La esqueletogénesis es un evento morfogenético clave en el desarrollo embrionario de los vertebrados y es de igual importancia, aunque transitoria, en el desarrollo del erizo de mar, un invertebrado marino . [1] El erizo de mar larvario no se parece a su forma adulta, porque el erizo de mar es un desarrollador indirecto, lo que significa que su forma larvaria debe sufrir una metamorfosis para formar el adulto juvenil. Aquí, el enfoque está en la esqueletogénesis en la especie de erizo de mar Strongylocentrotus purpuratus , ya que esta especie ha sido estudiada y caracterizada más a fondo.
La esqueletogénesis comienza en la blástula temprana del erizo de mar (9-10 horas después de la fertilización) cuando las células mesenquimales primarias (PMC), las únicas descendientes de las células hijas de micrómeros grandes, [2] experimentan una transición epitelial-mesenquimal (EMT) y se separan de la capa apical, entrando así en el blastocele , [3] formando un grupo de células en el polo vegetal . [1] Es una interacción clave entre las dos poblaciones principales de células mesodérmicas en el embrión del erizo de mar, las PMC y las células mesenquimales secundarias (SMC), que regula el destino de las SMC y el proceso de esqueletogénesis. En un embrión de tipo salvaje , los elementos esqueléticos son producidos exclusivamente por las PMC. [4] Debido a su naturaleza en dar lugar al esqueleto larvario, a veces se las llama mesénquima esqueletogénico. [3] Ciertas células SMC tienen un potencial esqueletogénico, sin embargo, las señales transmitidas por las células madre pluripotentes suprimen este potencial en las células SMC y dirigen estas células hacia vías de desarrollo alternativas. [4]
Una vez en el blastocele , las células del mesénquima extienden y contraen procesos largos y delgados llamados filopodios . Los filopodios tienen 250 nm de diámetro y 25 um de largo. En este punto, los filopodios parecen moverse aleatoriamente a lo largo de la superficie del blastocele interno, haciendo y rompiendo conexiones filopodiales con la pared del blastocele. Durante la etapa de gástrula, una vez que se ha formado el blastoporo, las PMC se localizan dentro de la región ventrolateral prospectiva (de adelante hacia los lados) del blastocele. Es aquí donde se fusionan en cables sincitiales , formando el eje para las espículas de carbonato de calcio (CaCO 3 ) (y una pequeña cantidad, 5%, de MgCO 3 ) de los bastones esqueléticos larvarios, 13,5 horas después de la fertilización. [3] Tanto la birrefringencia óptica como la difracción de rayos X indicaron que las espículas son cristalinas . [1] Al llegar a la etapa pluteus (24 horas después de la fertilización), también se encuentra una abundancia de matriz extracelular asociada con los sincitios y la pared del blastocele. [1] Desde las etapas de gástrula hasta pluteus, el esqueleto crece tanto en tamaño como en complejidad. Una vez que el organismo sufre una metamorfosis para formar el erizo de mar juvenil, el esqueleto larval se "pierde", lo que hace que su existencia sea crítica pero aparentemente transitoria en el ciclo de vida general del erizo de mar. [1] Sin embargo, el esqueleto del pluteus da lugar a las espinas del erizo de mar juvenil. [5] Estas espinas suelen medir entre 1 y 3 centímetros de largo y entre 1 y 2 milímetros de grosor, y en algunas especies pueden ser venenosas.
Los mecanismos moleculares de la esqueletogénesis involucran varios productos génicos específicos de las células madre pluripotentes. Estos incluyen Msp30, una glicoproteína de la superficie celular de sulfato que ha sido implicada en la captación y deposición de calcio, y SM50, SM30 y PM27, que son tres proteínas de la matriz de la espícula. Se cree que SM50 y PM27 son proteínas básicas, no glicosiladas y estructuralmente similares, mientras que SM30 es una glicoproteína ácida. Las funciones específicas de estas proteínas de la matriz aún deben dilucidarse por completo, pero se cree que pueden funcionar en la nucleación u orientación del crecimiento de cristales. También se ha descubierto que el gen msp130 exhibe un patrón complejo de regulación espacial dentro del sincitio de las células madre pluripotentes durante la esqueletogénesis. Se sugiere que el ectodermo puede desempeñar un papel en el control de la morfogénesis esquelética al regular la expresión de productos génicos específicos de las células madre pluripotentes involucrados en la biogénesis de las espículas. [6]
El grado en que se han caracterizado los mecanismos moleculares que subyacen a la esqueletogénesis en las larvas de erizos de mar ha dado lugar a estudios comparativos del desarrollo evolutivo en erizos de mar distantemente relacionados, así como en otros equinodermos, con el objetivo de comprender cómo ha evolucionado este carácter. [7] [8] Estos estudios, y otros, [9] [10] han revelado que han surgido numerosas diferencias durante la evolución del clado de erizos de mar en la expresión génica espaciotemporal de varios factores de transcripción que componen la red reguladora génica que impulsa la especificación esqueletogénica. Sin embargo, también existen similitudes sorprendentes en los sistemas de señalización que posicionan a estas células en el embrión. [11] A pesar de las diferencias en el momento de la ingresión mesodérmica en el blastocele y las diferencias espaciotemporales en la expresión de genes de factores de transcripción, la reconstrucción del estado ancestral de genes críticos para la especificación de las células esqueletogénicas del erizo de mar apoya la homología de este tipo de célula, [12] lo que sugiere que surgió algún tiempo antes de la divergencia de los cidaroides y los euequinoides hace más de 268 millones de años. [13]