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18.2: Desarrollo y organogénesis - Biología

18.2: Desarrollo y organogénesis - Biología



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El proceso por el cual un organismo se desarrolla de un cigoto unicelular a un organismo multicelular es complejo y está bien regulado. La regulación se produce mediante la señalización entre células y tejidos y respuestas en forma de expresión genética diferencial.

Desarrollo embrionario temprano

La fertilización es el proceso por el cual los gametos (un óvulo y un espermatozoide) se fusionan para formar un cigoto (Figura 18.2.1). Para asegurarse de que la descendencia tenga solo un conjunto diploide completo de cromosomas, solo un espermatozoide debe fusionarse con un óvulo. En los mamíferos, una capa llamada zona pelúcida protege el huevo. En la punta de la cabeza de un espermatozoide hay una estructura como un lisosoma llamada acrosoma, que contiene enzimas. Cuando un espermatozoide se une a la zona pelúcida, tienen lugar una serie de eventos, llamados reacciones acrosómicas. Estas reacciones, que involucran enzimas del acrosoma, permiten que la membrana plasmática del esperma se fusione con la membrana plasmática del óvulo y permiten que el núcleo del espermatozoide se transfiera al óvulo. Las membranas nucleares del óvulo y el esperma se rompen y los dos núcleos haploides se fusionan para formar un núcleo o genoma diploide.

Para asegurarse de que no más de un espermatozoide fertilice el óvulo, una vez que las reacciones acrosómicas tienen lugar en un lugar de la membrana del óvulo, el óvulo libera proteínas en otros lugares para evitar que otros espermatozoides se fusionen con el óvulo.

El desarrollo de organismos multicelulares comienza a partir de este cigoto unicelular, que experimenta una división celular rápida, denominada escisión (Figura 18.2.2a), para formar una bola hueca de células llamada blástula (Figura 18.2.2B).

En los mamíferos, la blástula forma el blastocisto en la siguiente etapa de desarrollo. Aquí, las células de la blástula se organizan en dos capas: la masa celular interna y una capa externa llamada trofoblasto. La masa celular interna pasará a formar el embrión. El trofoblasto secreta enzimas que permiten la implantación del blastocisto en el endometrio del útero. El trofoblasto contribuirá a la placenta y nutrirá al embrión.

CONCEPTO EN ACCIÓN

Visite el proyecto Virtual Human Embryo en el sitio de Endowment for Human Development para hacer clic en un interactivo de las etapas del desarrollo del embrión, incluidas micrografías e imágenes rotativas en 3-D.

Las células de la blástula luego se reorganizan espacialmente para formar tres capas de células. Este proceso se llama gastrulación. Durante la gastrulación, la blástula se pliega sobre sí misma y las células migran para formar las tres capas de células (Figura 18.2.3) en una estructura, la gástrula, con un espacio hueco que se convertirá en el tracto digestivo. Cada una de las capas de células se llama capa germinal y se diferenciará en diferentes sistemas de órganos.

Las tres capas germinales son el endodermo, el ectodermo y el mesodermo. Las células de cada capa germinal se diferencian en tejidos y órganos embrionarios. El ectodermo da lugar al sistema nervioso y la epidermis, entre otros tejidos. El mesodermo da lugar a las células musculares y al tejido conectivo del cuerpo. El endodermo da lugar al intestino y a muchos órganos internos.

Organogénesis

La gastrulación conduce a la formación de las tres capas germinales que dan lugar durante el desarrollo posterior a los diferentes órganos del cuerpo animal. Este proceso se llama organogénesis.

Los órganos se desarrollan a partir de las capas germinales a través del proceso de diferenciación. Durante la diferenciación, las células madre embrionarias expresan conjuntos específicos de genes que determinarán su tipo de célula final. Por ejemplo, algunas células del ectodermo expresarán los genes específicos de las células de la piel. Como resultado, estas células adoptarán la forma y las características de las células epidérmicas. El proceso de diferenciación está regulado por señales químicas específicas de la ubicación del entorno embrionario de la célula que pone en juego una cascada de eventos que regulan la expresión génica.

Resumen

Las primeras etapas del desarrollo embrionario comienzan con la fertilización. Después de la fertilización, el cigoto sufre una división para formar la blástula. La blástula, que en algunas especies es una bola hueca de células, se somete a un proceso llamado gastrulación, durante el cual se forman las tres capas germinales. El ectodermo da lugar al sistema nervioso y las células epidérmicas de la piel, el mesodermo da lugar a las células musculares y al tejido conectivo del cuerpo, y el endodermo da lugar al sistema digestivo y otros órganos internos. La organogénesis es la formación de órganos a partir de las capas germinales. Cada capa germinal da lugar a tipos de tejidos específicos.

Preguntas de revisión

El proceso de gastrulación forma el _______.

A. blástula
B. cigoto
C. órganos
D. capas germinales

D

¿Cuál de los siguientes da lugar a las células de la piel?

A. ectodermo
B. endodermo
C. mesodermo
Re. Ninguna de las anteriores

A

Respuesta libre

¿Qué crees que pasaría si varios espermatozoides se fusionaran con un óvulo?

Si múltiples espermatozoides se fusionaran con un óvulo, se formaría un cigoto con un nivel de ploidía múltiple (múltiples copias de los cromosomas) y luego moriría.

Glosario

blastocisto
la estructura que se forma cuando las células de la blástula de mamífero se separan en una capa interna y otra externa
gastrulación
el proceso en el que la blástula se pliega sobre sí misma para formar las tres capas germinales
masa celular interna
la capa interna de células en el blastocisto, que se convierte en el embrión
organogénesis
el proceso de formación de órganos durante el desarrollo
trofoblasto
la capa externa de células en el blastocisto, que da lugar a la contribución del embrión a la placenta

La función de un órgano depende fundamentalmente de su forma. Un ejemplo sorprendente de esto es el oído interno de los vertebrados, donde la exquisita arquitectura de los canales semicirculares es esencial para el equilibrio [1]. La notable variedad en las formas y tamaños de los picos entre las diferentes especies de pinzones de Darwin proporciona otro ejemplo clásico de cómo la forma evoluciona para adaptarse perfectamente a la función: en cada caso, el tamaño y la forma del pico refleja la accesibilidad a los alimentos en diferentes hábitats. Aunque los estudios de genética molecular han proporcionado una idea de las vías bioquímicas que subyacen a la generación de tal diversidad morfológica, todavía carecemos de una comprensión profunda de los procesos celulares que impulsan la morfogénesis.

Durante el crecimiento, los órganos deben integrar información sobre el tamaño del sistema, por ejemplo, ¿cómo crecen nuestros brazos y piernas para tener la misma longitud? La información posicional para órganos futuros se proporciona a través de vías de señalización espacial, como gradientes de morfógenos. Los morfógenos y las redes reguladoras de genes posteriores pueden generar límites de expresión génica escalados con notable precisión en el Drosophila embrión [2]. Sin embargo, la mayor parte del desarrollo embrionario ocurre en tejidos en crecimiento. El control del tamaño es un proceso de múltiples escalas: desde el nivel nuclear, donde el tamaño del huso debe regularse cuidadosamente, hasta el escalado de tejidos y el control del tamaño de los organismos. Las restricciones topológicas y las entradas mecánicas también pueden desempeñar un papel en el control del tamaño, como lo demuestra la vía mecanosensible Hippo / YAP [3].

El crecimiento no se limita al desarrollo de sistemas en una variedad de organismos que los órganos pueden regenerar. En el pez cebra, la cola puede regenerarse después de una lesión hasta casi las proporciones exactas de la cola original. Los órganos internos, como el corazón, también pueden regenerarse y las fuerzas mecánicas pueden desempeñar un papel importante en la orientación de dicho proceso [4]. Cómo se regula el tamaño de los órganos durante la regeneración es una pregunta abierta intrigante con una clara relevancia tanto para los investigadores básicos como para la clínica.


CULTIVO DE TEJIDOS Y MEJORA VEGETAL | Propagación clonal, árboles forestales

Organogénesis

En organogénesis, nuevas plantas surgen de yemas axilares o adventicias. in vitro, que se alargan en brotes y, posteriormente, forman raíces adventicias. La organogénesis a menudo se puede lograr con tejidos de plántulas y, a veces, de árboles maduros. La organogénesis ha sido eficaz en la propagación de algunas especies, por ejemplo, varios miembros de la Eucalipto y Populus géneros y una conífera, Pinus radiata. Sin embargo, la propagación por organogénesis no ha sido eficaz para la mayoría de las otras especies de árboles. O las tasas de propagación son demasiado bajas para ser comercialmente efectivas o los propágulos no son fieles al tipo, es decir, sus hábitos de crecimiento difieren de los de sus donantes. Un problema que a menudo surge con las plantas multiplicadas por organogénesis es la floración precoz. Este y otros problemas de inestabilidad genética no están necesariamente asociados intrínsecamente con la organogénesis, a menudo son el resultado de que la tecnología aún no se ha optimizado adecuadamente para la especie.


Formación del eje de vertebrados

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.

Conclusiones clave

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 que los niveles de Wnt del eje dorsal / ventral 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 espina 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, los tejidos y los órganos se organicen correctamente a lo largo de estos ejes.

Ejes corporales: Los cuerpos de los animales tienen tres ejes de simetría: anterior / posterior (frontal / posterior), dorsal / ventral (espalda / vientre) y lateral / medial (lateral / medio).

¿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 provocan 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.


Resumen de la sección

Las primeras etapas del desarrollo embrionario comienzan con la fertilización. El proceso de fertilización está estrictamente controlado para garantizar que solo un espermatozoide se fusione con un óvulo. Después de la fertilización, el cigoto sufre una división para formar la blástula. La blástula, que en algunas especies es una bola hueca de células, se somete a un proceso llamado gastrulación, durante el cual se forman las tres capas germinales. El ectodermo da lugar al sistema nervioso y las células epidérmicas de la piel, el mesodermo da lugar a las células musculares y al tejido conectivo del cuerpo, y el endodermo da lugar al sistema digestivo y otros órganos internos. La organogénesis es la formación de órganos a partir de las capas germinales. Cada capa germinal da lugar a tipos de tejidos específicos.


Contenido

El endodermo es la capa germinal más interna del embrión que da lugar a órganos gastrointestinales y respiratorios mediante la formación de revestimientos epiteliales y órganos como el hígado, los pulmones y el páncreas. [5] El mesodermo o capa germinal media del embrión formará la sangre, el corazón, los riñones, los músculos y los tejidos conectivos. [5] El ectodermo o la capa germinal más externa del embrión en desarrollo forma la epidermis, el cerebro y el sistema nervioso. [5]

Si bien cada capa germinal forma órganos específicos, en la década de 1820, el embriólogo Heinz Christian Pander descubrió que las capas germinales no pueden formar sus respectivos órganos sin las interacciones celulares de otros tejidos. [1] En los seres humanos, los órganos internos comienzan a desarrollarse entre 3 y 8 semanas después de la fertilización. Las capas germinales forman órganos mediante tres procesos: pliegues, fracturas y condensación. [6] Los pliegues se forman en la hoja germinal de las células y generalmente forman un tubo cerrado que se puede ver en el desarrollo del tubo neural de los vertebrados. Pueden formarse grietas o bolsas en la hoja germinal de células formando vesículas o alargamientos. Los pulmones y las glándulas del organismo pueden desarrollarse de esta manera. [6]

Un paso principal en la organogénesis de los cordados es el desarrollo de la notocorda, que induce la formación de la placa neural y, en última instancia, el tubo neural en el desarrollo de los vertebrados. El desarrollo del tubo neural dará lugar al cerebro y la médula espinal. [1] Los vertebrados desarrollan una cresta neural que se diferencia en muchas estructuras, incluidos huesos, músculos y componentes del sistema nervioso central. La diferenciación del ectodermo en la cresta neural, el tubo neural y el ectodermo de superficie a veces se denomina neurulación y el embrión en esta fase es la neurula. El celoma del cuerpo se forma a partir de una división del mesodermo a lo largo del eje somita [1]


Ingeniería artificial de órganos linfoides secundarios

Jonathan K.H. Tan, Takeshi Watanabe, en Avances en inmunología, 2010

3.2 Generación de tejidos linfoides en etapa adulta

La organogénesis de los tejidos linfoides adultos parece ocurrir por los mismos mecanismos generales mostrados en el desarrollo embrionario (Cupedo y Mebius, 2003). Se han identificado células LTi CD3-CD4 + adultas en el bazo, que promueven la organización de las estructuras de las células T y B en los tejidos linfoides secundarios (Kim et al., 2005, 2006, 2007). En comparación con el LTi neonatal, la expresión de OX40L y CD30L que respalda la supervivencia de las células T CD4 + es evidente en los homólogos de LTi adultos (Kim et al., 2003, 2005, 2006). Además, en contraste con la opinión común de que los LTi son característicamente células CD3-CD4 + (Finke, 2005 Kim et al., 2007), ahora se han identificado dos poblaciones de LTi adultas CD4 y CD4 + (Kim et al., 2008). Además de la expresión de CD4, ambas poblaciones de LTi adultas comparten expresiones similares de marcadores de superficie celular y de genes, caracterizadas como células de linaje negativo (CD3 - CD8 - CD27 - B220 - CD11c -) Thy + CD4 - / +, que expresan ckit + OX40L + CD30L + CD69 + marcadores (Kim et al., 2008). También se han identificado células estromales similares a organizadores adultos en múltiples SLO, incluidos LN, bazo y PP (Katakai et al., 2008). Designadas células reticulares marginales (MRC), estas células se localizan en una capa debajo del seno subcapsular de LN o MZ del bazo, a menudo adyacentes a los folículos de células B. MRC expresa los marcadores VCAM-1, ICAM-1, MAdCAM-1 y TRANCE, que comparten una gran similitud con el LTo embrionario. El análisis histológico del NL neonatal en desarrollo y la pulpa blanca del bazo también demostró una expansión hacia afuera de la MRC de las células estromales de LTo en el tejido del recién nacido (Katakai et al., 2008). Sin embargo, la función del MRC adulto es menos clara y presumiblemente participa en el mantenimiento de la estructura linfoide más que en la organogénesis. Además, MRC difiere entre SLO ya que la inhibición de la señalización de LTβR por el tratamiento con LTβR-Fc altera la estructura de MRC en la pulpa blanca del bazo, mientras que MRC en LN no se ven afectados en gran medida (Katakai et al., 2008). Por lo tanto, el papel funcional de MRC entre diferentes órganos linfoides también puede diferir.


Notas de estudio sobre organogénesis | Biotecnología

El artículo mencionado a continuación proporciona una nota de estudio sobre organogénesis.

En el cultivo de tejidos vegetales, la organogénesis es un proceso de diferenciación mediante el cual los órganos de las plantas como raíces, brotes, brotes, etc. se forman a partir de los puntos de origen inusuales de explantes organizados donde falta un meristema preformado. El desarrollo de las plantas a través de la organogénesis es la formación de órganos de novo o de origen adventicio y la regeneración de las plantas a través de la organogénesis es una estructura monopolar.

La producción vegetal a través de la organogénesis se puede lograr mediante dos modos:

(i) Aparición de órganos adventicios directamente del explante.

(ii) Organogénesis a través de la formación de callos y timidez con origen de novo (Fig. 18.1).

Formación directa de órganos adventicios:

Cada célula de la planta se deriva del cigoto original a través de divisiones mitóticas que contienen el genoma completo. La formación de yemas adventicias depende de la reactivación de genes relacionados con la fase embrionaria del desarrollo. Se requiere la adición de reguladores de crecimiento como auxina y citoquinina en el medio para iniciar la formación de brotes de diferentes tipos de explantes de tejido.

La regeneración in vitro adventicia puede dar una tasa de producción de brotes mucho más alta que la que es posible mediante la proliferación de brotes axilares. Esta técnica y técnica se usa mucho para la multiplicación en el sistema de micropropagación (figura 18.2A.

En un medio adecuado suplementado con hormonas de crecimiento, los tejidos somáticos de las plantas superiores son capaces de regenerar brotes / brotes adventicios. Estos cogollos se forman directamente a partir de un órgano vegetal o de cualquier tejido sin formar ninguna estructura de callo. Este tipo de organogénesis se encuentra principalmente en plantas herbáceas.

La promoción de la formación de yemas por citoquinina ocurre en varias especies de plantas, aunque el requerimiento de citoquinina y auxina exógenas en el proceso varía con el sistema tisular de las diferentes especies. En algunas especies de plantas, las yemas adventicias se producen durante la reproducción vegetativa.

Organogénesis a través de la formación de callos:

A veces, la regeneración de plantas a partir de explantes cultivados (cotiledones, hipocótilo, tallo, hoja, ápice del brote, brote, raíz, inflorescencia joven, embriones, etc.) implica el inicio de la formación de callo basal y luego la diferenciación de la yema del brote (Fig. 18.2B). Para diferentes especies, pueden ser necesarios diferentes tipos de explantes para una regeneración exitosa de la planta.

Aunque los explantes con células mitóticamente activas, es decir, meristemos, puntas de brotes, yemas axilares, hojas inmaduras, embriones inmaduros son buenos para la iniciación de callos y también pueden usarse con éxito para iniciar plántulas a través de la organogénesis.

Generalmente se utilizan dos modos de cultivo celular para la ruta organogénica:

(i) El cultivo de grupos de células en un medio sólido

(ii) El cultivo de suspensiones celulares en medio líquido.

Requisito de reguladores de crecimiento y medio:

La aplicación de reguladores del crecimiento es fundamental para la morfogénesis, que varía mucho según el tipo de tejido. El tejido del callo se compone de una amplia gama de tipos de células, las células meristemáticas se intercalan dentro de las células vacuoladas. Durante el subcultivo, las células meristemáticas pueden verse favorecidas por la composición del medio y el crecimiento organizado del tejido meristemático puede conducir a la formación de meristemoides.

En estas estructuras, la vascularización comienza debido a la aparición de células traqueidales en el callo que finalmente inicia tímidamente la formación de brotes y raíces. La reducción de auxina y el aumento de la concentración de citoquininas se realizan tradicionalmente para inducir la organogénesis de los brotes a partir del callo (fig. 18.3 A).

Las auxinas solas o en combinación con concentraciones bajas de citoquinina son importantes en la inducción de primordios de raíces (fig. 18.3B). La organogénesis puede inducirse en suspensión de células o en la transferencia de células de cultivo de callos de células desde el medio que forma el callo al medio de regeneración y luego el subcultivo continuo ayuda a la formación de órganos.

La diferenciación organogénica es el resultado del proceso de desdiferenciación seguido de la rediferenciación de las células. La desdiferenciación favorece el crecimiento celular desorganizado y el callo desarrollado resultante tiene meristemas divididos aleatoriamente.

La mayoría de estos meristemas, si se proporcionan las condiciones apropiadas & # 8220 in vitro & # 8221, volverían a diferenciar los brotes y las raíces. La regeneración de toda la planta a partir de células cultivadas puede ocurrir mediante diferenciación de brotes o embriogénesis somática. Todos estos eventos establecen la totipotencia de las células somáticas.


Organogénesis

La gastrulación conduce a la formación de las tres capas germinales que dan lugar durante el desarrollo posterior a los diferentes órganos del cuerpo animal. Este proceso se llama organogénesis.

Los órganos se desarrollan a partir de las capas germinales a través del proceso de diferenciación. Durante la diferenciación, las células madre embrionarias expresan conjuntos específicos de genes que determinarán su tipo de célula final. Por ejemplo, algunas células del ectodermo expresarán los genes específicos de las células de la piel. Como resultado, estas células adoptarán la forma y las características de las células epidérmicas. El proceso de diferenciación está regulado por señales químicas específicas de la ubicación del entorno embrionario celular y rsquos que pone en juego una cascada de eventos que regulan la expresión génica.


Información del autor

Afiliaciones

Beijing Advanced Innovation Center for Genomics (ICG), Laboratorio clave de proliferación y diferenciación celular del Ministerio de Educación, Facultad de Ciencias de la Vida, Universidad de Pekín, Beijing, 100871, República Popular de China

Ji Dong, Yuqiong Hu, Xiaoying Fan, Xinglong Wu, Yunuo Mao, Boqiang Hu, Hongshan Guo, Lu Wen y Fuchou Tang

Instituto Biomédico para la Investigación Pionera a través de la Convergencia, Facultad de Ciencias de la Vida, Universidad de Pekín, Beijing, 100871, República Popular de China

Ji Dong, Yuqiong Hu, Xiaoying Fan, Xinglong Wu, Yunuo Mao, Boqiang Hu, Hongshan Guo, Lu Wen y Fuchou Tang

Centro Peking-Tsinghua de Ciencias de la Vida, Universidad de Pekín, Beijing, 100871, República Popular de China


Ver el vídeo: 1..2---. HISTOGENESIS Y DIFERENCIACIÓN CELULAR (Agosto 2022).