Morphogenesis

Morphogenesis means the generation of form, and usually in the context of developmental biology where it means the generation of tissue organization and shape in animal and plant embryos (it also covers the generation of internal organization in complex single-cell organisms such as Acetabularia – an area not discussed here). Por lo tanto, la morfogénesis se ocupa de problemas aparentemente sencillos como: cómo se ramifican los conductos epiteliales en las glándulas (Figura 1), cómo migran los nervios hacia sus objetivos y los reconocen, cómo se juntan las células mesenquimales para formar condensaciones premusculares y preóseas, cómo se unen los tendones a los huesos correspondientes y cómo cambian las células sus formas.

La morfogénesis también abarca cuestiones más complicadas que implican varios procesos morfogenéticos coordinados, como por ejemplo: cómo se forman los huesos, y cómo el tubo cardíaco temprano de los mamíferos se reorganiza a sí mismo y a sus vasos sanguíneos asociados para producir el corazón adulto de 4 cámaras. De hecho, abarca todo lo relacionado con la conformación biológica y la anatomía del desarrollo. Aunque las preguntas son sencillas, han demostrado ser difíciles de responder.

La morfogénesis es una de las cuatro clases de eventos clave interrelacionados que caracterizan todo el desarrollo:

1. Patrones: El establecimiento de las posiciones de los eventos futuros a través del espacio (en una variedad de escalas)
2. Regulación del tiempo: Los mecanismos de «reloj» que regulan cuándo se producen los acontecimientos. Los relojes pueden regular directamente la morfogénesis de los tejidos individuales, como los somitas, y los cambios del momento relativo de los acontecimientos (heterocronía) pueden impulsar la evolución de nuevos planes corporales.
3. Diferenciación celular: Cambios en el conjunto de genes expresados de una célula (su fenotipo molecular)
4. Morfogénesis: Los procesos que generan la organización y la forma de los tejidos y suelen ser la respuesta posterior a la sincronización y el patrón.

Cada uno de estos procesos suele implicar la señalización de un tejido a otro, las señales resultan en cambios en la actividad de las proteínas y en la expresión de los genes que generan eventos (motores de cambio) que pueden ser autónomos de las células o pueden implicar la cooperación celular.

«La morfogénesis es importante»

• Es responsable de la organización de los tejidos y, por lo tanto, de gran parte de la anatomía, la fisiología y el comportamiento de un organismo.
• Las mutaciones que afectan a la morfogénesis son la base de muchas anomalías congénitas humanas.
• Las mutaciones que modifican la forma alteran la aptitud de una especie bajo la presión de la selección y, por lo tanto, impulsan el cambio evolutivo.

«La morfogénesis es difícil de estudiar»: Los conocimientos actuales sobre la morfogénesis de los tejidos complejos son limitados por tres razones:

1. Muchos de los acontecimientos clave tienen lugar durante el desarrollo temprano, cuando los rudimentos de los órganos son pequeños y difíciles de estudiar, aunque la manipulación genética está permitiendo ahora investigar la morfogénesis en organismos como Drosophila ] con embriones muy pequeños.
2. La mayoría de los tejidos no desarrollarán gran parte de su forma in vitro, por lo que son inaccesibles a la manipulación experimental estándar.
3. La complejidad intrínseca de la morfogénesis (véase más adelante) dificulta la experimentación.

• 1 The Basics
• 2 The participating cells
• 3 Experimental approaches
• 4 The bigger picture
• 5 The current situation
• 6 References
• 7 See Also

The Basics

Tissue organization arises from cells exhibiting a set of well-defined morphogenetic behaviors (the morphogenetic toolkit – Table 1) that include movement, shape change, differential growth and apoptosis (programmed cell death). Differential growth is particularly important in plant morphogenesis, not considered here, where there is no cell movement (except by pollen tubes) and little apoptosis.

En cuanto a la escala, los eventos morfogenéticos se extienden desde la organización de estructuras subcelulares (como los filopodios) a través de la migración de células individuales (por ejemplo, una célula de la cresta neural que se mueve a una velocidad de aproximadamente una micra por minuto) hasta la actividad coordinada de los miles de células que logran los complejos pliegues que permiten que un simple tubo cardíaco se reorganice durante varios días (en el ratón) en un órgano de cuatro cámaras. No sabemos prácticamente nada sobre cómo se consigue esa coordinación.

Como el desarrollo de todos los tejidos del cuerpo implica morfogénesis, tiene una enorme literatura. Este artículo no pretende ser exhaustivo ni considerar en detalle ningún ejemplo de anatomía del desarrollo, sino que se limita a proporcionar los fundamentos (los detalles de las bases moleculares de los mecanismos morfogenéticos pueden encontrarse en Davies 2005). Se pueden encontrar revisiones específicas utilizando Pubmed y Google, mientras que los libros de texto que discuten la morfogénesis incluyen: Slack (2005) (una buena introducción) y Gilbert (2006) (amplia cobertura). Para una revisión del material anterior a 1990, véase Bard (1990). Las referencias a algunos ejemplos clave se dan en la Tabla 1.

Este artículo discute los procesos celulares de la morfogénesis; la base molecular de estos procesos se discute en el artículo sobre los Mecanismos celulares de la morfogénesis

Las células participantes

Se pueden distinguir tres clases de tipos celulares en los embriones tempranos sobre la base de la geometría:

1D: Esta clase abarca células individuales, y su proceso morfogenético más importante es el movimiento. Los ejemplos incluyen las células de la cresta neural, las células germinales primordiales y los derivados de los somitas, y esta área ha atraído un interés considerable. La dirección del movimiento celular dentro de un embrión está controlada por pistas (véase la guía de contacto y la haptotaxis en la Tabla 1), gradientes de señalización (quimiotaxis) o interacciones de frontera. Los problemas clave en el análisis de la migración celular in vivo son la identificación de las células que comienzan a moverse, las señales para iniciar el movimiento, la naturaleza de las vías de migración y el modo de detención. Esta área de investigación se ha visto reforzada por nuestra capacidad de etiquetar poblaciones celulares específicas con marcadores transgénicos (β-galactosidasa, proteína verde fluorescente, etc.) para permitirnos seguir sus migraciones a lo largo del desarrollo.

2D (en realidad: láminas de células): Las células epiteliales polarizadas y en monocapa realizan fuertes adhesiones de lado a lado con sus vecinas, secretan una lámina basal a la que se pueden adherir otras células y mantienen una superficie apical a la que otras células no pueden realizar adhesiones (por lo que siguen siendo una monocapa). Las láminas epiteliales forman superficies delimitadoras (por ejemplo, el ectodermo superficial y los revestimientos mesoteliales de las cavidades corporales) y tubos (por ejemplo, el intestino) que pueden arborizarse (por ejemplo, el sistema de conductos colectores del riñón)(Figura 1)). Los endotelios forman los tubos del sistema vascular y son anatómicamente similares a los epitelios, pero utilizan diferentes moléculas de adhesión y matriz. Los procesos mofogenéticos más importantes de los epitelios y endotelios son el plegado, el movimiento (por ejemplo, la gastrulación y la epibolia), el crecimiento controlado (por ejemplo, la extensión y ramificación de los conductos) y la extensión convergente (el mecanismo que, mediante cambios en la forma de las células y en las relaciones de vecindad, permite que los tubos y las láminas cambien de forma – por ejemplo, la extremidad de la Drosophila).Por ejemplo, la extensión de las extremidades de la Drosophila y del intestino del erizo de mar).

3D: Se trata de grupos de células (normalmente mesenquimales) que pueden adherirse directa o indirectamente (por ejemplo, a través de moléculas de matriz extracelular) con otras células similares en toda su superficie, por lo que suelen encontrarse en asociaciones 3D. Muchas células mesenquimales son primitivas y sufren uno o varios procesos morfogenéticos (por ejemplo, el movimiento) para establecer un andamiaje básico de organización tisular antes de condensarse y diferenciarse en una serie de tipos celulares (dermis, cartílago, hueso, músculo, tendón, etc.). La morfogénesis posterior se basa en este andamiaje.

Las células epiteliales y mesenquimales pueden ocasionalmente transformarse unas en otras y las transformaciones 3D asociadas <>

Las transformaciones 2D obligan a las masas mesenquimales a adquirir lúmenes (e.Por ejemplo, la formación de vasos sanguíneos y nefronas (Figura 1)) y las células epiteliales a perder las adhesiones de lado a lado, por lo que pueden deslaminar y migrar fuera de sus láminas (por ejemplo, la migración de células de la cresta neural, la ruptura de somitas). La mayoría de los tejidos funcionales son, por supuesto, estructuras complejas en 3D compuestas por células mesenquimales y epiteliales y sus derivados, junto con tejido nervioso y vascular. Los procesos morfogenéticos que conducen a sus estructuras finales son ricos y complejos, y no se comprenden bien.

Enfoques experimentales

El primer enfoque importante para investigar la morfogénesis fue observar las propiedades morfogenéticas intrínsecas de las células: Townes y Holtfreter (1955 – un clásico) demostraron que los agregados aleatorios de células de una mezcla de tejidos embrionarios de anfibios no sólo se ordenarían en sus tipos de células sino que también generarían alguna estructura. El trabajo demostró que las propias células tenían propiedades morfogenéticas que podían utilizar, y estimuló una gran cantidad de trabajos en los años 60, 70 y 80 sobre las capacidades morfogenéticas de las células.

Un segundo enfoque fue analizar el comportamiento de las células en tejidos que se desarrollarán en cultivo donde pueden ser manipulados experimentalmente. Como los embriones de pollitos y anfibios son relativamente grandes y accesibles, han sido las especies modelo elegidas para estudiar la morfogénesis (por ejemplo, la cresta neural y las migraciones nerviosas, el desarrollo de la córnea, la gastrulación y la morfogénesis epitelial), aunque también se ha trabajado con el erizo de mar transparente (por ejemplo, su gastrulación) y con embriones de ratón (en particular, las glándulas canalizadas: riñón, glándula salival, pulmón, etc.). Ninguno de estos enfoques ha sido de gran utilidad en el estudio de embriones de pequeños invertebrados.