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Ruptura de simetría y rotación cortical

La ruptura de simetría en biología es el proceso por el cual se rompe la uniformidad, o se reduce el número de puntos para ver la invariancia, para generar un estado más estructurado e improbable. [1] La ruptura de simetría es el evento en el que se pierde la simetría a lo largo de un eje particular para establecer una polaridad. La polaridad es una medida para que un sistema biológico distinga los polos a lo largo de un eje. Esta medida es importante porque es el primer paso para generar complejidad. Por ejemplo, durante el desarrollo del organismo, uno de los primeros pasos para el embrión es distinguir su eje dorsal-ventral . El evento de ruptura de simetría que ocurre aquí determinará qué extremo de este eje será el lado ventral y qué extremo será el lado dorsal. Una vez que se hace esta distinción, todas las estructuras que se encuentran a lo largo de este eje pueden desarrollarse en la ubicación adecuada. Como ejemplo, durante el desarrollo humano, el embrión necesita establecer dónde está "atrás" y dónde está "delante" antes de que las estructuras complejas, como la columna vertebral y los pulmones, puedan desarrollarse en la ubicación correcta (donde los pulmones se colocan "delante" de la columna vertebral). Esta relación entre la ruptura de la simetría y la complejidad fue articulada por PW Anderson . Él especuló que los niveles crecientes de ruptura de la simetría en sistemas de muchos cuerpos se correlacionan con una creciente complejidad y especialización funcional. [2] Desde una perspectiva biológica, cuanto más complejo es un organismo, mayor es el número de eventos de ruptura de la simetría que se pueden encontrar.

La importancia de la ruptura de la simetría en biología también se refleja en el hecho de que se encuentra en todas las escalas. La ruptura de la simetría se puede encontrar en el nivel macromolecular [3] , en el nivel subcelular [4] e incluso en el nivel de tejidos y órganos [5] . También es interesante observar que la mayor parte de la asimetría en una escala superior es un reflejo de la ruptura de la simetría en una escala inferior. Las células primero necesitan establecer una polaridad a través de un evento de ruptura de la simetría antes de que los tejidos y órganos mismos puedan ser polares. Por ejemplo, un modelo propone que la asimetría del eje corporal izquierda-derecha en los vertebrados está determinada por la asimetría de la rotación de los cilios durante el desarrollo temprano, lo que producirá un flujo constante y unidireccional. [6] [7] Sin embargo, también hay evidencia de que las asimetrías tempranas en la distribución de serotonina y la localización de ARNm y proteínas de canales iónicos ocurren en el desarrollo del pez cebra , el pollo y el Xenopus , [8] [9] [10] y de manera similar a las observaciones de quiralidad intrínseca generada por el citoesqueleto [11] [12] que conduce a asimetrías de órganos y organismos completos en Arabidopsis [13] [14] [15] [16] esto en sí mismo parece estar controlado desde el nivel macromolecular por el citoesqueleto. [10]

Existen varios ejemplos de ruptura de simetría que se están estudiando actualmente. Uno de los ejemplos más estudiados es la rotación cortical durante el desarrollo de Xenopus , donde esta rotación actúa como el evento de ruptura de simetría que determina el eje dorso-ventral del embrión en desarrollo. Este ejemplo se analiza con más detalle a continuación.
Otro ejemplo que implica la ruptura de simetría es el establecimiento de dendritas y axones durante el desarrollo de las neuronas , y la red de proteínas PAR en C. elegans . Se cree que una proteína llamada shootin-1 determina qué excrecencia en las neuronas finalmente se convierte en el axón, y lo hace rompiendo la simetría y acumulándose en una sola excrecencia. [17] La ​​red de proteínas PAR funciona bajo mecanismos similares, donde ciertas proteínas PAR, que inicialmente son homogéneas en toda la célula, rompen su simetría y se segregan a diferentes extremos del cigoto para establecer una polaridad durante el desarrollo. [18]

Rotación cortical

La rotación cortical es un fenómeno que parece estar limitado a Xenopus y algunos teleósteos antiguos , sin embargo los mecanismos subyacentes de la rotación cortical han conservado elementos que se encuentran en otros cordados .

Un espermatozoide puede unirse a un óvulo de Xenopus en cualquier posición del hemisferio pigmentado del animal; sin embargo, una vez unido, esta posición determina el lado dorsal del animal. El lado dorsal del óvulo siempre está directamente opuesto al punto de entrada del espermatozoide . El centríolo del espermatozoide actúa como un centro organizador para los microtúbulos del óvulo , que transportan los factores dorsalizantes maternos, como el ARNm wnt11 , el ARNm wnt5a y la proteína Dishevelled . [19]

Mecanismos moleculares

Una serie de experimentos que utilizaron irradiación UV, temperatura fría y presión (todos los cuales causan despolimerización de microtúbulos) demostraron que sin microtúbulos polimerizados, la rotación cortical no ocurrió y resultó en un fenotipo ventral mutante. [20] Otro estudio también reveló que el fenotipo mutante podría ser rescatado (devuelto a la normalidad) girando físicamente el embrión, imitando así la rotación cortical y demostrando que los microtúbulos no eran el determinante del desarrollo dorsal. [21] A partir de esto, se planteó la hipótesis de que había otros elementos dentro del embrión que se movían durante la rotación cortical.

Para identificar estos elementos, los investigadores buscaron ARNm y proteínas que demostraron localización en el polo vegetal o en el lado dorsal del embrión para encontrar candidatos. Los primeros candidatos para el determinante fueron β-catenina y disheveled (Dsh). [22] [23] Cuando el ARNm de β-catenina materna se degradó en el ovocito, el embrión resultante se desarrolló en un fenotipo ventral mutante y esto se pudo rescatar inyectando el óvulo fertilizado con ARNm de β-catenina. Se observa que la β-catenina se enriquece en el lado dorsal del embrión después de la rotación cortical. La proteína Dsh se fusionó a una GFP y se rastreó durante la rotación cortical, se observó que estaba en vesículas que se transportaban a lo largo de microtúbulos hasta el lado dorsal. Esto llevó a los investigadores a buscar otros candidatos de la vía Wnt. Se encontró que Wnt 11 se ubicaba específicamente en el polo vegetal antes de la rotación cortical y se mueve al lado dorsal donde activa la vía de señalización de Wnt . [24] VegT, un factor de transcripción T-box, se localiza en la corteza vegetal y, tras la rotación cortical, se libera en forma de gradiente en el embrión para regular el desarrollo del mesodermo . [25] VegT activa la expresión de Wnt, por lo que, si bien no actúa ni se mueve durante la rotación cortical, está activo en la formación del eje dorsoventral.

La pregunta sigue siendo, ¿cómo se mueven estas moléculas hacia el lado dorsal? Esto todavía no se sabe completamente, sin embargo, la evidencia sugiere que los haces de microtúbulos dentro de la corteza están interactuando con motores de kinesina (dirigidos al extremo positivo) para organizarse en matrices paralelas dentro de la corteza y este movimiento de los motores es la causa de la rotación de la corteza. [26] Tampoco está claro si Wnt 11 es el determinante dorsal principal o si también se requiere β-catenina, ya que se ha demostrado que estas dos moléculas son necesarias y suficientes para el desarrollo dorsal. Esto, junto con todos los demás factores, es importante para activar los genes nodales que propagan el desarrollo dorsoventral normal.

Referencias

  1. ^ Li, Rong; Bruce Bowerman (2010). "Ruptura de simetría en biología". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 2 (3): a003475. doi :10.1101/cshperspect.a003475. PMC  2829966 . PMID  20300216.
  2. ^ Anderson, Philip W. (1972). "Más es diferente". Science . 177 (4047): 393–396. Bibcode :1972Sci...177..393A. doi :10.1126/science.177.4047.393. PMID  17796623. S2CID  34548824.
  3. ^ Wong, Fei (2009). "Los mecanismos de señalización que subyacen a la polaridad celular y la quimiotaxis". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 1 (4): a002980. doi :10.1101/cshperspect.a002980. PMC 2773618 . PMID  20066099. 
  4. ^ Dworkin, Jonathan (2009). "Polaridad celular en organismos procariotas". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 1 (6): a003368. doi :10.1101/cshperspect.a003368. PMC 2882128 . PMID  20457568. 
  5. ^ Nelson, James W. (2009). "Remodelación de la organización de las células epiteliales: transiciones entre la polaridad anterior-posterior y apical-basal". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 1 (1): a000513. doi :10.1101/cshperspect.a000513. PMC 2742086 . PMID  20066074. 
  6. ^ Babu, Deepak; Sudipto Roy (2013). "Asimetría izquierda-derecha: los cilios provocan nuevas sorpresas en el nódulo". Open Biology . 3 (5): 130052. doi :10.1098/rsob.130052. PMC 3866868 . PMID  23720541. 
  7. ^ Kuznetsov, AV; Blinov, DG; Avramenko, AA; Shevchuk, IV; Tyrinov, AI; Kuznetsov, IA (13 de diciembre de 2013). "Modelado aproximado del flujo hacia la izquierda y el transporte de morfógenos en el nodo embrionario mediante la especificación de la vorticidad en la superficie ciliada". Journal of Fluid Mechanics . 738 : 492–521. doi :10.1017/jfm.2013.588. S2CID  123959453.
  8. ^ Fukumoto, Takahiro; Kema, Ido P.; Levin, Michael (5 de octubre de 2005). "La señalización de serotonina es un paso muy temprano en la formación de patrones del eje izquierda-derecha en embriones de pollo y rana". Current Biology . 15 (9): 794–803. doi : 10.1016/j.cub.2005.03.044 . ISSN  0960-9822. PMID  15886096. S2CID  14567423.
  9. ^ Aw, Sherry; Adams, Dany S.; Qiu, Dayong; Levin, Michael (1 de marzo de 2008). "La localización de la proteína H,K-ATPasa y la función Kir4.1 revelan la concordancia de tres ejes durante la determinación temprana de la asimetría izquierda-derecha". Mecanismos del desarrollo . 125 (3–4): 353–372. doi :10.1016/j.mod.2007.10.011. PMC 2346612 . PMID  18160269. 
  10. ^ ab Lobikin, Maria; Wang, Gang; Xu, Jingsong; Hsieh, Yi-Wen; Chuang, Chiou-Fen; Lemire, Joan M.; Levin, Michael (31 de julio de 2012). "El papel temprano no ciliar de las proteínas de los microtúbulos en la formación de patrones izquierda-derecha se conserva en todos los reinos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 109 (31): 12586–12591. Bibcode :2012PNAS..10912586L. doi : 10.1073/pnas.1202659109 . ISSN  0027-8424. PMC 3412009 . PMID  22802643. 
  11. ^ Xu, Jingsong; Keymeulen, Alexandra Van; Wakida, Nicole M.; Carlton, Pete; Berns, Michael W.; Bourne, Henry R. (29 de mayo de 2007). "La polaridad revela la quiralidad celular intrínseca". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 104 (22): 9296–9300. Bibcode :2007PNAS..104.9296X. doi : 10.1073/pnas.0703153104 . ISSN  0027-8424. PMC 1890488 . PMID  17517645. 
  12. ^ Wan, Leo Q.; Ronaldson, Kacey; Park, Miri; Taylor, Grace; Zhang, Yue; Gimble, Jeffrey M.; Vunjak-Novakovic, Gordana (26 de julio de 2011). "Las células de mamíferos con micropatrones exhiben asimetría izquierda-derecha específica del fenotipo". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 108 (30): 12295–12300. Bibcode :2011PNAS..10812295W. doi : 10.1073/pnas.1103834108 . ISSN  0027-8424. PMC 3145729 . PMID  21709270. 
  13. ^ Nakamura, Masayoshi; Hashimoto, Takashi (1 de julio de 2009). "Una mutación en el complejo que contiene γ-tubulina de Arabidopsis provoca un crecimiento helicoidal y una ramificación anormal de los microtúbulos". Journal of Cell Science . 122 (13): 2208–2217. doi : 10.1242/jcs.044131 . ISSN  0021-9533. PMID  19509058.
  14. ^ Abe, Tatsuya; Thitamadee, Siripong; Hashimoto, Takashi (15 de febrero de 2004). "Defectos de microtúbulos y morfogénesis celular en el mutante de tubulina lefty1lefty2 de Arabidopsis thaliana". Fisiología vegetal y celular . 45 (2): 211–220. doi : 10.1093/pcp/pch026 . ISSN  0032-0781. PMID  14988491.
  15. ^ Ishida, Takashi; Hashimoto, Takashi (2007-07-20). "Un mutante de tubulina de Arabidopsis thaliana con fenotipo de inclinación de raíz condicional". Journal of Plant Research . 120 (5): 635–640. doi :10.1007/s10265-007-0105-0. ISSN  0918-9440. PMID  17641820. S2CID  22444051.
  16. ^ Ishida, Takashi; Kaneko, Yayoi; Iwano, Megumi; Hashimoto, Takashi (15 de mayo de 2007). "Matrices de microtúbulos helicoidales en una colección de mutantes de tubulina retorcida de Arabidopsis thaliana". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 104 (20): 8544–8549. Bibcode :2007PNAS..104.8544I. doi : 10.1073/pnas.0701224104 . ISSN  0027-8424. PMC 1895986 . PMID  17488810. 
  17. ^ Toriyama, Michinori; Tadayuki Shimada; Ki Bum Kim; Mari Mitsuba; Eiko Nomura; Kazuhiro Katsuta; Yuichi Sakumura; Peter Roepstorff; Naoyuki Inagaki (2006). "Shootin1: una proteína involucrada en la organización de una señal asimétrica para la polarización neuronal". The Journal of Cell Biology . 175 (1): 147–157. doi :10.1083/jcb.200604160. PMC 2064506 . PMID  17030985. 
  18. ^ Motegi, Fumio; Geraldine Seydoux (2013). "La red PAR: redundancia y robustez en un sistema que rompe la simetría". Philosophical Transactions of the Royal Society . 368 (1629): 20130010. doi :10.1098/rstb.2013.0010. PMC 3785961 . PMID  24062581. 
  19. ^ Wolpert, Lewis; Tickle, Cheryl; Arias, Alfonso Martínez; Lawrence, Peter; Lumsden, Andrew; Robertson, Elizabeth; Meyerowitz, Elliot; Smith, Jim (2015). "Vertebrate development II: Xenopus and zebrafish". Principles of development (quinta edición). Oxford, Reino Unido. pp. 149–150. ISBN 9780198709886.{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )
  20. ^ Gerhart J, Danilchik M, Doniach T, Roberts S, Rowning B, Stewart R (1989). "Rotación cortical del huevo de Xenopus : consecuencias para el patrón anteroposterior del desarrollo dorsal embrionario". Desarrollo . 107 (Supl.): 37–51. doi :10.1242/dev.107.Suplemento.37. PMID  2699856.
  21. ^ Scharf SR, Gerhart JC (septiembre de 1980). "Determinación del eje dorso-ventral en huevos de Xenopus laevis : rescate completo de huevos con daño UV mediante orientación oblicua antes de la primera segmentación". Dev. Biol . 79 (1): 181–98. doi :10.1016/0012-1606(80)90082-2. PMID  7409319.
  22. ^ Heasman J, Crawford A, Goldstone K, Garner-Hamrick P, Gumbiner B, McCrea P, Kintner C, Noro CY, Wylie C (1994). "La sobreexpresión de cadherinas y la subexpresión de beta-catenina inhiben la inducción del mesodermo dorsal en embriones tempranos de Xenopus ". Cell . 79 (5): 791–803. doi :10.1016/0092-8674(94)90069-8. PMID  7528101. S2CID  33403560.
  23. ^ Miller JR, Rowning BA, Larabell CA, Yang-Snyder JA, Bates RL, Moon RT (julio de 1999). "El establecimiento del eje dorso-ventral en embriones de Xenopus coincide con el enriquecimiento dorsal de dishevelled que depende de la rotación cortical". J. Cell Biol . 146 (2): 427–37. doi :10.1083/jcb.146.2.427. PMC 2156185. PMID 10427095  . 
  24. ^ Tao Q, Yokota C, Puck H, Kofron M, Birsoy B, Yan D, Asashima M, Wylie CC, Lin X, Heasman J (2005). "La proteína wnt11 materna activa la vía de señalización wnt canónica necesaria para la formación del eje en embriones de Xenopus". Cell . 120 (6): 857–71. doi : 10.1016/j.cell.2005.01.013 . PMID  15797385. S2CID  10181450.
  25. ^ Zhang J, King ML (diciembre de 1996). "El ARN VegT de Xenopus se localiza en la corteza vegetal durante la ovogénesis y codifica un nuevo factor de transcripción T-box involucrado en la formación de patrones mesodérmicos". Desarrollo . 122 (12): 4119–29. doi :10.1242/dev.122.12.4119. PMID  9012531. S2CID  28462527.
  26. ^ Marrari Y, Rouviere C, Houliston E (2004). "Funciones complementarias de la dineína y las kinesinas en la rotación cortical del huevo de Xenopus". Dev Biol . 271 (1): 38–48. doi : 10.1016/j.ydbio.2004.03.018 . PMID  15196948.