La evolución de la ontogenia

Por José Martínez García-Gil.

“Quien ve crecer las cosas desde el inicio tendrá una  mejor visión de ellas.”

         -Aristóteles, filósofo y científico griego, 384-322 A.C.

 Resumen: En este opúsculo intentamos explicar la fascinación que nos produce la contemplación del desarrollo embrionario y de cómo todavía queda mucho por explorar y descubrir.

Palabras clave: óvulo, zigoto, diferenciación celular, morfogénesis, morfógeno, gastrulación, identidad posicional, homeosis, homeobox.

¿Cómo es posible que algo tan pequeño como un óvulo se transforme en algo tan complejo como un ser humano? ¿Dónde se localiza la maquinaria necesaria para que esa minúscula célula dé lugar a todos los tejidos del cuerpo? ¿Cómo pueden los genes controlar estos procesos, y cómo pueden generar tal diversidad de formas animales?

La diferenciación celular, como el origen de la vida, es una de las grandes cuestiones de la biología; y los progresos que se están realizando, en lo que atañe a aquella, para intentar llegar a su solución resultan fascinantes.

El óvulo fecundado (o zigoto) origina multitud de células —en el ser humano, miles de millones—, que se organizan en estructuras como el ojo, la nariz, el cerebro o las extremidades. ¿Cómo pueden estar implícitas estas estructuras en el zigoto, o cuando menos las instrucciones para construirlas? Está claro que no todo se puede hacer en el zigoto. El desarrollo no funciona sólo con amplificar un patrón ya existente, y además parece claro que hay mecanismos organizadores en acción. Incluso eliminando algunas partes del embrión (en sus primeros estadios de formación), éste no puede controlar la situación y desarrollarse en condiciones fisiológicas, a pesar de la perturbación. Así, por ejemplo, la división del embrión humano cuando ya consta de varios centenares de células puede originar gemelos idénticos.

Para entender el desarrollo, hay que considerar en el mismo plano a las células y los genes. El desarrollo embrionario debe ser entendido como un comportamiento celular regulado por genes. Las células son las unidades fundamentales del embrión en desarrollo. El zigoto se divide y se multiplica originando los diferentes tipos celulares: epidérmicas, musculares, nerviosas, del cristalino,… En el cuerpo humano existen unos doscientos cincuenta tipos celulares distintos. Pero el desarrollo es mucho más que la simple generación de diferentes clases de células. Las células tienen que seguir unas pautas de organización y morfogénesis para formar estructuras reconocibles morfológicamente y que están constituidas por tipos celulares muy parecidos. Estas pautas confieren a las células una identidad posicional, para que puedan desarrollarse de la forma más adecuada. Son pautas que afectan a la organización espacial: el músculo y el hueso se deben colocar de la debida forma para que las piernas sean diferentes de los brazos.

La morfogénesis también incluye los mecanismos físicos que hacen cambiar de forma al embrión. Por ejemplo, el cerebro humano empieza siendo una lámina celular plana, que se curva para formar un tubo. Esto se consigue por medio de movimientos activos de las células y cambios en las propiedades adherentes que las mantienen unidas. En general, los patrones de organización son anteriores a la morfogénesis e indican a las células la manera de cambiar de forma o alterar su adhesividad.

Lo que distingue al hombre de otros vertebrados, más que los diferentes tipos celulares, son las pautas de organización espacial. Aunque pueden existir ligeras diferencias en las células de, por ejemplo, las extremidades y el cerebro, lo que en realidad interesa es su organización espacial. Las células que tenemos los humanos son iguales que las que tienen los chimpancés y, sin embargo, somos tan distintos.

Durante el desarrollo, las células se multiplican, cambian de función, ejercen fuerzas y emiten y reciben señales. Toda esta actividad celular está controlada por la información genética contenida en los genes del DNA, que forma los cromosomas.

Pero el DNA es una substancia pasiva y estable y la manera en que controla el comportamiento celular se reduce a especificar qué proteínas se fabrican en ella. Las proteínas son los «magos» de la célula, las encargadas de que ocurran cosas.

Las proteínas regulan tanto las estructuras físicas como las reacciones químicas. Es más, lo característico de una célula son las proteínas concretas que expresa. También son las responsables del movimiento celular, determinan la forma de la célula y permiten que ésta se multiplique. Cada célula dispone de su propio «ajuar» de proteínas —algunas son específicas, como la hemoglobina de los glóbulos rojos o la insulina de las células del páncreas—, pero como el DNA contiene las instrucciones para poder fabricar todas las proteínas —y cada proteína está codificada por un gen—, el que una proteína aparezca o no en una célula depende de si su gen está activado o desactivado. De manera que un aspecto fundamental del desarrollo es la activación y desactivación de genes, ya que así se controla qué proteínas se fabrican y, por tanto, el consiguiente comportamiento de la célula. Todas las células contienen la misma información genética, heredada del zigoto, y las diferencias entre unos tipos de células y otros son consecuencia de la activación y desactivación de diferentes genes, actuando a modo de llaves de luz que se encienden y se apagan.

¿A qué se deben estas variaciones en la actividad génica? Algunas de las diferencias se deben a que el óvulo no es tan vulgar como pudiera parecer. En las ranas y las moscas, por ejemplo, hay ciertas proteínas que ocupan determinadas regiones del huevo, y que ya estaban ahí cuando el óvulo fue producido por la madre. De esta forma, cuando el zigoto se divide, algunas células adquieren un tipo de proteína y otras otro tipo, y estas proteínas pueden activar genes distintos. Pero estas diferencias en el huevo sólo determinan pautas muy simples, muy primitivas, y el principal método empleado para dar forma al embrión es la comunicación celular. En los embriones humanos, parece que se emplea sólo la comunicación intercelular, ya que no existen razones para suponer que existan diferencias en el zigoto. Y, desde luego, la comunicación es imprescindible para que el embrión pueda regular su desarrollo.

¿Cómo saben las células del embrión lo que tienen que hacer? En parte, debido a que reconocen su posición. Resulta más conveniente no pensar en embriones —que son más complicados— sino en, por ejemplo, banderas. Sea el problema de la bandera francesa: Sea que hay una hilera de células, cada una de las cuales puede dar células azules, blancas o rojas. ¿Qué mecanismo se podría utilizar para generar una bandera francesa? De otra forma, para que el primer tercio de la hilera genere células azules, el segundo tercio o tercio central genere células blancas, y el último tercio células rojas. No existe mucha diferencia entre este problema y el que tienen que afrontar las células de las primeras fases del embrión. Su formulación y posterior aplicación a la morfogénesis se debe al biólogo teórico inglés Lewis Wolpert. En las primeras fases, el embrión se divide en varias regiones, que darán lugar, por ejemplo, al esqueleto, el tubo digestivo o el aparato urogenital.

Existen varias soluciones al problema, pero quizá la más general consiste en que cada célula adquiera una identidad posicional. Si la célula «sabe» de su posición respecto al extremo de la hilera, podrá determinar a qué tercio pertenece y utilizar sus instrucciones genéticas —que son idénticas en todas las células— para dar lugar a células azules,  blancas o rojas. Esto se podría lograr mediante un gradiente de concentración de alguna sustancia que se llamaría morfógeno, y que va variando a lo largo de la hilera. Midiendo la concentración del morfógeno, las células podrían determinar su posición. A altas concentraciones, se desarrollarían células rojas, y así sucesivamente.

Más generalmente, si las células han determinado su posición y disponen de instrucciones genéticas que les indiquen qué hacer en cada posición, se puede generar una enorme variedad de pautas de desarrollo. Esta solución al problema de la bandera francesa también fue establecida por el profesor Wolpert.

Un experimento clásico con embriones de rana demuestra la importancia de la posición celular. En un principio, las pautas del desarrollo embrionario se aprecian en las capas superficiales del embrión esférico formado por división del zigoto. La pauta es básicamente bidimensional, y las regiones que darán lugar al tubo digestivo y al esqueleto se encuentran todavía en el exterior del embrión. Después, se trasladan al interior, por un proceso denominado gastrulación. El lugar por el que penetran al interior del embrión es una zona determinante para establecer el eje principal del cuerpo. Si se extirpa esa zona y se la trasplanta a otro embrión, da una señal al embrión receptor que causa la formación de un nuevo embrión completo.

Otro ejemplo de señalización posicional es el que se aprecia en el desarrollo de las extremidades. La región señaladora se encuentra en el margen posterior de la yema, siendo la que indica a los dedos su identidad posicional. Si se extirpa esta región y se la injerta en el margen anterior de otra yema, la señal que envía produce un miembro con dos conjuntos de dedos en posiciones simétricas. Se podría afirmar que la señal establece un gradiente inverso de algún morfógeno.

Además, las células necesitan registrar y recordar su identidad posicional. Los estudios sobre desarrollo embrionario de los insectos han identificado los genes responsables de las primeras configuraciones del embrión. Se ha descubierto que la identidad de las diferentes partes del cuerpo de un insecto está controlada por genes especiales que se llaman homeóticos. Las mutaciones de estos genes pueden transformar una parte del cuerpo en otra —por ejemplo, una antena en una pata— por un proceso conocido como homeosis. Todos estos genes presentan una región especial que se llama homeobox. También se han encontrado genes con homeobox en otros animales, y parecen cumplir una función parecida, a saber, la de registrar la identidad posicional. En los embriones de ratón y de rana existe una pauta bien definida de manifestación de los genes con homeobox a lo largo del eje principal del cuerpo, que tal vez  es lo que confiere a las células su identidad posicional. Si estos genes no se manifiestan en el lugar adecuado, pueden formar costillas, por ejemplo, en un lugar equivocado. De forma similar, los genes con homeobox de la pata también siguen una pauta definida. Es más: cuando se forma un miembro simétrico injertando una nueva región señaladora, una de las primeras respuestas es un cambio en la manifestación de los genes con homeobox. Sin embargo, todavía quedan por desentrañar muchos detalles para llegar a saber, por ejemplo, cómo se llega de las señales de los genes con homeobox a los cinco dedos de la mano. Ojalá tú, estimado lector, te sientas atraído por este apasionante viaje y decidas dedicar tu vida a la investigación de la morfogénesis, explorando nuevos caminos por descubrir.

Por muy diferente que nos parezca una mosca de un ratón o de un hombre, la Embriología Molecular nos está descubriendo que los tres organismos se desarrollan utilizando mecanismos muy parecidos e, incluso, genes muy similares. Existen pruebas de que los genes y señales que dan forma a las alas de la mosca son similares a los que configuran las patas de los vertebrados. Tan sólo bastan sutiles diferencias en los genes para modificar el comportamiento de las células durante el desarrollo, y de esta forma generar la diversidad de la vida animal.

 

Sobre el autor: José Martínez García-Gil era, en el momento de la publicación de este artículo, becario de investigación del Dpto. de Biología Molecular de la Univ. de Córdoba, Lcdo. en Biología por la Univ. de Córdoba y Lcdo. en Ciencias Exactas por la UNED.

Artículo publicado en Isagogé 0 (2003).

 

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Cigoto: Huevo fertilizado. Célula diploide que se obtiene de la fusión de los gametos femenino y masculino.

Desarrollo: Proceso integral que implica el movimiento y la diferenciación, y a través del cual un huevo fertilizado origina una planta o un animal adulto. Incluye la formación de los distintos tipos celulares, tejidos y órganos.

Diferenciación: Proceso que incluye cambios de la expresión génica, a través del cual una célula precursora se transforma en un tipo celular especializado.

Gastrulación: Etapa de la embriogénesis en la que se forma la gástrula que sucede a la blástula. Es una invaginación de las células para formar una cavidad intestinal rudimentaria y el desarrollo de las tres capas celulares (ectodermo, mesodermo y endodermo).

Gen homeótico: Gen en el que las mutaciones induce a las células de una región del cuerpo a actuar como si estuvieran en otro sitio, y dan lugar a conversiones de una célula, tejido o región del cuerpo dentro de otra.

Homeobox: Secuencia de DNA conservada que codifica para un dominio fijador de DNA en una clase de factores de transcripción codificados por ciertos genes homeóticos.

Homeosis: Transformación de una parte del cuerpo en otra a causa de una mutación o una expresión errónea de determinados genes esencial para el desarrollo.

Morfógeno: Molécula que especifica la identidad celular durante el desarrollo, como función de su concentración.

 

PARA SABER MÁS

CARLSON, B. M. (2001): Embriología Humana y Biología del Desarrollo, Harcourt.

SADLER, T. W. (2001): Embriología médica de Langman, Editorial Médica Panamericana, 8ª edición.

MOORE, K. L. y PERSAUD, T. V. N. (1999): Embriología Clínica, Moore y Persaud, McGraw-Hill  Interamericana, 2 vols., 6ª edición.

GILBERT, S. F. (1994): Developmental Biology, Sinauer Associates, Inc. Publishers, Sunderland (MA), U.S.A.

En Internet: http://zygote.swarthmore.edu/info.html Es la página de S.F. Gilbert, que pretende mantener al día y complementar la información contenida en su libro.