Morfogénesis

Animación del proceso de Cell sorting. Las células rojas presentan menor cantidad de cadherinas que las verdes, por lo que las verdes se auto-organizan en el interior de los tejidos.

Durante el desarrollo embrionario, las células están restringidas a diferentes capas debido a afinidades diferenciales. Una de las formas en que esto puede ocurrir, es cuando las células comparten las mismas moléculas de adhesión intercelular.

Existen diferentes tipos de moléculas de adhesión celular (CAM). Uno de los grupos más importantes son las cadherinas, existen diversas cadherinas expresadas a lo largo de diferentes tejidos. Estas moléculas pueden unirse entre sí de manera homotípica, por ejemplo, las E-cadherinas (epiteliales) se unen a otras E-cadherinas, y no se unirán a N-cadherinas presentes en células mesenquimales.

Las adhesiones homotipicas puede mantener los límites entre los grupos célulares de un tejido en desarrollo. Además, las células se pueden ordenar en capas según las diferencias en moléculas de adhesiones intercelular, por lo que dos poblaciones de células con distintos niveles de la misma molécula de adhesión pueden ordenarse. Por ejemplo, en un cultivo celular las células que tengan la mayor adhesión se mueven hacia el centro de una mezcla de células agregadas, mientras que las células meno adheridas se distribuirán en zonas periféricas.

Cultivo celular con dos tipos de células con diferentes adhesiones, mayor en las células "rojas".Las células se auto-organizan en diferentes capas según su cantidad de moléculas de adhesión. Experimento similar al de Townes y Holtfreter.

La relación de las adhesiones celulares y la morfogénesis fue establecida por Johannes Townes y Philip L. Holtfreter en 1955.[7] Aprovechando el descubrimiento de que los tejidos de anfibio llegan a disociarse en células individuales cuando son colocados en soluciones alcalinas, prepararon suspensiones celulares individuales de cada una de las tres capas germinales de los embriones de anfibio poco después de la neurulación. Dos o más de estas suspensiones de células individuales fueron combinadas en varios sentidos. Cuando el pH de la solución estaba normalizado, las células se adherían entre sí, formando agregados sobre las placas de Petri cubiertas de agar.

Utilizando embriones de rana y salamandras, Townes y Holtfreter pudieron seguir el comportamiento de las células recombinadas. Los resultados de sus experimentos fueron sorprendentes. Primero, encontraron que las células reagregadas llegaban a estar espacialmente segregadas. Es decir, los dos tipos celulares en lugar de continuar mezclados, se separaban cada uno de ellos en su propia región. De este modo, cuando las células ectodérmicas y las células mesodérmicas son reunidas para formar un agregado mezclado, las células ectodérmicas se mueven hacia el interior. En ningún caso las células recombinadas se mantienen mezcladas y en la mayoría de los casos, un tipo de tejido envuelve completamente a otro.

Segundo, los investigadores encontraron que las posiciones finales de los reagregados celulares reflejan sus posiciones embrionarias. Las células mesodérmicas migran centralmente con respecto a la epidermis, adhiriéndose a la superficie epidérmica interna. En la configuración final, el ectodermo está en la periferia, el endodermo es interno y el mesodermo se localiza en la región entre ellos. Holtfreter interpretó este hallazgo en términos de afinidad selectiva.

Malcolm Steinberg propuso en 1964 la hipótesis de la adhesión diferencial basada en principios termodinámicos. Consiste en diferencias en la afinidad celular y en como estas diferencias son responsables de su organización en estructuras superiores. Algunas células realizan lo que se conoce como “sorting out”, lo que quiere decir que las células interactúan y se agrupan creando grupos que maximizan su contacto. Reduciendo así su energía libre intersuperficial y la que segregan a otros tipos celulares. Esto quiere decir que se organizan en el patrón más estable termodinámicamente. Ahora sabemos que existen propiedades de adhesividad y otras repulsivas.

La morfogénesis celular se lleva a cabo en un ambiente con biomoléculas, proteínas y fluidos, la matriz extracelular (ECM del inglés extracellular matrix). Dentro de los principales componentes encontramos el colágeno, la laminina y la fibronectina son las principales moléculas que son secretadas y ensambladas en láminas, fibras, y geles. Al actuar como soporte externo, la matriz permite a las células migrar o cambiar su forma según los programas de diferenciación ejecutados.

Mecanismo de transducción de señal mediada por integrinas

Las señales provistas por la matriz son recibidas por receptores transmembranales llamados integrinas. Las integrinas son capaces de reonocer la fibronectina o laminina extracelular. En los dominios citoplasmáticos de la proteína, encontramos sitios de unión con comoponentes de citoesqueleto como la actina. Estas uniones permiten a la células migrar sobre la matriz o cambiar su forma.[4]

Podemos encontrar ejemplos donde la alteración de la matriz extracelular altera el desarrollo normal de cierto órganos. En el caso de las glándulas mamarias, cuando se altera la matriz extracelular, la ramificación del tejido no se puede llevar a cabo correctamente.[8][9] Otro ejemplo la pérdida de fusión cardiaca en pez cebra, cuando se elimina la fibronectina.[10][11] Del mismo modo, se ha visto que la pérdida de fibronectina altera el desarrollo renal.[12]

Los cambios en la forma llevados a cabo por el citoesqueleto se deben gracias a las estructuras que lo forman, los filamentos de actina, los microtúbulos y los filamentos intermedios. Los micrafilamentos de actina son unos filamentos finos y flexibles formados por la polimerización de monómeros de actina. Estos microfilamentos se pueden contraer y relajar por la acción de la miosina para mover el mantenimiento o cambio de la forma celular y generar fuerzas. El movimiento se realiza encima de la matriz extracelular. Cuando la miosina se une al ATP se puede desplazar y unirse a monómeros de actina juntando los filamentos y reduciendo la célula. Se fosforila y contrae los filamentos de actina.

Asimismo existen señales externas que pueden regular el citoesqueleto a través de una familia de proteínas llamadas Rho-Rho, Rac y Cdc42. La activación de las Rho GTPasas permite la activación de la polimerización de la actina así como la fosforilación de la cadena ligera de miosina. Rho facilita la contracción de la actomiosina. Señales como fuerzas, presión o cambios en la adhesividad pueden activar Rho, el cual se activa por intregrinas i otros receptores. De esta manera el citoesqueleto recibe señales continuamente. Por ejemplo, un anillo de actomiosina se genera rápidamente cuando se debe cerrar una herida.

Transición epitelio-mesénquima. Se pierden las adhesiones celulares y se adquiere mayor movilidad

Uno de los fenómenos más importantes en el desarrollo es la transición epitelio-mesénquima. Este es el proceso mediante el cual las células de características epiteliales, altamente adheridas y en contacto con una lámina basal; se transforman en células mesénquimales, móviles y desagregadas.

Para que esto ocurra suele haber una disminución de las adhesiones mediadas por cadherinas, una reorganización del citoesqueleto y la degradación de la matriz extracelular (mediado por metalopreoteasas).[4]

Este proceso resulta fundamental en diferentes etapas del desarrollo, como la generación de la cresta neural, formación del mesodermo en aves o la formación de somitas. Incluso en procesos pos-embrionarios como la curación de heridas o el metástasis en cáncer.