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43.6B: Formación del eje de vertebrados - Biología

43.6B: Formación del eje de vertebrados - Biología


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A través de los patrones de expresión de diferentes genes, se establecen los tres ejes del cuerpo, contribuyendo al desarrollo de tejidos y órganos.

Objetivos de aprendizaje

  • Describir la formación de ejes corporales en vertebrados.

Puntos clave

  • A medida que un animal se desarrolla, debe organizar sus estructuras internas y externas de manera que los ejes anterior / posterior (adelante / atrás), dorsal / ventral (espalda / vientre) y lateral / medial (lateral / medio) estén correctamente determinados.
  • Las proteínas que forman parte de la vía de señalización Wnt ayudan a determinar el eje anterior / posterior al guiar los axones de la médula espinal en una dirección anterior / posterior.
  • Junto con la proteína Sonic hedgehog (Shh), Wnt determina el eje dorsal / ventral; Los niveles de Wnt son más altos en la región dorsal y disminuyen hacia la región ventral, mientras que los niveles de Shh son más altos en la región ventral y disminuyen hacia la región dorsal.

Términos clave

  • dorsal: con respecto a, o con respecto al lado en el que se encuentra la columna vertebral, o el lado análogo de un invertebrado
  • ventral: en la parte frontal del cuerpo humano, o la superficie correspondiente de un animal, generalmente la superficie inferior
  • notocorda: una estructura flexible en forma de varilla que forma el soporte principal del cuerpo en los cordados más bajos; una columna vertebral primitiva
  • Vía de señalización Wnt: un grupo de vías de transducción de señales hechas de proteínas que pasan señales desde el exterior de una célula a través de los receptores de la superficie celular al interior de la célula.

Formación del eje de vertebrados

Incluso cuando se forman las capas germinales, la bola de células aún conserva su forma esférica. Sin embargo, los cuerpos de los animales tienen ejes lateral-medial (hacia el lado-hacia la línea media), dorsal-ventral (hacia atrás-hacia el vientre) y antero-posterior (hacia el frente-hacia atrás). A medida que el cuerpo se forma, debe desarrollarse de tal manera que las células, tejidos y órganos se organicen correctamente a lo largo de estos ejes.

¿Cómo se establecen? En uno de los experimentos más importantes jamás realizados en biología del desarrollo, Spemann y Mangold tomaron células dorsales de un embrión y las trasplantaron a la región del vientre de otro embrión. Descubrieron que el embrión trasplantado ahora tenía dos notocordias: una en el sitio dorsal de las células originales y otra en el sitio trasplantado. Esto sugirió que las células dorsales estaban programadas genéticamente para formar la notocorda y definir el eje dorsal-ventral. Desde entonces, los investigadores han identificado muchos genes responsables de la formación de ejes. Las mutaciones en estos genes conducen a la pérdida de la simetría necesaria para el desarrollo del organismo. Muchos de estos genes están involucrados en la vía de señalización Wnt.

En el desarrollo embrionario temprano, la formación de los ejes corporales primarios es un paso crucial para establecer el plan corporal general de cada organismo en particular. La señalización Wnt puede estar implicada en la formación de los ejes anteroposterior y dorsoventral. La actividad de señalización de Wnt en el desarrollo anteroposterior se puede observar en varios organismos, incluidos mamíferos, peces y ranas. La señalización Wnt también está involucrada en la formación de ejes de partes específicas del cuerpo y sistemas de órganos que son parte del desarrollo posterior. En los vertebrados, los gradientes de señalización morfogenética de erizo sónico (Shh) y Wnt establecen el eje dorsoventral del sistema nervioso central durante el patrón axial del tubo neural. La señalización de Wnt alta establece la región dorsal, mientras que la señalización de Shh alta indica en la región ventral. Wnt también participa en la formación dorsal-ventral del sistema nervioso central a través de su participación en la guía de axones. Las proteínas Wnt guían los axones de la médula espinal en una dirección anteroposterior. Wnt también participa en la formación del eje dorsal-ventral de la extremidad. Específicamente, Wnt7a ayuda a producir el patrón dorsal del miembro en desarrollo.


Mecánica de la formación del eje anteroposterior en vertebrados

La medición de las fuerzas generadas por las células y las propiedades mecánicas de los tejidos in vivo e in situ ha resultado muy difícil. Por esta razón, nuestra comprensión de cómo los bucles de retroalimentación entre la señalización bioquímica y la mecánica contribuyen a una morfogénesis multicelular robusta es aún deficiente. Para abordar esta limitación, ayudé a desarrollar una técnica basada en gotitas de ferrofluido que permite medir múltiples parámetros mecánicos en escalas de tiempo y longitud relevantes para el desarrollo embrionario. Empleando esta técnica, recientemente he proporcionado evidencia biofísica de que se produce una transición de tejido de fluido a sólido en el mesodermo presomítico del pez cebra (PSM). Críticamente, encontré que los parámetros que regulan esta transición in vivo son los mismos que controlan las transiciones fluido / sólido en materiales inertes. Detallaré mi trabajo sobre el control espacio-temporal del comportamiento similar al fluido frente al comportamiento sólido en el PSM, que da lugar al sistema musculoesquelético axial. Específicamente, discutiré cómo se logran estos estados tisulares opuestos a nivel celular y por qué esta transición es necesaria para el alargamiento adecuado del eje en el pez cebra. Además, presentaré algunos trabajos preliminares en pollos que tratan de cómo las propiedades mecánicas y las fuerzas pueden ser ajustadas por la matriz extracelular para guiar la morfogénesis adecuada del eje posterior del cuerpo. Finalmente, discutiré nuestro reciente intento de medir las propiedades mecánicas que las células PSM de pez cebra perciben en su microambiente nativo, durante la diferenciación del linaje mesodérmico. Si bien ahora está claro que múltiples parámetros mecánicos influyen en el comportamiento celular in vitro, se sabe muy poco sobre los parámetros mecánicos del microambiente que las células perciben in vivo, las estructuras que las células sondean mecánicamente y cómo estas señales mecánicas afectan el comportamiento celular dentro de los tejidos 3D en desarrollo. . Como se ha propuesto la alteración de la mecánica tisular como una firma temprana de la transformación maligna, este enfoque cuantitativo para estudiar la mecánica in vivo abre nuevas vías para una comprensión más mecanicista de la rigidez tisular en tumores sólidos y la fluidificación tisular al inicio de la metástasis.


Morfógenos, modelado embrionario y formación de ejes

Los embriones no solo producen diferentes tipos de células (diferenciación celular), sino también los tejidos y órganos funcionales formados por estas células y forman un patrón estereoscópico de estructuras espaciales ordenadas. Las células embrionarias forman diferentes tejidos y órganos, y el proceso de formar una estructura espacial ordenada se convierte en una formación de patrones. En el desarrollo del embrión animal, la formación del patrón inicial involucró principalmente la formación de ejes, la formación de somitas, los primordios de los órganos de las yemas de las extremidades y una serie de procesos de diferenciación celular relacionados. La formación del eje se logra bajo una regulación multinivel controlada por red de una serie de genes.

La hipótesis del morfógeno: ¿Cómo saben las células que se han movido al lugar correcto y deben comenzar a participar en la formación de diferentes tejidos y órganos? Se ha propuesto la hipótesis del morfógeno para explicar el comportamiento de la morfogénesis de las células en diferentes partes del embrión durante el desarrollo: los embriones se sintetizan y secretan en partes específicas del embrión y luego se extienden a los tejidos circundantes para formar un gradiente de concentración decreciente. Las células pueden "percibir" la concentración de morfógenos en sus propias partes a través de receptores apropiados, y las células pueden estimar qué tan lejos están de la fuente de producción de morfógenos y determinar la dirección de diferenciación. De hecho, la hipótesis del morfógeno enfatiza la influencia de la información de ubicación en la morfogénesis. Los científicos han afirmado el papel de la información posicional en la morfogénesis a través de estudios del desarrollo de las yemas de las extremidades de pollo. Durante el desarrollo de un individuo, la diferenciación de las células en cada tejido depende de su información de ubicación específica, que se establece mediante el gradiente de concentración del morfógeno. Como organismo modelo clásico, Drosophila se ha utilizado ampliamente en el estudio de morfógenos. En el sistema de la mosca de la fruta, Wg, Hh y Dpp son las tres moléculas morfógenas más típicas y más estudiadas. En la actualidad, existen muchos estudios sobre sus funciones biológicas y sus mecanismos de acción en el país y en el exterior. Los resultados mostraron que la pérdida de la función HDAC1 condujo a la regulación positiva de la diana transcripcional del gen diana. ptc,ci y dpp, mientras que la pérdida de HDAC3 dio como resultado la sobrerregulación transcripcional del gen diana Dppsal, lo que indica que tanto HDAC1 como HDAC3 tienen actividad desacetilasa de histonas, pero la función en la regulación de la transcripción del gen diana del morfógeno no es idéntica. Esto puede deberse a dos razones: en primer lugar, la localización de HDAC1 y HDAC3 en las células no es la misma. HDAC1 está presente principalmente en el núcleo de las células de Drosophila y HDAC3 está presente tanto en el núcleo como en el citoplasma. Por lo tanto, la función de HDAC1 puede estar más enfocada a participar en ciertos procesos biológicos en el núcleo (como la transcripción), mientras que HDAC3 puede jugar más papel en el citoplasma En segundo lugar, HDAC1 y HDAC3 pueden estar involucrados en la formación de diferentes co-reactivos complejos de recombinación transcripcional. Como se mencionó anteriormente, HDAC1 está involucrado principalmente en la formación del complejo Sin3, el complejo Mi2 / NuRD y el complejo CoREST, mientras que HDAC3 está involucrado principalmente en la formación del complejo SMRT / NCoR. Estos complejos de proteínas son reclutados para genes diana específicos por diferentes proteínas de unión al ADN específicas de secuencia (tales como factores de transcripción) para ejercer la regulación transcripcional correspondiente. Los resultados mostraron que la pérdida de la función HDAC1 condujo a la regulación al alza de omb la expresion genica. Pero no afectó la expresión de sal y vg. Sin embargo, la pérdida de la función de HDAC3 condujo a una regulación positiva de la expresión de Sal y una regulación negativa de la expresión de Vg sin afectar la expresión de Omb. Estos resultados sugieren que la regulación de la transcripción génica por HDAC1 y HDAC3 no es universal, sino selectiva, lo que puede estar relacionado con diferencias en los mecanismos transcripcionales específicos de cada gen entre las diversas vías de señalización y en la misma vía. Por ejemplo, wg, S.S y dpp La transcripción del gen diana aguas abajo necesita activar diferentes factores reguladores de la transcripción (como la activación del gen diana aguas abajo Wg requiere Arm / β-catenina, la vía de señalización Hh requiere Ci / Gli), etc., y los mecanismos por los cuales estos factores de transcripción juegan un papel importante. El papel regulador es diferente, lo que los hace más dependientes del grado de acetilación de histonas. Existen situaciones similares para diferentes genes diana bajo la misma vía de señalización. Por ejemplo, se sabe que la transcripción de genes diana aguas abajo de Dpp sal,vg, yomb necesita trabajar junto con el factor de transcripción Mad y el represor transcripcional Brk (Brinker), pero juegan un papel en la transcripción de cada gen diana específico. El camino es diferente, especialmente si la activación transcripcional de Obb depende de la unión directa de Mad a sus elementos reguladores transcripcionales, lo cual aún no está claro. Además, aunque Brk inhibe la transcripción de Sal, Vg y Omb, el mecanismo no es exactamente el mismo. Encontramos que la pérdida de la función HDAC1 condujo a una regulación positiva de la expresión de Omb, Ptc y Ci. La pérdida de la función de HDAC3 conduce a un aumento de la transcripción de Sal en Drosophila, pero la sobreexpresión de HDAC1 o HDAC3 no tiene ningún efecto sobre la expresión de genes diana aguas abajo. Una posible explicación es que la inhibición de la transcripción de estos genes por HDAC1 o HDAC3 requiere efectos sinérgicos de otros cofactores limitantes. La sobreexpresión de HDAC1 o HDAC3 por sí sola no es suficiente para producir efectos. Por ejemplo, la inhibición transcripcional de Sal, Vg y Omb requiere la participación de Brk.

Patrones embrionarios

La fertilización humana se realiza en el segmento superior de la trompa de Falopio. El desarrollo embrionario comienza cuando el óvulo fertilizado se encuentra en el medio de la trompa de Falopio. El óvulo fertilizado se divide mientras desciende a lo largo de la trompa de Falopio hacia el útero y llega al útero en 2 a 3 días. El embrión en ese momento era una pequeña esfera hueca compuesta por muchas células llamadas blastocisto. Aproximadamente una semana después de la fertilización, el blastocisto se implanta en la hebra intrauterina engrosada, que se llama embarazo. El blastocisto crece a través de la división celular y la diferenciación celular y se divide en dos partes. Una parte es que el embrión mismo se convertirá en un feto en el futuro, la otra parte evolucionará hacia la membrana externa del embrión, siendo las más importantes el amnios, la placenta y el cordón umbilical, y el feto intercambia material a través de la placenta y el madre. En los primeros dos meses, el embrión continúa dividiéndose y diferenciando células, produciendo varias células y formando varios tejidos y órganos. Este es un período de desarrollo y sensibilidad, y tiene poca resistencia y adaptabilidad a diversos estímulos externos. Prestar gran atención a la seguridad, incluidas las mujeres embarazadas que toman medicamentos, reciben radiación o la exposición a otros factores nocivos, afectará el desarrollo normal del feto al final del tercer mes, los diversos sistemas de órganos se han completado básicamente, conocidos como el feto. El desarrollo directo y el desarrollo indirecto, como dos modelos, pueden resumir el desarrollo embrionario de todos los animales multicelulares, pero no lo suficiente como para expresar las características del desarrollo embrionario de los invertebrados y su interconexión. El desarrollo embrionario tardío de los invertebrados y la morfogénesis del período de la metamorfosis tienen sus propias direcciones de desarrollo y, por supuesto, es difícil generalizarlos en unos pocos modelos. Sin embargo, si prevalece el proceso de desarrollo embrionario temprano, habrá algo en común o regularidad en la morfogénesis, ya sea entre niveles similares de evolución o entre diferentes niveles de evolución. Este aspecto no solo refleja la relación de restricción mutua entre el desarrollo individual y la filogenia, sino que también refleja el nivel de evolución y la cercanía del parentesco. Desde la década de 1940, el contenido anterior se ha convertido en una base importante para determinar la ubicación de cada invertebrado y explicar su dirección evolutiva. Por tanto, también es necesario establecer las bases teóricas para establecer el modelo básico de desarrollo embrionario de invertebrados.

Formación del eje

Hoy en día, la mayor parte de la investigación sobre la formación de ejes es la formación de ejes de Drosophila y vertebrados. La formación del eje se completa bajo el control multinivel y en red de una serie de genes. El eje se refiere al eje antero-posterior y al eje dorsal-ventral del embrión. En el desarrollo inicial de Drosophila, una red de información posicional construida por el gen del efecto materno activa la expresión de genes cigóticos y controla la construcción del patrón somático de Drosophila. Existen serval morfógenos muy importantes, BCD y HB, para regular la formación del eje anteroposterior de los embriones. Los genes del cigoto se regulan primero, y los cebadores del producto proteico de diferentes concentraciones de genes del cigoto provocan la expresión de genes de control emparejados, bandas de expresión perpendiculares a los ejes delantero y trasero. El producto proteico del gen de control emparejado activa la transcripción del gen de polaridad somita, dividiendo aún más el embrión en 14 segmentos individuales. Los genes gap, los genes emparejados y los genes de polaridad somática regulan juntos la expresión de genes homeóticos y determinan el destino de desarrollo de cada segmento. Entre los cuatro genes efectores maternos involucrados en la formación del eje de Drosophila, el sistema dorsal-abdominal es el más complejo, y los gametos distribuidos en la membrana amarilla cálida ventral son activados por gametos localizados en la membrana amarilla cálida ventral del huevo, regulando el gen cigoto. La expresión del gen diana del cigoto por el sistema dorsal-ventral, el sistema dorsoventral regula los genes diana del cigoto de una manera similar al sistema frontal y se logra mediante un gradiente de concentración de factor de transcripción. La formación del eje de los vertebrados está relacionada con la acción del determinante proteico-materno codificado por el gen efector materno y la interacción entre las células y la función de una serie de moléculas de la vía de transducción de señales. El eje embrionario de anfibios está regulado por el centro nieuwkoop y los organizadores. El escudo embrionario de los peces es un homólogo del labio posterior de los anfibios y tiene un efecto regulador similar. La regulación de aves y mamíferos está relacionada con la formación de franjas primitivas.


Formación y segmentación del eje del cuerpo de vertebrados

La elongación y segmentación del eje corporal son eventos morfogenéticos importantes que tienen lugar de forma concomitante durante el desarrollo embrionario de los vertebrados. El establecimiento del plan corporal final requiere una estrecha coordinación entre estos dos procesos clave. En esta revisión, detallamos los procesos celulares y moleculares, así como los procesos físicos que subyacen a la formación y el patrón de los ejes corporales. Discutimos en qué se diferencia la formación de la región anterior del eje corporal de la de la región posterior. Describimos el mecanismo de desarrollo de la segmentación y la regulación de la longitud corporal y el número de segmentos. Nos centramos principalmente en el embrión de pollo como sistema modelo. Su accesibilidad y estructura relativamente plana permiten experimentos de imágenes de lapso de tiempo de alta calidad, lo que lo convierte en uno de los modelos de referencia utilizados para estudiar la morfogénesis. Además, ilustramos la conservación y divergencia de mecanismos de desarrollo específicos al discutir los hallazgos en otros sistemas de modelos embrionarios importantes, como ratones, ranas y pez cebra.


Los mecanismos de formación del eje en los anfibios

Los experimentos de Spemann y Mangold demostraron que el labio dorsal del blastoporo, y la notocorda que se forma a partir de él, constituían un & # x0201corganizer & # x0201d que podría instruir la formación de nuevos ejes embrionarios. Pero los mecanismos por los que se construyó el organizador y a través de los cuales operaba eran totalmente desconocidos. De hecho, se dice que el artículo de Spemann y Mangold planteó más preguntas de las que respondió. Entre estas preguntas estaban:

Abordaremos cada una de estas preguntas una a una.

El origen del centro Nieuwkoop

La pista principal para determinar cómo el labio blastoporo dorsal obtuvo sus propiedades provino de los experimentos de Pieter Nieuwkoop (1969, 1973, 1977). Él y sus colegas en los Países Bajos demostraron que las propiedades de este mesodermo recién formado fueron inducidas por las células vegetales (presunto endodermo) subyacentes. Quitó las células ecuatoriales (es decir, el presunto mesodermo) de una blástula y mostró que ni el casquete animal (presunto ectodermo) ni el casquete vegetal (presunto endodermo) producían tejido mesodérmico. Sin embargo, cuando se recombinaron los dos casquetes, se indujo a las células del casquete animal a formar estructuras mesodérmicas como notocorda, músculos, células renales y glóbulos (Figura 10.21). La polaridad de esta inducción (si las células animales formaron mesodermo dorsal o mesodermo ventral) dependía de la polaridad dorsal-ventral del fragmento endodérmico (vegetal). Mientras que las células vegetales ventrales y laterales (las más cercanas al lado de la entrada de los espermatozoides) indujeron el mesodermo ventral (mesénquima, sangre) e intermedio (músculo, riñón), las células vegetales más dorsales especificaron componentes del mesodermo dorsal (somitas, notocorda), incluidos los que tienen las propiedades del organizador. Las células vegetales dorsalmost de la blástula, que son capaces de inducir al organizador, han sido denominadas Centro Nieuwkoop (Gerhart y col. 1989).

Figura 10.21

Resumen de experimentos de Nieuwkoop y de Nakamura y Takasaki (1970), que muestran la inducción mesodérmica por endodermo vegetal. (A) Las células del casquete animal aisladas se convierten en una masa de epidermis ciliada, las células vegetales aisladas generan tejido similar al intestino y se aíslan (más.)

El centro Nieuwkoop se demostró en la celda de 32 Xenopus embrión mediante experimentos de trasplante y recombinación. Primero, Gimlich y Gerhart (Gimlich y Gerhart 1984 Gimlich 1985, 1986) realizaron un experimento análogo a los estudios de Spemann y Mangold, excepto que utilizaron blástulas en lugar de gástrulas. Cuando trasplantaron el blastómero vegetal casi dorsal de una blástula al lado vegetal ventral de otra blástula, se formaron dos ejes embrionarios (ver Figura 10.11B). En segundo lugar, Dale y Slack (1987) recombinaron blastómeros vegetales individuales de un Xenopus embrión con el nivel animal más alto de un embrión marcado con fluorescencia de la misma etapa. La célula vegetal más dorsal, como se esperaba, indujo a las células polares animales a convertirse en mesodermo dorsal. Las células vegetales restantes generalmente inducían a las células animales a producir tejidos mesodérmicos intermedios o ventrales (Figura 10.22). Por tanto, las células vegetales dorsales pueden inducir a las células animales a convertirse en tejido mesodérmico dorsal.

Figura 10.22

La especificidad regional de la inducción del mesodermo puede demostrarse recombinando células de 32 células. Xenopus embriones. Las células polares animales se marcaron con polímeros fluorescentes para poder identificar a sus descendientes y luego se combinaron con vegetales individuales (más.)

El centro de Nieuwkoop se crea mediante la rotación citoplásmica que se produce durante la fertilización (véase el capítulo 7). Cuando esta rotación es inhibida por la luz ultravioleta, el embrión resultante no formará estructuras dorsal-anterior como la cabeza o el tubo neural (Vincent y Gerhart 1987). Sin embargo, estos embriones tratados con UV pueden ser rescatados mediante el trasplante de blastómeros vegetales casi dorsales de un embrión normal en la etapa de 32 células (Dale y Slack 1987 ver Figura 10.11A). Si los huevos se rotan hacia el final del primer ciclo celular de modo que el futuro lado ventral esté hacia arriba, se forman dos centros de Nieuwkoop, que conducen a dos labios blastoporos dorsales y dos ejes embrionarios (ver Figura 10.10). Por tanto, la especificación del eje dorsal-ventral comienza en el momento de la entrada del esperma.

La biología molecular del centro Nieuwkoop

En Xenopus, el endodermo es capaz de inducir la formación de mesodermo haciendo que las presuntas células mesodérmicas expresen el Xenopus Brachyury (Xbra) gen. El mecanismo de esta inducción no se comprende bien (ver Harland y Gerhart 1997), pero la proteína Xbra es un factor de transcripción que activa los genes que producen proteínas específicas del mesodermo. Si bien todas las células vegetales parecen ser capaces de inducir a las células marginales suprayacentes a convertirse en mesodermo, solo las células vegetales más dorsales pueden instruir a las células marginales dorsales suprayacentes para que se conviertan en organizadores. El principal candidato para el factor que forma el centro de Nieuwkoop en estas células vegetales casi dorsales es & # x003b2-catenina.

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10.5 Inducción del mesodermo. Existen numerosas teorías sobre cómo el endodermo induce el mesodermo genérico. La evidencia apunta a tres moléculas como posibles inductores del mesodermo: bFGF, Vg1 y una proteína similar a la activina. Estas proteínas pueden activar Xbra así como otras proteínas mesodérmicas. http://www.devbio.com/chap10/link1005.shtml

& # x003b2-catenina es una proteína multifuncional que puede actuar como un ancla para las cadherinas de la membrana celular (ver Capítulo 3) o como un factor de transcripción nuclear (ver Capítulo 6). En Xenopus embriones, & # x003b2-catenina comienza a acumularse en la región dorsal del óvulo durante los movimientos citoplasmáticos de fertilización. & # x003b2-catenina continúa acumulándose preferentemente en el lado dorsal durante la escisión temprana, y esta acumulación se ve en los núcleos de las células dorsales (Figura 10.23A-D Schneider et al. 1996 Larabell et al. 1997). Esta región de acumulación de & # x003b2-catenina originalmente parece cubrir tanto el centro de Nieuwkoop como las regiones organizadoras. Durante la escisión posterior, las células que contienen & # x003b2-catenina pueden residir específicamente en el centro de Nieuwkoop (Heasman et al. 1994a Guger y Gumbiner 1995).

Figura 10.23

El papel de las proteínas de la vía Wnt en la especificación del eje dorsal-ventral. (A-D) Translocación diferencial de & # x003b2-catenina en Xenopus núcleos de blastómeros. (A) Etapa temprana de 2 células de Xenopus, mostrando & # x003b2-catenina (naranja) predominantemente en la dorsal (más.)

La & # x003b2-catenina es necesaria para formar el eje dorsal, ya que el agotamiento experimental de las transcripciones de & # x003b2-catenina con oligonucleótidos antisentido da como resultado la falta de estructuras dorsales (Heasman et al. 1994a). Además, la inyección de & # x003b2-catenina exógena en el lado ventral del embrión produce un eje secundario (Funayama et al. 1995 Guger y Gumbiner 1995). & # x003b2-catenina es parte de la vía de transducción de la señal Wnt y está regulada negativamente por la glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK-3, véase el capítulo 6). GSK-3 también juega un papel crítico en la formación de ejes al suprimir los destinos dorsales. Se activó la formación del eje de bloques de GSK-3 cuando se añadió al huevo (Pierce y Kimelman 1995 He et al. 1995 Yost et al. 1996). Si la GSK-3 endógena es eliminada por una proteína negativa dominante en las células ventrales del embrión temprano, se forma un segundo eje (Figura 10.23E).

Entonces, ¿cómo puede la & # x003b2-catenina localizarse en las futuras células dorsales de la blástula? Los experimentos de etiquetado (Yost et al. 1996 Larabell et al. 1997) sugieren que la & # x003b2-catenina se sintetiza inicialmente (a partir de mensajes maternos) en todo el embrión, pero se degrada por fosforilación mediada por GSK-3 específicamente en las células ventrales. El evento crítico para la determinación del eje puede ser el movimiento de un inhibidor de GSK-3 al citoplasma opuesto al punto de entrada de los espermatozoides (es decir, a las futuras células dorsales). Un candidato para este agente es la proteína despeinada. Esta proteína es el supresor normal de GSK-3 en la vía Wnt (ver Figura 6.23), y originalmente se encuentra en la corteza vegetal de los no fertilizados. Xenopus huevo. Sin embargo, tras la fertilización, Disheveled se trasloca a lo largo de la matriz microtubular hacia el lado dorsal del embrión (Figura 10.24 Miller et al. 1999). Por lo tanto, en el lado dorsal del embrión, & # x003b2-catenina debe ser estable, ya que GSK-3 no puede degradarlo mientras que en la porción ventral del embrión, GSK-3 debe iniciar la degradación de & # x003b2- catenina.

Figura 10.24

Modelo del mecanismo por el cual la proteína Disheveled estabiliza la & # x003b2-catenina en la porción dorsal del huevo de anfibio. (A) Despeinado (Dsh) se asocia con un conjunto particular de proteínas en el polo vegetal del huevo no fertilizado. (B) Tras la fertilización, (más.)

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10,6 GBP. Además de Disheveled, se ha identificado un segundo inhibidor de GSK-3 en Xenopus huevos. Esta proteína, GBP, puede rescatar la formación del eje en huevos tratados con UV. http://www.devbio.com/chap10/link1006.shtml

& # x003b2-catenina es un factor de transcripción que puede asociarse con otros factores de transcripción para darles nuevas propiedades. Se sabe que Xenopus & # x003b2-catenina se puede combinar con un factor de transcripción ubicuo conocido como Tcf3, y que una forma mutante de Tcf3 que carece de un dominio de unión de catenina & # x003b2 da como resultado embriones sin ejes dorsales (Molenaar et al. 1996). El complejo & # x003b2-catenina / Tcf3 parece unirse a los promotores de varios genes cuya actividad es crítica para la formación de ejes. Uno de estos genes es siamois, que se expresa en el centro de Nieuwkoop inmediatamente después de la transición de la midblastula. Si este gen se expresa ectópicamente en las células vegetales ventrales, un eje secundario emerge en el lado anterior ventral del embrión, y si se evita la rotación cortical, siamois se elimina la expresión (Lemaire et al. 1995 Brannon y Kimelman 1996). Se cree que la proteína Tcf3 inhibe siamois transcripción cuando se une a los promotores de ese gen en ausencia de & # x003b2-catenina. Sin embargo, cuando el complejo Tcf3 / & # x003b2-catenina se une a su promotor, siamois se activa (Figura 10.25 Brannon et al. 1997).

Figura 10.25

Resumen de eventos hipotetizados para provocar la inducción del organizador en el mesodermo dorsal. La rotación cortical provoca la translocación de la proteína despeinada al lado dorsal del embrión. Dsh se une a GSK-3, lo que permite que & # x003b2-catenina (más.)

La proteína Siamois es fundamental para la expresión de genes específicos del organizador (Fan y Sokol 1997 Kessler 1997). La proteína Siamois se une al promotor de la goosecoid gen y activa su expresión (Laurent et al. 1997). El producto proteico de goosecoid parece ser esencial para activar numerosos genes en el organizador de Spemann. Entonces, uno podría esperar que el lado dorsal del embrión contenga & # x003b2-catenina, que & # x003b2-catenina permitiría que esta región expresara Siamois, y que Siamois iniciaría la formación del organizador. Sin embargo, Siamois por sí solo no es suficiente para generar el organizador; otra proteína también parece ser crítica en la activación de goosecoid y la formación del organizador. Estudios recientes sugieren que el máximo goosecoid la expresión ocurre cuando hay sinergismo entre la proteína Siamois y una señal TGF - & # x003b2 expresada vegetalmente (ver Capítulo 6) (Brannon y Kimelman 1996). Si bien la rotación cortical puede activar las cateninas & # x003b2-y permitir la expresión de siamois En la región dorsal del embrión, la traducción de mensajes localizados vegetalmente que codifican un factor de la familia TGF - & # x003b2 puede generar una proteína que permite la activación de goosecoid mejor en las células que se convertirán en el organizador. La proteína de la familia TGF - & # x003b2 en el centro de Nieuwkoop podría inducir a las células de la zona marginal dorsal por encima de ellas a expresar algún factor de transcripción que también se uniría al promotor de la goosecoid gen y cooperar con siamois para activarlo (ver Figura 10.25).

Los candidatos para este factor TGF - & # x003b2 incluyen Vg1, VegT y proteínas relacionadas con los nodos. Cada una de estas proteínas se produce en el endodermo (consulte la figura 5.33). Agius y sus colegas (2000) han proporcionado evidencia de que todas estas proteínas pueden actuar en una vía, y que las proteínas críticas son los factores relacionados con los nodales. Cuando repitieron los experimentos de recombinación animal-vegetal de Nieuwkoop (ver Figura 10.21) pero incluyeron un inhibidor específico de proteínas relacionadas con los nodales, la inducción por las células vegetales no se produjo. (El inhibidor no inhibió Vg1, VegT o activina). Además, encontraron que durante las etapas tardías de la blástula, tres proteínas relacionadas con el nodo (Xnr1, Xnr2 y Xnr4) se expresan en un gradiente dorsal a ventral en el endodermo. Este gradiente está formado por la activación de Xenopus Expresión de genes relacionados con los nodos mediante la acción sinérgica de VegT y Vg1 con & # x003b2-catenina. Agius y sus colegas presentan un modelo, que se muestra en la Figura 10.26, en el que la & # x003b2-catenina ubicada dorsalmente y las señales VegT y Vg1 localizadas en el vegetal interactúan para crear un gradiente de proteínas relacionadas con los nodos (Xnr1, 2, 4) a través de la endodermo. Estas proteínas relacionadas con los nodos especifican el mesodermo de manera que aquellas regiones con poca o ninguna proteína relacionada con los nodos se convierten en mesodermo ventral, aquellas regiones con algo de proteína nodal se convierten en mesodermo lateral y aquellas regiones con una gran cantidad de proteína nodal se convierten en el organizador. These Nodal-related proteins will activate the goosecoid gene, and the specific inhibitor of Nodal-related proteins prevents this activation.

Figure 10.26

Model for mesoderm induction and organizer formation by the interaction of β-catenin and TGF-β proteins. (A) At late blastula stages, Vg1 and VegT are found in the vegetal hemisphere, while β-catenin is located in the dorsal region. (más. )


  1. ↑ Li J, Gao F, Zhao Y, He L, Huang Y, Yang X, Zhou Y, Yu L, Zhao Q & Dong X. (2019). Zebrafish znfl1s regulate left-right asymmetry patterning through controlling the expression of fgfr1a. J. Cell. Physiol. , 234, 1987-1995. PMID: 30317609DOI.
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  3. ↑ Norris DP. (2012). Cilia, calcium and the basis of left-right asymmetry. BMC Biol. , 10, 102. PMID: 23256866DOI.

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Reseñas

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Artículos

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Dynamics of anterior–posterior axis formation in the developing mouse embryo http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n2/full/ncomms1671.html

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Introducción

The Wnt family of growth factors and components of their signaling pathways have diverse roles in development and disease. Wnt signaling influences cell fate, migration, polarity, and neural patterning while inappropriate activation has been implicated in several human cancers (Huelsken and Birchmeier, 2001). The Wnt gene family can be grouped into mechanistically distinct classes based on overexpression assays. The canonical Wnt class (also referred to as Wnt/β-catenin) consists of the Drosophila wingless (wg) and vertebrate Wnt-1 and -8 (Dale, 1998). In zebrafish and Xenopus embryos, overexpression of canonical Wnts induce hyperdorsalization and ectopic axes (Moon et al., 1993b Du et al., 1995 Kelly et al., 1995 Moon and Kimelman, 1998). Stimulation of the canonical Wnt path activates a cytoplasmic phosphoprotein (dishevelled [dsh]), which then inhibits the function of a degradation complex including glycogen synthase kinase 3 and Axin. Down-regulation of glycogen synthase kinase 3 activity leads to accumulation of β-catenin, a multifunctional protein that interacts with cadherins as well as transcription factors (lymphoid enhancer factor/T-cell factor, DNA binding proteins) influencing gene expression (Bienz and Clevers, 2003). In addition, canonical Wnt signaling may be regulated by events Gsk-independent but Axin-dependent to modulate β-catenin nuclear entry (Tolwinski et al., 2003). The end result is tight regulation of Wnt/β-catenin activity and downstream target genes.

The common element of noncanonical Wnt signaling is that this class (including Wnt-5A, -4, y -11) appears to be β-catenin–independent (Kuhl et al., 2000b). Noncanonical Wnt activity can be viewed as a complex network with several cellular outputs identified by calcium (Ca 2+ ) modulation and polarized cell movement (Wnt/Ca 2+ and planar cell polarity [PCP] Mlodzik, 2002). Stimulation of the Wnt–Ca 2+ pathway triggers the release of Ca 2+ (Slusarski et al., 1997a,b), activating Ca 2+ sensitive proteins including PKC (Sheldahl et al., 1999), Ca 2+ /calmodulin-dependent kinases (CaMKII Kuhl et al., 2000a) and calcineurin-dependent nuclear factor of activated T cells (Saneyoshi et al., 2002). More recently, a PCP-specific component, Prickle, has been shown to modulate cell movement and stimulate Ca 2+ release in zebrafish, and a PCP-specific form of dsh has been shown to activate the Wnt/Ca 2+ cascade in Xenopus and zebrafish (Sheldahl et al., 2003 Veeman et al., 2003). This work raises the intriguing possibility that Wnt/Ca 2+ and PCP either substantially overlap or are part of the same signaling network.

In zebrafish, overexpression of Xwnt-5A is antagonistic to the Wnt/β-catenin class in that coinjection of RNA encoding Wnt-8 with Wnt-5A inhibits the dorsalizing effects of Wnt-8 overexpression. Stimulating Ca 2+ release with activated serotonin receptor also antagonized Wnt-8 induced expansion of the dorsal domain (Slusarski et al., 1997b), suggesting that Wnt-5 antagonism of Wnt/β-catenin is downstream of the receptor–ligand interaction and mediated by Ca 2+ release. Consistent with an antagonistic role, expression of antisense Wnt-5A in mammalian cell lines mimics Wnt-1 mediated transformation (Olson and Gibo, 1998). Es más, Drosophila Wnt 4 (Dwnt-4) is antagonistic to wg as injection of antisense Dwnt-4 RNA resembles wg gain-of-function mutations and Dwnt-4 antagonizes wg en Xenopus axis-inducing assays (Gieseler et al., 1999 Buratovich et al., 2000). Dwnt-4 also functions in cell movement (Cohen et al., 2002). Misexpression of zebrafish Wnt-5 and Wnt-4 alters morphogenetic movements (Ungar and Moon, 1995 Slusarski et al., 1997b) and genetic mutations in zebrafish Wnt-5/pipetail (ppt) and Wnt-11/silberblick (slb) have been shown to influence convergence extension movements during gastrulation (Heisenberg et al., 2000 Kilian et al., 2003). Thus, in both vertebrates and invertebrates, noncanonical Wnts have dual functions they are antagonistic to canonical Wnt signaling and modulate cell movement/polarity.

Although there is genetic and biochemical evidence for how the Wnt–β-catenin pathway works in both vertebrates and invertebrates, there is little genetic evidence for how noncanonical Wnt signaling pathways work in axis formation in vertebrates. Our paper provides a genetic demonstration of a maternal requirement for a Wnt in vertebrate dorsal-ventral (D-V) patterning. We identify zebrafish Wnt/Ca 2+ class members (Wnt-4, -5, and -11) by virtue of their ability to stimulate Ca 2+ release and demonstrate genetic interaction between Wnt-5/ppt and Wnt-11/slb. We show that manipulation of Wnt-5 activity by either gain-of-function or loss-of function results in changes in endogenous Ca 2+ activity, and we can obtain partial rescue of the Wnt-5/ppt mutant with overexpression of a proposed downstream Ca 2+ -sensitive protein, Ca 2+ /calmodulin-dependent kinase (CaMKII). Through loss-of-function analyses, our data demonstrate an increase in β-catenin accumulation and activation of downstream genes supporting a functional role for Wnt/Ca 2+ antagonism of Wnt/β-catenin activity in vertebrate development.


Abstracto

Segmentation of the paraxial mesoderm is a major event of vertebrate development that establishes the metameric patterning of the body axis. This process involves the periodic formation of sequential units, termed somites, from the presomitic mesoderm. Somite formation relies on a molecular oscillator, the segmentation clock, which controls the rhythmic activation of several signalling pathways and leads to the oscillatory expression of a subset of genes in the presomitic mesoderm. The response to the periodic signal of the clock, leading to the establishment of the segmental pre-pattern, is gated by a system of travelling signalling gradients, often referred to as the wavefront. Recent studies have advanced our understanding of the molecular mechanisms involved in the generation of oscillations and how they interact and are coordinated to activate the segmental gene expression programme.


Zinc finger gene fez-igual que functions in the formation of subplate neurons and thalamocortical axons

fez-igual que (fezl) is a forebrain-expressed zinc finger gene required for the formation of the hypothalamic dopaminergic and serotonergic (monoaminergic) neurons in zebrafish. To reveal its function in mammals, we analyzed the expression of the mouse orthologue of fezl and generated fezl-deficient mice by homologous recombination. Ratón fezl was expressed specifically in the forebrain from embryonic day 8.5. At mid-gestation, fezl expression was detected in subdomains of the forebrain, including the dorsal telencephalon and ventral diencephalon. Unlike the zebrafish fezl mutante too few, los fezl-deficient mice displayed normal development of hypothalamic monoaminergic neurons, but showed abnormal “hyperactive” behavior. En fezl −/− mice, the thalamocortical axons (TCA) were reduced in number and aberrantly projected to the cortex. These mutants had a reduced number of subplate neurons, which are involved in guiding the TCA from the dorsal thalamus, although the subplate neurons were born normally. These results suggest that fezl is required for differentiation or survival of the subplate neurons, and reduction of the subplate neurons in fezl-deficient mice leads to abnormal development of the TCA, providing a possible link between the transcriptional regulation of forebrain development and hyperactive behavior. Developmental Dynamics 230:546–556, 2004. © 2004 Wiley-Liss, Inc.


INTRODUCCIÓN

In metazoan development, a specific region in the early embryo called the organizer has a remarkable potential to instruct neighboring cells to assume proper cell fates, as well as to specify a particular embryonic axis. The characteristics of embryonic organizers have been best studied in chordate embryos. The primary embryonic organizer in chordates has two defining properties: it signals to the ectoderm to differentiate as neural tissue and it can induce a secondary axis when transplanted to an ectopic position of the host embryo (De Robertis et al., 2000 Harland and Gerhart, 1997 Spemann and Mangold, 1924 Tung et al., 1962). Embryonic organizers have also been identified in various other metazoans, including cnidarians (Broun and Bode, 2002 Kraus et al., 2007), mollusks (Clement, 1962 Damen and Dictus, 1996 Henry et al., 2006 Martindale, 1986 Rabinowitz et al., 2008 van den Biggelaar, 1977), arthropods (Holm, 1952) and echinoderms (Ransick and Davidson, 1993). These non-chordate embryonic organizers share the ability to establish embryonic axes and to induce proper cell fates, but an important difference between chordate and non-chordate embryonic organizers is that the induced tissue(s) in non-chordate embryos need not be restricted to neural tissues (see Ransick and Davidson, 1993). Recently, both chordate and non-chordate embryonic organizers have collectively been referred to as `axial organizers' (Gonzales et al., 2007 Kraus et al., 2007). At present, it is unclear whether axial organizers are homologous throughout the Bilateria, or how much variation exists in how they function to establish the axial organization of the embryo.

In this study, we provide an additional example of an axial organizer in the annelid Tubifex tubifex. We show that specific micromeres (called D quadrant micromeres) of the Tubifex embryo have the ability to form a secondary axis when transplanted to an ectopic position of the host embryo. Cell lineage analyses show that the D quadrant micromeres lack the ability to induce neural tissue however, they induce secondary gut formation. These results show that the Tubifex D quadrant functions as the axial organizer. In addition, the present study provides the first direct evidence that annelid D quadrant cells have the ability to organize the embryonic axis (see below).

In annelids, various studies have suggested that one blastomere at the four-cell stage, the D cell, and its derivatives have the ability to organize the embryonic axis (Freeman and Lundelius, 1992 Lambert, 2008 Lambert, 2010). Cell isolation experiments in the polychaete Chaetopterus have shown that only embryos containing the D quadrant develop ectodermal tissues such as eyes and lateral hooked bristles (Henry, 1986). Also, it is known that equalized first cleavage gives rise to so-called double embryos in Chaetopterus, Nereis, Platynereis y Tubifex (Henry and Martindale, 1987 Penners, 1924b Tyler, 1930), suggesting that equalization of first cleavage and twinning embryos are strongly correlated phenomena. Using MAPK activation as a molecular marker, Lambert and Nagy have suggested that the fourth micromere descendant of the D macromere, 4d, functions as the embryonic axis organizer in the polychaete Hydroides (Lambert and Nagy, 2003). In other polychaetes, such as Arctonoe vittata y Serpula columbiana, pharmacological analyses have suggested that the D quadrant functions as an axial organizer (Gonzales et al., 2007). However, the crucial transplantation test of whether the presumed axial organizer in annelids can induce host tissue to form a secondary axis has not been performed.

The oligochaete annelid Tubifex tubifex is an ideal model organism with which to address whether the D quadrant functions as an axial organizer. The cell lineage of the D quadrant has been analyzed with modern lineage tracers (Goto et al., 1999a Goto et al., 1999b) and early embryos are amenable to cell transplantation (Kitamura and Shimizu, 2000 Nakamoto et al., 2004). To examine the organizing properties of the Tubifex D quadrant, we conducted a series of cell ablation and transplantation experiments. The early development of Tubifex is summarized in Fig. 1. The first two cleavages are unequal and produce four macromeres denoted A, B, C and D (Fig. 1A). Each macromere undergoes a series of unequal divisions and generates small micromeres to the animal pole. For example, the D quadrant repeats unequal divisions four times, yielding four micromeres (1d, 2d, 3d and 4d) at specific positions in the embryo. The first (1d) and the third (3d) micromeres are small, whereas the second (2d) and fourth (4d) micromeres are almost as large as the macromeres (Fig. 1C,D). At the 22-cell stage, the cells 2d 11 (the critical descendant of 2d), 4d and 4D all line up on the future midline of the embryo (Fig. 1D). 2d 11 undergoes asymmetric cell division to give rise to 2d 111 and 2d 112 (see Fig. 1I). During the next cleavage, 2d 111 , 4d and 4D divide equally along the midline, generating the precursor of ectodermal stem cells (NOPQ), mesodermal stem cells (M), and endodermal cells (E D ), respectively, in pairs (Fig. 1E). Embryos undergo gastrulation and morphogenesis during days 2-6 (see Fig. 1F-H). Embryogenesis is completed by days 7-9. Most of the tissues are differentiated at this stage (for details, see Shimizu, 1982).



Comentarios:

  1. Devries

    Lamento no poder hacer nada. Espero que encuentres la solución correcta.

  2. Alahhaois

    Neshtyak!)) 5+

  3. Bodwyn

    Por supuesto, me disculpo, pero esta respuesta no me queda bien. ¿Quizás hay más opciones?

  4. Rushe

    Estas equivocado. Estoy seguro. Discutiremos. Escribe en PM, hablaremos.

  5. Isiah

    Lo siento, pero en mi opinión, estás equivocado. Estoy seguro. Propongo discutirlo. Escríbeme en PM, te habla.



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