Biología

Morfogénesis

fenotipo ontogénico a la continua transformación fenotípica de un ser vivo a lo largo de su autopoiesis, desde la concepción hasta la muerte, que surge en la realización de un modo de vida particular.

Se distingue del tradicional concepto fenotipo, el cual se ha referido a la configuración en un instante del organismo explicada por la suma del ambiente + genotipo.

El fenotipo ontogénico: lo humano surge, en la historia evolutiva del linaje homínido a que  pertenecemos, al surgir el lenguaje. En el ámbito biológico una especie es un linaje, o sistema de linajes, constituido como tal al conservarse de manera transgeneracional en la historia reproductiva de una serie de organismos, un modo de vivir particular. Dado que todo ser vivo existe como un sistema dinámico en continuo cambio estructural, el modo de vivir que define a una especie, a un linaje, o a un sistema de linajes, se da como una configuración dinámica de relaciones entre el ser vivo y el medio que se extiende en su ontogenia desde su concepción hasta su muerte. A tal modo de vivir, o configuración dinámica de relaciones ontogénicas entre el ser vivo y el medio, que al conservarse transgeneracionalmente en una sucesión reproductiva de organismos constituye y define la identidad de un sistema de linajes, Jorge Mpodozis y yo lo llamamos fenotipo ontogénico.

Un morfógeno es una sustancia que gobierna el patrón del desarrollo tisular y, en particular, las posiciones de varios tipos de células especializadas dentro de un tejido. Su efecto se expande desde una fuente localizada, formando un gradiente de concentración a lo largo de un tejido en desarrollo. La definición del morfógeno es conceptual, no química, por lo que agentes químicos como el retinol pueden actuar como morfógenos. El término en inglés es Morphogen, lo cual ha dado lugar en muchas ocasiones a que se haya traducido incorrectamente como "morfogen".

Morfógenos

• Decapentaplegic
• Hedgehog
• Wingless
• Wnt

Introducción

Durante el desarrollo temprano, los gradientes morfogenéticos generan diferentes tipos de células en un orden espacial diferente. El morfógeno provee la información espacial formando un gradiente de concentración que subdivide un campo de células induciendo o manteniendo diferentes genes clave en distintos umbrales de concentración. De este modo, las células, alejadas de la fuente del morfógeno recibirán bajos niveles del morfógeno y expresarán solo genes clave (target genes) con un umbral bajo. Por el contrario, las células próximas a la fuente del morfógeno recibirán altos niveles de éste y expresarán genes clave con un umbral tanto alto como bajo. Como consecuencia de las diferentes combinaciones de expresión de genes clave, surgirán distintos tipos de células. De este modo, el campo de células se subdivide en diferentes tipos de acuerdo con su posición relativa a la fuente del morfógeno. Se trata de un mecanismo general por el que se genera la diversidad celular en el desarrollo animal.

Algunos morfógenos son factores de transcripción, pero la mayor parte son proteínas segregadas que envían señales entre las células.

Los morfógenos en Drosophila y en los vertebrados

Drosophila melanogaster tiene un sistema de desarrollo inusual en el que las primeras trece divisiones celulares del embrión ocurren dentro de un sincitio previo a lacelurarización. En esencia, el embrión permanece como una sola célula con alrededor de 8.000 núcleos uniformemente distribuidos cerca de la membrana, hasta que en la decimocuarta división celular, momento en el que las membranas independientes se sitúan entre los núcleos, separándolas en células independientes. Como resultado, en los embriones de moscafactores de transcripcións como Bicoid o Hunchback pueden actuar como morfógenos, puesto que pueden dufundirse libremente entre los núcleos para producir suaves gradientes de concentración sin depender de mecanismos de señalización intercelulares especializados. Aunque existen evidencias de factores de transcripción homeoboxsimilares a estos pueden pasar directamente a través de las membranas celulares, no se cree que este mecanismo contribuya en gran medida a la morfogénesis.

En la mayor parte de sistemas de desarrollo, los sincitios ocurre raramente (como en el músculo esquelético), y, en general, los morfógenos son proteínas de señalización segregadas. Estas proteínas se unen a los dominios extracelulares de las proteínas receptoras de la transmembrana, que utilizan un elaborado proceso detransducción de señales para comunicar el nivel de morfógeno al núcleo. Los objetivos principales de la transducción de señales de patrones son normalmente factores de transcripción cuya actividad está regulada de una manera que refleja el nivel de morfógeno recibido en la superficie celular. De este modo, los morfógenos segregados actúan para generar gradientes de actividad de los factores de transcripción al igual que son generados en el embrión sincitial de la Drosophila.

Los genes responden a diferentes umbrales de actividad del morfógeno. La expresión de los genes nucleares está controlada por segmentos del ADN llamados 'enhancers' a los que los factores de transcripción se unen directamente. Una vez unidos, el factor de transcripción activa o inhibe la transcripción del gen y de ese modo controla el nivel de expresión del producto génico (por lo general una proteína). Los genes nucleares con un nivel de umbral bajo sólo requieren bajos niveles de actividad del morfógeno para ser regulados y dar forma a los enhancers que contienen lugares de unión con una alta afinidad para el factor de transcripción. Los genes nucleares de alto umbral tienen por lo general menos lugares de unión que requieren niveles de actividad del factor de transcripción mucho más altos para ser regulados.

Otras funciones de los morfógenos

Los morfógenos tienen funciones adicionales al control de la división tisular, como el control del crecimiento del tejido o la orientación de la polaridad de las células dentro de un tejido (como la orientación del vello).

Descubrimiento

La idea del morfógeno tienen una larga historia en la biología del desarrollo, remontándose a la obra de Thomas Hunt Morgan. No obstante, fue Lewis Wolpert quien refinó el concepto de morfógeno en la década de los sesenta con su modelo de la "bandera francesa" que describía cómo un morfógeno podía subdividir un tejido en dominios de expresión de diferentes genes nucleares. Este modelo fue auspiciado por Peter Lawrence. Christiane Nüsslein-Volhard identificó el primer morfógeno (Bicoid). Más adelante, los laboratorios de Gary Struhl y Stephen Cohen demostraron que una proteína de señalización (Decapentaplégica) actuaba como morfógeno durante los estadios tardíos del desarrollo de la Drosophila.

La ontogenia (también llamada morfogénesis u «ontogénesis») describe el desarrollo de un organismo, desde la fecundación de un cigoto durante reproducción sexualhasta su senescencia, pasando por la forma adulta. La ontogenia es estudiada por la biología del desarrollo. "La ontogenia es la historia del cambio estructural de una unidad sin que ésta pierda su organización. Este continuo cambio estructural se da en la unidad, en cada momento, o como un cambio desencadenado por interacciones provenientes del medio donde se encuentre o como resultado de su dinámica interna".

El desarrollo animal u ontogenia cumple dos funciones principales:

1. Genera diversidad celular (diferenciación) a partir del huevo fecundado (cigoto) y organiza los diversos tipos celulares en tejidos y órganos (morfogénesis y crecimiento).
2. Asegura la continuidad de la vida de una generación a la siguiente (reproducción).

Fases del desarrollo animal

Fecundación

La fecundación es la unión de dos gametos con la consiguiente formación de un cigoto. Los gametos pueden ser iguales (isogametos) o distintos (anisogametos: espermatozoide y óvulo). El proceso central de la fecundación es la cariogamia, es decir, la fusión de los núcleos de los gametos (pronúcleos).

Activación

La activación es el conjunto de fenómenos que tienen lugar en el cigoto y que determinan que éste empiece a segmentarse (dividirse por mitosis).

Embriogénesis

La embriogénesis es el conjunto de procesos ontogenéticos que abarca desde que el cigoto comienza a segmentarse hasta que se consuma la organogénesis. La embriogénesis incluye las siguientes fases: segmentación, blastulación gastrulación y organogénesis.

• La segmentación es un conjunto de mitosis celulares muy rápidas, gracias a las cuales el cigoto queda dividido en múltiples células de menor tamaño denominadas blastómeros. Las dos primeras divisiones que experimenta el cigoto determinan la polaridad del animal: polos animal y vegetativo. El cuerpo esférico macizo, de igual tamaño que el cigoto, formado por un número reducido de blastómeros, que resulta de la segmentación se conoce como mórula.

• La blastulación es el proceso de formación de la blástula, que a menudo se presenta como un cuerpo esférico hueco formado por blastómeros situados en la periferia (blastodermo). La cavidad central de la blástula se denomina blastocele; está llena de líquido blastocélico y constituye la cavidad general (interna) primaria del animal.

• La gastrulación es el conjunto de procesos morfogenéticos que se producen a partir del estado de blástula y que conducen a la formación de las hojas blastodérmicas o germinativas: ectodermo (hoja externa) y endodermo (hoja interna). En algunos metazoos primitivos, el ectodermo y el endodermo están separados por una capa gelatinosa, más o menos celularizada, que se denomina mesoglea o mesohilo (animales diblásticos). Sin embargo, en la mayoría de los metazoos se forma una tercera hoja blastodérmica, entre el ectodermo y el endodermo, llamada mesodermo (animales triblásticos). En líneas generales se puede decir que el ectodermo produce las células de la epidermis y del sistema nervioso, el endodermo origina tanto las células que tapizan el tubo digestivo como los órganos asociados a dicho sistema (páncres, hígado, etc.). El mesodermo da lugar a diversos órganos (corazón, riñones, gónadas), a los tejidos conjuntivos y de sostén (huesos, músculos) y a las células sanguíneas.

• La organogénesis es el conjunto de interacciones y desplazamientos celulares que conducen a la formación de los órganos. Muchos órganos están formados por células originadas a partir de hojas blastodérmicas distintas. Durante la organogénesis, determinadas células realizan largas migraciones desde sus lugares de origen hasta sus destinos finales. De entre las células migratorias cabe destacar las que son precursoras de las células sanguíneas, linfáticas y pigmentarias, así como de los gametos.

En el cigoto existe una región del citoplasma (plasma germinal) que da lugar a las células precursoras de los gametos. Dichas células precursoras se denominan células germinales. Todas las demás células se conocen como células somáticas. Las células germinales migran hacia las gónadas, donde acaban diferenciándose en gametos. Esta diferenciación que se conoce como gametogénesis se produce en general cuando el animal está físicamente maduro.

La embriogénesis culmina con la formación de un embrión que, seguidamente, puede pasar por fases ontogenéticas diversas (feto, larva, pupa, juvenil) hasta llegar a adulto.

El ciclo vital de las especies animales se completa con la reproducción, el envejecimiento (senectud) y la muerte.

Segmentación

La segmentación del cigoto depende en gran manera de la distribución del vitelo (material de reserva) en el óvulo (huevo) y, por tanto en el propio cigoto (óvulo fecundado o huevo). Al margen de ello, la cantidad de vitelo está correlacionada con la duración de la embriogénesis. Si existe poco vitelo, el embrión o bien se convierte pronto en una larva capaz de alimentarse por sí misma, o bien ha de recibir un aporte de nutrientes por parte de la madre. Si existe gran cantidad de vitelo, el embrión se convierte en un individuo juvenil a base de alimentarse exclusivamente del vitelo.

Existen numerosos términos que describen la condición del huevo en función de la cantidad y de la disposición del vitelo:

1. Huevo alecítico: huevo sin o con muy poco vitelo.
2. Huevo oligolecítico: huevo con relativamente poco vitelo.
3. Huevo mesolecítico: huevo con una cantidad moderada de vitelo.
4. Huevo telolecítico: huevo con mucha cantidad de vitelo.
5. Huevo isolecítico: huevo con vitelo distribuido de manera uniforme.
6. Huevo heterolecítico: huevo con vitelo distribuido de manera irregular.
7. Huevo centrolecítico: huevo con el vitelo concentrado en el centro del citoplasma.
8. Huevo endolecítico: huevo que contiene vitelo en su interior.
9. Huevo exolecítico: huevo con vitelo externo, contenido en células vitelógenas.

Tipos de segmentación

Según afecte a la totalidad o solamente a una parte del cigoto, se distingue entre segmentación total y segmentación parcial.

La segmentación total (holoblástica) se da en cigotos formados a partir de huevos alecitos, oligolecitos y mesolecitos. El cigoto se divide por completo en dos blastomeros que, luego, dan lugar a más blastómeros. La segmentación parcial (meroblástica) se da en cigotos formados a partir de huevos centrolecitos y telolecitos. El cigoto no se divide por completo; solamente se divide el núcleo celular. Los núcleos resultantes se rodean de membranas, formándose blastómeros. El vitelo permanece indiviso.

Segmentación holoblástica

En la segmentación total se distinguen distintas modalidades en función del tamaño y de la disposición de los blastómeros.

• Modalidades de segmentación total en función del tamaño de los blastómeros: igual y desigual.
  • Segmentación total igual: todos los blastómeros que se forman son de igual tamaño.
  • Segmentación total desigual: se forman blastómeros de pequeño tamaño relativo, denominados micrómeros, y blastómeros de gran tamaño relativo, llamados macrómeros. Los micrómeros ocupan el polo animal del organismo en desarrollo y son los que forman el embrión. Los macrómeros, que contienen el material de reserva (vitelo), ocupan el polo vegetativo. La segmentación total igual es propia de los huevos que presentan el vitelo distribuido de forma regular (huevos isolecitos). Los huevos que se segmentan totalmente, pero que poseen el vitelo distribuido de forma irregular (huevos heterolecitos) sufren una sgmentación total desigual.

• Modalidades de segmentación total en función de la distribución espacial de los blastómeros: radial y espiral.
  • Segmentación total radial: los blastómeros se disponen siguiendo un diseño imaginario de paralelos y meridianos. En función de la distribución del vitelo, los cigotos que experimentan una segmentación total radial pueden dar lugar a blastómeros iguales (segmentación total igual radial) o a micrómeros y macrómeros (segmentación total desigual radial). La segmentación radial se dice que es indeterminada o reguladora porque los blastómeros fijan su destino relativamente tarde.
  • Segmentación total espiral: los diversos blastómeros se colocan formando un determinado ángulo con respecto al eje polar, de manera que, en conjunto, quedan dispuestos en forma espiral. Los cigotos que experimentan la segmentación espiral lo hacen siguiendo la modalidad desigual (segmentación total desigual espiral). La segmentación espiral es indeterminada o en mosaico porque el destino de los blastómeros se fija en una etapa muy temprana del desarrollo.

Segmentación meroblástica

En la segmentación parcial se distinguen distintas modalidades según se distribuya el vitelo en el óvulo a partir del que se forma el cigoto.

Segmentación parcial de los cigotos formados a partir de huevos telolecitos: segmentación discoidal. En la segmentación discoidal, el cigoto no se divide por completo; sólo se divide el núcleo celular. Los dos núcleos resultantes se rodean de sendas membranas celulares. Se forman así dos pequeños blastómeros que se siguen dividiendo, mientras que la parte que contien el vitelo permanece indivisa. Los blastómeros ocupan el polo animal, formando un disco (blastodermo o blastodisco) que queda situado sobre la gran masa no segmentada de vitelo. Esta masa de vitelo constituye el saco vitelino.

Segmentación parcial de los cigotos formados a partir de huevos centrolecitos: segmentación periféfica. En la segmentación periférica, el núcleo celular se divide varias veces. Los núcleos resultantes migran hacia la periferia, donde cada uno se rodea de una membrana, formándose un blastómero. Así, los blastómeros ocupan la periferia (blastodermo periférico) y rodean el vitelo, indiviso, que ocupa una posición central. Uno o varios núcleos migran hacia uno de los polos para formar un conjunto de blastómeros que se conoce como plasma polar. Estos blastómeros del plasma polar son los precursores de las células germinales.

Las distintas modalidades de segmentación no están necesariamente correlacionadas con la posición filogenética de los animales. Es frecuente que las especies correspondientes a un determinado grupo zoológico presenten la misma modalidad de segmentación. Sin embargo, también pueden presentarse modalidades distintas dentro de un mismo grupo. Al margen de ello, existen variantes propias de determinados grupos animales que no se corresponden con ninguno de los modelos de segmentación expuestos.

Blastulación

La segmentación del cigoto concluye con la formación de la blástula. El proceso de formación de la blástula se denomina blastulación. Con frecuencia se describe la blástula como un estadio embrionario constituido por una esfera de blastómeros (blastodermo) que rodea una cavidad central (blastocele), llena de líquido blastocélico. Sin embargo, esta descripción corresponde sólo a un determinado tipo de blástula. Otras blástulas difieren notablemente de este modelo.

Principales tipos de blástula:

• Celoblástulas: Las celoblástulas son blástulas esféricas constituidas por una capa periférica de blastómeros (blastodermo) que rodea una cavidad central llamada blastocele. Las celoblástulas se forman como consecuencia de la segmentación total del cigoto. Cuando la segmentación es total igual (o casi igual, los blastómeros son de tamaño similar y el blastocele ocupa una posición central. Si la segmentación es total desigual, se forman micrómeros y macrómeros y el blastocele adopta una posición excéntrica, hacia el polo animal. En este polo se sitúan los micrómeros, mientras que los macrómeros, ricos en vitelo, se localizan en el polo vegetativo.

• Estereoblástulas. Las estereoblástulas son blástulas de aspecto esférico y de consistencia maciza, resultantes de una segmentación total desigual en la que los macrómeros del polo vegetativo son muy voluminosos. El blastocele es una cavidad virtual; está ocupado enteramente por los macrómeros. Los micrómeros se sitúan el el polo vegetativo, recubriendo a los macrómeros.

• Discoblástulas: Las discoblástulas son blástulas esféricas resultantes de la segmentación parcial desigual de los cigotos telolecitos. Los micrómeros forman un casquete o disco (blastodermo o blastodisco) en el polo animal. El blastodisco reposa sobre una gran masa de vitelo que constituye el futuro saco vitelino. El blastocele consiste en una cavidad interna que se abre entre el blastodisco y el saco vitelino.

• Periblástulas: Las periblástulas son blastulas algo elongadas, resultantes de la segmentación parcial periférica de los cigotos centrolecitos. Los blastómeros conforman un blastodermo periférico que recubre una masa central de vitelo. No existe un verdadero blastocele. La cavidad correspondiente está ocupada por el vitelo.

Gastrulación

La gastrulación consiste en el conjunto de procesos morfogenéticos que se producen a partir del estadio de blástula y que conducen a la formación de las hojas blastodérmicas u hojas germinativas. La gastrulación difiere notablemente de unos grupos zoológicos a otros. Incluso puede diferir entre los representantes de un mismo grupo.

Modalidades de gastrulación

• Invaginación o embolia. La gastrulación por invaginación o embolia se produce a partir de celoblástulas. Consiste en la penetración del hemisferio vegetativo en el blastocele, formándose así dos capas de blastómeros. La externa recibe el nombre de ectodermo; la interna se denomina endodermo. El endodermo delimita una nueva cavidad, llamada arquénteron, que constituye el futuro tubo digestivo del animal. El arquénteron queda en contacto con el exterior a través de una abertura que se denomina blastoporo.

• Recubrimiento o epibolia. La gastrulación por recubrimiento o epibolia se produce a partir de estereoblástulas. Consiste en la multiplicación activa de los micrómeros del polo animal que terminan por rodear, casi por completo, a los macrómeros del polo vegetativo. Los micrómeros son el ectodermo. Los macrómeros, que quedan en posición interna, son el endodermo. Este endodermo delimita una cavidad dque es el arquénteron. El blastoporo queda constituido por el contorno circular libre de la cúpula ectodérmica. La embolia y la epibolia, que se dan simultáneamente en algunos casos, conducen la formación de una gástrula globosa, constituida por dos hojas blastodérmicas, el ectodermo y el endodermo. El endodermo delimita una cavidad, el arquénteron, que se abre al exterior a través del blastoporo. Entre el ectodermo y el endodermo, es decir en el espacio real o virtual que corresponde al primitivo blastocele, se forma la tercera hoja blastodérmica que se denomina mesodermo. La embolia y la epibolia no son las únicas modalidades de gastrulación existentes. En muchos grupos zoológicos, la formación de las hojas blastodérmicas tiene lugar de manera muy distinta. Ello arroja series dudas acerca de la posible homología de las hojas blastodérmicas en los diversos taxones de metazoos.

• Delaminación. La gastrulación por deslaminación tiene lugar a partir de una celoblástula. Se produce por la división mitótica de los blastómeros según planos de división paralelos a la superficie del blastodermo. Los husos mitóticos son radiales. Así, la blástula, formada por una sola capa de células, se convierte en un germen con doble capa celular. La capa externa de células constituye el ectodermo y la capa interna, el endodermo. El endodermo se separa del ectodermo (se delamina) y entre ambas hojas se forma una mesoglea. El endodermo delimita una cavidad, el celénteron (denominado también arquénteron), carente de blastoporo. El celénteron se abre al exterior secundariamente.

• Inmigración. La gastrulación por inmigración consiste en la migración activa de células que se desprenden del blastodermo hacia el blastocele. Una vez allí las células proceden a formar las otras hojas blastodérmicas.

Otras modalidades de gastrulación, menos frecuentes, que se asemejan en mayor o menor grado a la gastrulación por inmigración son las siguientes: involución, separación, ingresión polar, proliferación y cavitación.

Ontogenia y Filogenia

La idea de que la ontogenia recapitula la filogenia, esto es, que el desarrollo de un organismo refleje exactamente el desarrollo evolutivo de la especie, está hoy desacreditada. No obstante, se pueden observar algunas conexiones entre ontogenia y filogenia, dadas por la evolución, de esta forma la ontogenia se utiliza en cladística como guía para reconstruir la historia evolutiva y las relaciones filogenéticas entre clados.

Ontogenia y filogenia

El aprendizaje de la filogenia desde la ontogenia
Mediante el estudio de la ontogenia (el desarrollo de los embriones), los científicos pueden aprender sobre la historia evolutiva de los organismos. A menudo, pero no siempre, los caracteres ancestrales se conservan en el desarrollo del organismo. Por ejemplo, los embriones tanto del pollo como del ser humano pasan por un estadio en el que tienen hendiduras y arcos en el cuello que son idénticos a las hendiduras faríngeas y los arcos branquiales de los peces. Esta observación apoya la idea de que los pollos y los seres humanos comparten un antepasado común con los peces. Por lo tanto, los caracteres del desarrollo, junto con otras pruebas, pueden utilizarse para construir las filogenias.

No a la recapitulación
A finales del siglo XIX, algunos científicos pensaron que la ontogenia no sólo podía revelar cosas sobre la historia evolutiva, sino que también conservaba un registro paso a paso de esa historia. Estos científicos afirmaron que la ontogenia recapitula la filogenia. Esta frase da a entender que el desarrollo de un organismo le llevará a través de cada una de las etapas adultas de su historia evolutiva, o filogenia. En aquella época, algunos científicos pensaron que la evolución funcionaba añadiendo nuevas etapas al final del desarrollo del organismo. Así, el desarrollo repetiría la historia evolutiva — la ontogenia recapitularía la filogenia.

Esta es una idea extrema. Si fuera estrictamente cierta, predeciría, por ejemplo, que en el transcurso de su desarrollo un pollo pasaría por los siguientes estadios: un organismo unicelular, un antepasado pluricelular invertebrado, un pez, un reptil similar a un lagarto, un ave ancestral y, finalmente, un pollito.

Claramente, este no es el caso — hecho que conocían multitud de científicos incluso en la época en que se introdujo la idea de que la ontogenia recapitula la filogenia. Si se observa el desarrollo de un pollo, se ve que que el embrión de pollo puede parecerse a los embriones de los reptiles y de los peces en ciertos momentos de su desarrollo, pero no recapitula las formas de sus antepasados adultos.

Incluso a una escala menor, la recapitulación de la filogenia por la ontogenia es, a menudo, falsa. Por ejemplo, el ajolote evolucionó desde un antepasado de las salamandras que tenía branquias internas en su fase adulta, pero el ajolote nunca pasa por un estadio con branquias internas; sus branquias permanecen externas, en una violación flagrante de la Teoría de la recapitulación.

Si la Teoría de la recapitulación fuera totalmente verdadera, ciertamente facilitaría mucho la construcción de las filogenias, ya que podríamos estudiar el desarrollo de un organismo y leer su historia directamente. Desafortunadamente, los biólogos evolutivos no tienen suerte en este aspecto.