un error en la producción pulmonar. RA también regula la competencia respiratoria en este modelo de ratón. [ cita requerida ]
Durante la gastrulación, las células se diferencian en el ectodermo o mesendodermo , que luego se separa en mesodermo y endodermo. [22] 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 enviarán señales a los receptores de serina/treonina quinasa transmembrana, y esto luego fosforilará Smad2 y Smad3 . Esta proteína luego se unirá a Smad4 y se reubicará en el núcleo donde los genes del mesendodermo comenzarán a transcribirse. La vía Wnt junto con la β-catenina juega un papel clave en la señalización nodal y la formación del endodermo. [31] 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 desarrollo del endodermo. [22] Los FGF son importantes en la producción del gen homeobox que regula el desarrollo anatómico temprano. La señalización de BMP desempeña 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. [22] La señalización de RA también tiene múltiples usos en la formación de órganos de los arcos faríngeos, el intestino anterior y el intestino posterior. [22]
Se han realizado varios intentos de comprender los procesos de gastrulación utilizando técnicas in vitro en paralelo y complementarios a los estudios en embriones, generalmente mediante el uso de técnicas de cultivo de células 2D [32] [33] [34] y 3D ( organoides embrionarios ) [35] [36] [37] [38] utilizando células madre embrionarias (ESC) o células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Estos se asocian con una serie de claras ventajas en el uso de protocolos basados en cultivos de tejidos, algunas de las cuales incluyen la reducción del costo del trabajo in vivo asociado (reduciendo, reemplazando y refinando así el uso de animales en experimentos; las 3R ), pudiendo aplicar con precisión agonistas/antagonistas de manera espacial y temporalmente específica [36] [37] 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 el contexto.
Para ilustrar esto, la diferenciación guiada de las 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 [32] (por ejemplo, la regulación ascendente transitoria de la braquiuria y los cambios celulares asociados con una transición epitelial a mesenquimal [32] ), 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. [33] [34] Finalmente, utilizando técnicas basadas en organoides y cuerpos embrionarios 3D , pequeños agregados de ESC de ratón ( organoides embrionarios o gastruloides ) pueden mostrar una serie de procesos del desarrollo temprano del embrión de mamíferos, como la ruptura de la simetría, la polarización de la expresión génica, los movimientos similares a la gastrulación, elongación axial y la generación de los tres ejes embrionarios (ejes anteroposterior, dorsoventral e izquierdo-derecho). [35] [36] [37] [39]
La fertilización in vitro se lleva a cabo en un laboratorio. El proceso de fertilización in vitro es cuando se extraen óvulos maduros de los ovarios y se colocan en un medio de cultivo donde son fertilizados por el esperma. En el cultivo se formará el embrión. [40] 14 días después de la fertilización se forma la línea primitiva. La formación de la línea primitiva ha sido conocida por algunos países como "individualidad humana". [41] Esto significa que el embrión es ahora un ser en sí mismo, es su propia entidad. Los países que creen esto han creado una regla de 14 días en la que es ilegal estudiar o experimentar con un embrión humano después del período de 14 días in vitro . Se han realizado investigaciones sobre los primeros 14 días de un embrión, pero no se han realizado estudios conocidos después de los 14 días. [42] Con la regla en vigor, se utilizan embriones de ratones para comprender el desarrollo después de 14 días; sin embargo, existen diferencias en el desarrollo entre ratones y humanos.
