Modelo de formación de gradiente de concentración; Los contornos finos de color amarillo anaranjado son los límites de las células. [1]La difusión de un morfógeno en un compartimento alargado. Los tres colores azul, blanco y rojo representan tres rangos de concentración del morfógeno inicial, que luego puede activar tres genes de manera diferenciada, y así estar en el origen de tres partes diferentes del organismo.
El modelo de la bandera francesa es una definición conceptual de un morfógeno , descrito por Lewis Wolpert en los años 1960. [2] [3] Un morfógeno se define como una molécula de señalización que actúa directamente sobre las células (no a través de inducción en serie) para producir respuestas celulares específicas que dependen de la concentración de morfógeno. Durante el desarrollo temprano, los gradientes de morfógenos generan diferentes tipos de células en distinto orden espacial. El patrón de la bandera francesa se encuentra a menudo en combinación con otros: el desarrollo de las extremidades de los vertebrados es uno de los muchos fenotipos que exhiben el patrón de la bandera francesa superpuesto con un patrón complementario (en este caso, el patrón de Turing ). [4]
Descripción general
En el modelo de la bandera francesa, la bandera francesa se utiliza para representar el efecto de un morfógeno en la diferenciación celular: un morfógeno afecta los estados celulares en función de la concentración, estos estados están representados por los diferentes colores de la bandera francesa: las concentraciones altas activan un "azul ", concentraciones más bajas activan un gen "blanco", mientras que el "rojo" sirve como estado predeterminado en las células por debajo del umbral de concentración necesario.
El modelo de la bandera francesa fue defendido por el destacado biólogo de Drosophila , Peter Lawrence . Christiane Nüsslein-Volhard identificó el primer morfógeno, Bicoid , uno de los factores de transcripción presentes en gradiente en el embrión sincitial de Drosophila . Dos laboratorios, el de Gary Struhl y el de Stephen Cohen, demostraron que una proteína de señalización secretada, Decapentaplegic (el homólogo de Drosophila del factor de crecimiento transformante beta ), actuaba como morfógeno durante las últimas etapas del desarrollo de Drosophila . La sustancia gobierna el patrón de desarrollo del tejido y, en particular, las posiciones de los distintos tipos de células especializadas dentro de un tejido. Se propaga desde una fuente localizada y forma un gradiente de concentración a través de un tejido en desarrollo.
Algunos de los morfógenos más antiguos y mejor estudiados son factores de transcripción que se difunden dentro de los embriones tempranos de Drosophila melanogaster (mosca de la fruta). Sin embargo, la mayoría de los morfógenos son proteínas secretadas que envían señales entre células.
Los morfógenos se definen conceptualmente, no químicamente, por lo que sustancias químicas simples como el ácido retinoico también pueden actuar como morfógenos.
Dificultades
La base del modelo de la bandera francesa es la idea de que un morfógeno forma de forma autónoma un gradiente con células individuales que leen la concentración del gradiente. Luego, las células responden a un nivel específico de gradiente con una diferenciación específica para coincidir con la posición en la que el gradiente indica que se encuentran. Si bien se acepta ampliamente como un modelo importante para comprender la morfogénesis , no es universalmente aceptado por todos los biólogos del desarrollo. Natalie y Richard Gordon revisaron exhaustivamente las dificultades con todos los modelos de morfogénesis basados en gradientes e incluyen siete [5] puntos específicos:
Para mantener un gradiente en estado estacionario tiene que haber un sumidero, es decir, una forma en la que las moléculas en difusión se destruyan o eliminen a lo largo del camino y/o en algunos límites. Los sumideros rara vez, o nunca, se consideran cuando se invoca el modelo de gradiente.
La difusión debe ocurrir en un espacio confinado si se quiere establecer un gradiente. Sin embargo, muchos organismos, como el ajolote, se desarrollan normalmente incluso si se eliminan la membrana vitelina y las capas de gelatina y el desarrollo se produce en agua corriente.
La difusión depende de la temperatura, pero el desarrollo puede desarrollarse normalmente en una amplia variedad de temperaturas en animales cuyos huevos se desarrollan fuera de la madre.
Los gradientes de difusión no varían bien, pero los embriones vienen en una variedad de tamaños.
Los gradientes de difusión siguen el principio de superposición. Esto significa que un gradiente de una sustancia en una dirección y un gradiente de la misma sustancia en una dirección perpendicular dan como resultado un gradiente unidimensional único en la dirección diagonal, no un gradiente bidimensional. Los biólogos del desarrollo frecuentemente invocan un gradiente bidimensional a pesar de que un sistema de gradiente bidimensional requiere dos gradientes de morfógeno con dos fuentes y sumideros diferentes colocados aproximadamente perpendiculares entre sí.
Siempre se producen fluctuaciones en los gradientes, especialmente en las bajas concentraciones que se encuentran comúnmente durante la embriogénesis, lo que hace que una respuesta específica de una célula individual a umbrales de concentración particulares sea problemática.
Cada célula debe poder "leer" la concentración de morfógenos con precisión; de lo contrario, los límites entre los tejidos se vuelven irregulares. Sin embargo, límites tan desiguales son raros en el desarrollo.
Referencias
^ Knabe JF; et al. (2008). Evolución y morfogénesis de organismos multicelulares diferenciados: gradientes de difusión generados de forma autónoma para información posicional. Vida artificial XI: Actas de la Undécima Conferencia Internacional sobre Simulación y Síntesis de Sistemas Vivos.
^ Wolpert L (octubre de 1969). "Información posicional y el patrón espacial de diferenciación celular". J. Theor. Biol . 25 (1): 1–47. doi :10.1016/S0022-5193(69)80016-0. PMID 4390734.
^ Wolpert, Lewis; et al. (2007). Principios de desarrollo (3ª ed.). Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN0-19-927536-X.
^ Sharpe, James; Verde, Jeremy (2015). "Información posicional y reacción-difusión: se combinan dos grandes ideas en biología del desarrollo". Desarrollo . 142 : 1203-1211. doi : 10.1242/dev.114991 . hdl : 10230/25028 .
^ Gordon, NK, Gordon, R. El orgánulo de diferenciación en embriones: el divisor del estado celular Biología teórica y modelado médico, 13(11) 2016
enlaces externos
Mosca interactiva
Base aérea
Modelo de vida artificial de morfogénesis multicelular con gradientes generados de forma autónoma para información posicional.
