Un tema central de la biología es la comprensión de los procesos que determinan que sucesivas divisiones de una única célula -el óvulo fecundado- den lugar a otras cuya forma y función son muy variadas. Se ha avanzado en muchos aspectos del conocimiento del problema pero subsisten aún cuestiones fundamentales que no han sido resueltas.
Entender cómo se formo un organismo animal a partir de sus progenitores es conocer como las sucesivas divisiones de la única célula – el óvulo fecundado – generan otras de muy variada forma y función, organizadas de manera precisa en el espacio y relacionadas estrechamente entre sí. Si bien se ha avanzado mucho en el conocimiento de este proceso, se desconocen aún cuestiones fundamentales.
Los procesos que dan lugar a la formación de un nuevo ser vivo a partir de sus progenitores (o embriogénesis, la formación y desarrollo del embrión) han intrigado por milenios. Como sucede con casi todos los campos del los avances en la comprensión de este fenómeno han ido generando nuevos interrogantes y, si bien en la actualidad se conocen muchos de sus aspectos, persisten todavía numerosas incógnitas sobre cuestiones fundamentales.
Este articulo intenta proporcionar un panorama del estado actual del conocimiento de la embriogénesis y, en particular; de sus aspectos aun no dilucidados. Dado que es imposible en un ensayo de este tipo abarcar todos los animales, ni tan siquiera los grupos más importantes de ellos, se analizarán sólo las ranas y los sapos, es decir; los pertenecientes al orden de los anuros – animales sin cola – de la clase de los anfibios, los cuales, por lo fácil de su manipulación experimental, se usan a menudo para estudiar la embriogénesis de los vertebrados.
El análisis del desarrollo embrionario requiere el previo estudio de la formación de las gametos o gametos, esto es, los espermatozoides y los ovocitos, cuya unión durante la fecundación inicia la embriogénesis. Recordemos que en el núcleo de todas las células están los cromosomas, portadores de la información hereditaria, constituidos por ácido desoxirribonucleico (ADN) y proteínas, y que – en la mayor parte de los casos – sólo son visibles durante la división celular: en otros estadios de la vida de la célula están asociados en un ovillo llamado cromatina. La forma y el número de cromosomas de una célula son distintivos de cada especie.
En todas las células, con la excepción de las gametas, los cromosomas se presentan en pares, cada uno de cuyos miembros proviene de uno de los progenitores. Así, en las células humanas hay veintitrés pares de cromosomas y cada par está constituido por un cromosoma heredado del padre y otro de la madre. En las gametas, en cambio, hay sólo un miembro de cada par de cromosomas, por lo que su número total es la mitad del encontrado en las demás células del animal (por eso se llaman haploides, por oposición a las células diploides). Ello se debe al modo de división celular que da origen a las gametas, llamado meiosis (a diferencia de la mitosis); pero a pesar de que sólo está presente uno de los dos miembros de cada par señalado, la información genética de los cromosomas de las gametas proviene por igual de ambos progenitores, pues la separación de los miembros de los pares durante la meiosis se produce al azar.
Las gametas aportadas por los machos son los espermatozoides (Fig. 1), células altamente diferenciadas, adaptadas a su función y producidas en gran cantidad. Poseen un eficaz sistema de propulsión que utiliza la energía de la hidrólisis del ATP (véase “El ATP”, CIENCIA HOY, 27:48-49,1994) para mover un flagelo, cuyo desplazamiento es la causa inmediata del traslado del espermatozoide. Este contiene, además, enzimas hidrolíticas y otras proteínas, almacenadas en una vesícula llamada acrosoma; cuando son liberadas, permiten que el espermatozoide atraviese las cubiertas y la membrana plasmática de los ovocitos.
Las gametas de la hembra son los ovocitos (Fig. 2). En la mayoría de los animales, la meiosis de las gametas femeninas no se completa hasta que son penetradas por un espermatozoide durante la fecundación; por ello es conveniente llamarlas ovocitos, y reservar el nombre óvulo para aquellas que han finalizado la meiosis.
En los anfibios, la fecundación y la embriogénesis tienen lugar fuera del organismo materno. Durante la formación del ovocito (ovogénesis), se incorporan a este gran cantidad de substancias de reserva, que reciben el nombre genérico de vitelo y provienen del hígado, desde donde son transportadas por la sangre al ovocito que crece en el ovario; también se atribuye a las células que rodean a cada ovocito, o células foliculares, la función de producir y transferir parte del material de reserva. La acumulación de tales substancias de reserva, que serán utilizadas para la formación del embrión, da lugar a una célula esférica de gran tamaño (en anfibios puede tener entre 1,5mm y 1 cm de diámetro), cuyos cromosomas todavía están en pares; contiene, además del material de reserva, gran cantidad de distintos organoides celulares y otros componentes que le son característicos, entre ellos, los gránulos corticales (vesículas periféricas que liberan, en el momento adecuado, substancias que contribuyen a impedir que más de un espermatozoide penetre el ovocito) y los gránulos de pigmento (generalmente negros u oscuros, que se ubican en uno de los hemisferios del ovocito y permiten así distinguir un hemisferio pigmentado llamado animal de otro blanco llamado vegetativo) (Fig. 3).
Durante la ovogénesis el ovocito sintetiza o incorpora, entre otras substancias, ácido ribonucleico (ARN), lípidos y proteínas en suficiente cantidad como para que el embrión crezca sin recibir nutrientes del exterior; así, contiene todos los tipos de ARN requeridos para la síntesis de las proteínas que formarán las membranas de aquellas células que genere la división del óvulo fecundado. En unas pocas horas, en efecto, el óvulo fecundado, que es una única célula, da lugar a más de cuatro mil, antes de que el embrión alcance la etapa de bástula media, en la que se inicia la síntesis (o transcripción) de ARN. Hasta entonces, el crecimiento y la división del embrión acontece mediante el ARN acumulado durante la maduración del ovocito.
En la época de la reproducción, por la acción de las hormonas hipofisiarias de la hembra (que también pueden ser inyectadas en el laboratorio en otro momento, para inducir el mismo efecto), tienen lugar dos procesos relacionados con los ovocitos: su maduración, con el correspondiente avance de la meiosis, y la ovulación, que consiste en la liberación de aquellos desde el ovario y su posterior pasaje por el oviducto, donde reciben secreciones gelatinosas que persisten hasta bien avanzado el desarrollo embrionario.Finalmente los ovocitos son expulsados al exterior para encontrarse con los espermatozoides y sufrir la fecundación, que generalmente se produce por la penetración de un Único espermatozoide (fecundación monospérmica). La entrada de más de un espermatozoide (polispermia) es impedida por un complejo proceso que incluye la disminución de la diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana plasmática (despolarización) y la secreción del contenido de los gránulos corticales al medio que rodea al ovocito, que altera las propiedades de la cubierta de este. En caso de que ocurra polispermia, se forma un embrión anormal, que progresa poco y muere.
Durante la fecundación finaliza la división meiótica del ovocito y se reduce a la mitad el número de sus cromosomas, pero estos vuelven a incrementarse al numero propio de la especie por el aporte del espermatozoide. Poco tiempo después de la fecundación, el huevo o cigoto formado comienza a dividirse con rapidez y llega, en pocas horas, a varios cientos de células, pero el volumen del embrión se mantiene igual al del óvulo fecundado (Fig. 4A). Posteriormente, se forma en el embrión una cavidad interior denominada blastocele, que da a aquel, en tal estadio de su desarrollo, el nombre de blástula (Fig. 4B-C). Antes de ese momento no existe diferenciación celular apreciabIe las células del embrión son similares entre si, salvo una diferencia de tamaño entre las de los hemisferios vegetativo y animal (las primeras son más grandes porque se dividen más lentamente).
La diferenciación celular comienza en el estadio de blástula; células situadas en el ecuador del embrión forman una capa llamada mesoblosto, la cual, junto con el endoblosto – que se forma en el hemisferio vegetativo – y el ectoblosto – que proviene del hemisferio animal – constituyen las tres capos embrionarias; de ellas derivarán los más de doscientos diferentes tejidos del individuo adulto.
Esos tres tejidos básicos se forman durante un proceso crucial, llamado gastrulación, por el que el embrión se transforma en una estructura constituida por capas celulares superpuestas, con un eje central y simetría bilateral (Fig. 4D-E-F-G). Del ectoblasto proceden los tejidos nervioso y epidérmico; del endoblasto, el epitelio de los sistemas respiratorio y nutritivo y las glándulas anexas a este; del mesoblasto, el resto de los tejidos, como sangre, huesos, dermis, gónadas, sistema excretor; etc.
Una hendidura generada por migración de las células del mesoblasto hacia el blastocele se convierte en una cavidad denominada arquenterón (o intestino primigenio), cuya presencia produce el contacto de partes del mesoblasto con células del ectoblasto que luego formarán el sistema nervioso (Fig. 5). De esta manera, parte del ectoblasto se engrosa y da origen a la placa neural, cuyos bordes, uniéndose, forman el tubo neural, del que provienen el encéfalo y la médula espinal. Terminada la formación del tubo neural, se ha llegado al estadio embrionario denominado néurula final, en el que el embrión es como lo indica la figura 6, y ya están determinadas las zonas que darán lugar a la formación de los distintos órganos.
Una cuestión fundamental de la embriogénesis es por qué y cómo un conjunto de células, que inicialmente parecían iguales, a medida que el embrión se desarrolla generan otras no sólo nuevas sino distintas entre sí. Se conocen dos mecanismos generales para explicarlo: la acción de los determinantes citoplasmáticos y las interacciones inductivas.
Los determinantes Citoplasmáticos son proteínas y ácidos ribonucleicos que, luego de la fecundación, quedan sólo en determinados lugares del óvulo fecundado y, por ello, se distribuyen de manera desigual entre las células hijas que resultan de las sucesivas divisiones de este. Tal distribución desigual afecta el destino de cada célula o grupo de células.
En el caso de las interacciones inductivas, un grupo de células inductoras emite una señal química, captada por las células receptoras, que por ello generan otras cuyas formas y funciones se diferencian de las de las células originales. Durante los estadios de blástula final o gástrula inicial, las interacciones inductivas provocan la aparición de mesoblasto; durante los estadios de gástrula media y final, el mesoblasto emite señales químicas que inducen a las células ectoblásticas que forman el techo del blastocele a diferenciarse en tejido nervioso. Acontecidas esas diferenciaciones básicas, ocurre una secuencia de inducciones relacionadas con el movimiento coordinado de los distintos grupos celulares.
Aparte de las diferencíaciones, durante el desarrollo embrionario se produce también el traslado de células o de grupos de ellas, para que puedan ocupar sus lugares en los distintos tejidos y órganos. La mayoría de las células de organismos multicelulares están en contacto entre si mediante una compleja red de macromoléculas -generalmente glicoproteinas, como las caderinas, las NCAMs (nerve-ceIl odhesion molecules), las tenascinas, las integrinas, etc.- que esas mismas células secretan al espacio extracelular. Tal trama es conocida por matriz extrocelulor y, durante el crecimiento embrionario,condiciona el desplazamiento ordenado (o migración) de los distintos grupos celulares. Cuando esas células diferenciadas cambian de sitio, promueven a su vez diferenciaciones en sus nuevas vecinas. Los movimientos de las células dependen de las propiedades de sus superficies y de la composición de la matriz extracelular o, más precisamente, de las proteínas de la membrana plasmática y de sus interacciones con los componentes de dicha matriz.
Las migraciones de células que ocurren durante la gastrulación (o invaginación del mesoblasto) se manifiestan externamente por la aparición de una hendidura, ubicada entre los hemisferios animal y vegetativo, llamada labio dorsal del blastóporo. A principios de este siglo, Hans Spemann y su colaboradora Hilde Mangold descubrieron que poseía propiedades inductoras; transplantaron el labio dorsal de un embrión a otro y el resultado fue un embrión doble (ver recuadro “El experimento de Spemann”), indicación de que la zona transplantada era capaz de influir a las células del huésped para que cooperasen en la construcción de un segundo embrión completo, unido al primero. Por tal motivo se llamó a la zona transplantada organizador primario o de Spemann . Hoy se sabe que el organizador de Spemann, la pieza fundamental de la construcción del eje céfalo-caudal del embrión, es el mesodermo dorsal, previamente inducido por células dorsales del hemisferio vegetativo.
Estos trabajos conmocionaron el mundo científico y, en 1935, le valieron a Spemann el premio Nobel. Estimulados por el descubrimiento, se realizaron numerosos estudios orientados a encontrar las moléculas responsables de organizar un ser vivo a partir de una masa de células no diferenciadas. Es un problema cuya importancia excede en mucho lo académico, ya que abre la posibilidad de controlar la proliferación celular caótica en los procesos cancerosos y sujeta a una estricta regulación temporal y espacial en el crecimiento embrionario, si bien, en ambos, es muy veloz.
A pesar del tiempo transcurrido y de los innumerables esfuerzos realizados, la pregunta continúa sin respuesta: no ha sido aún posible identificar la (o las) moléculas responsables de la inducción primaria. Sin embargo, se ha avanzado significativamente en el conocimiento de algunos aspectos del proceso. Se sabe, por ejemplo, que la inducción no requiere del contacto directo entre la célula inductora y la receptora: se sabe, también, que depende de la capacidad de respuesta (o competencia) de la célula receptora. la cual no se mantiene indefinidamente en el tiempo y es independiente de la duración de la señal inductora.
Si bien la diferenciación celular depende de factores citoplasmáticos y de las interacciones inductivas, en última instancia, las características de cada tipo celular resultan de la activación y expresión de ciertos genes, que lo hacen de una manera especifica para el tipo celular De allí la importancia de conocer los procesos que regulan la expresión de los genes durante el desarrollo embrionario , y la secuencia de pasos que tienen lugar entre la recepción de una señal inductora y la consiguiente diferenciación celular
Desde hace algunos años se sabe que algunas proteínas, cuando se ensayan in vitro, poseen una potente actividad inductora de la formación del mesoblasto. Entre ellas se encuentran unas de la familia denominada factores de crecimiento, como los de fibroblastos (FGF o flbroblast growth factor), los factores de transformación del crecimiento tipo B (FGF-B o transforming growth factor type B), llamados también activinas A y E, y otro grupo de factores de crecimiento designados como Wnt, que actúan en uno o más pasos de la formación del mesoblasto. Para que substancias que ejercen estos efectos in vitro puedan ser consideradas inductoras deben, entre otras condiciones, ser biológicamente activas, expresarse en el lugar adecuado del embrión y actuar mediante mecanismos susceptibles de ser inhibidos por substancias específicas. Se piensa que las moléculas que cumplen con los requisitos para ser consideradas inductoras emiten señales químicas desde las células del hemisferio vegetativo, que son reconocidas por las adyacentes de la zona marginal. Un indicio que apoya esta hipótesis es que se han encontrado receptores, tanto para activinas como para FGF en embriones de un anfibio sudafricano, la rana de uñas (Xenopus Iaevis).
Hay numerosas evidencias experimentales sobre la existencia de substancias químicas inductoras que participan en especificar el eje céfalo-caudal en el mesoblasto axial, antes o durante la gastrulación. Se ha encontrado que. por lo menos, dos genes se activan como respuesta a esas substancias, los denominados Xhox3 y goosecoid, que por sus características estructurales pueden clasificarse en una familia de genes selectores llamados genes con homebox .Si bien aùn se desconoce como se regula la expresiòn de los genes homeòticos(o genes que regulanla acciòn de los otros; ver recuadro “Genes homeòticos”) identificados, experimentos en los que se han tratado embriones con un derivado de vitamina A, el àcido retinoico (AR), muestran que este produce un desplazamiento importante de la distribuciòn de proteinas homeòticas, lo que ocasiona significativas alteraciones morfològicas. La participaciòn de estas substancias en la regulaciòn de la morfogènesis de embriones de anfibios parece estar avalada por recientes informes acerca de la existencia en estos anfibios de substancias endògenas similares al àcido retinoico.
Para poder entender globalmente los procesos de inducción, esto es, más allá de sus detalles moleculares, debe tenerse en cuenta que. desde el momento de la fecundación en adelante, tienen lugar una serie de movimientos celulares e inducciones sucesivas según un plan estricto y no modificable, en un reducido espacio que en la mayoría de los animales es menor de un milímetro cúbico. Así, desde el tubo neural se elongan células, que después serán neuronas, hasta hacer contacto con células musculares, que a su vez también migraron desde otro lugar: en la rana, el encuentro se produce a varios centímetros de su origen, pero en otros animales puede ocurrir a metros de distancia, para lo que las células deben desplazarse a través de distintas masas celulares. Si equivocaran su camino y no se produjeran los contactos celulares adecuados, habría modificaciones en la formación del organismo, ya fuesen leves o tan profundas que los individuos muriesen antes de completar su desarrollo. Este ejemplo, que se refiere al sistema nervioso, puede extenderse a la formación de otros tejidos como gónadas, riñón, huesos, músculos, etc.
La formación de un nuevo organismo es un proceso que comienza con una sola célula que, por divisiones sucesivas, forma una masa de ellas; en un determinado momento estas comienzan a diferenciarse, a inducir la diferenciación de otras células y a migrar con una exactitud casi absoluta, hasta alcanzar su destino definitivo. Parece un fabuloso concierto, interpretado por miles de músicos que se mueven en el espacio: a veces cambian de instrumento, pero no equivocan ni una nota durante las horas o días que dura la ejecución. La dirección del concierto está a cargo de la información genética, presente en el núcleo del huevo, de donde se lee una partitura escrita con sólo cuatro letras. Es cierto que poder ejecutar los millones de conciertos exitosos, constituidos por la formación de cada nuevo ser vivo, le llevó a la naturaleza millones de años de pruebas, logros y errores. Todo ello – en el caso que nos ocupa – para poder hacer siempre ese animal que llamamos rana.
El experimento de Spemann
En el estadio de gástrula media, el embrión de una rana tiene externamente la forma ilustrada en la figura 4F-G. Su diámetro (de aproximadamente 1.4 mm) permite trabajar con él bajo una lupa binocular. Si se le secciona el labio dorsal del blastóporo, puede transferirselo al blastocele de otro embrión mediante una micropipeta (Fig. 1A) y, luego de algunas horas, se observa la formación de un doble embrión (Fig 1B).
(A) Extracción de células del labio dorsal del blastoporo de una gastrula media y su implantación en una gastrula inicial
(B) Embrión doble, en el cual la mayoria de los tejidos pertenecen al que recibió el implante
El desarrollo que puede alcanzar la implantación depende de varios factores, como el de los dos embriones con que se experimenta, la zona de la que se sacan las células, etc. De todas maneras, el experimento indica que en las células transplantadas está toda la información necesaria para organizar un embrión completo. De allí que dicha zona se denomine organizador primario o de Spemann, por razones históricas, pues hoy se sabe que la primera inducción producida en el embrión es la del mesoblasto.
Marcelo O. Cabada
