POLARIDAD DURANTE EL DESARROLLO EMBRIONARIO INICIAL
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La visión más aceptada del desarrollo embrionario inicial de los mamíferos es que las células que se originan son equivalentes y que por lo tanto no hay diferencias entre unas zonas y otras ...

La visión más aceptada del desarrollo embrionario inicial de los mamíferos es que las células que se originan son equivalentes y que por lo tanto no hay diferencias entre unas zonas y otras del embrión antes de la implantación. Sin embargo, muchos organismos establecen polaridad, es decir diferencias entre zonas distintas del embrión, desde etapas muy tempranas del desarrollo e incluso en el huevo antes de la fecundación. En este trabajo revisamos las evidencias que se han ido acumulando que abogan por una polarización inicial de los embriones de mamíferos, analizando también las hipótesis que explican el origen de esta polaridad y el significado que puede tener sobre los procesos de fecundación in vitro.

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POLARIDAD DURANTE EL DESARROLLO EMBRIONARIO INICIAL Document Transcript

  • 1. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Diciembre 2006 Vol. 11 • Nº2 35 POLARIDAD DURANTE EL DESARROLLO EMBRIONARIO INICIAL Polarity diring early embryo development 1,2 2 2 1,2 Ignacio Santiago Álvarez-Miguel; Eva Maria Miguel-Lasobras ; Francisco Javier Martín-Romero; José Antonio Domínguez-Arroyo, Ernesto González-Carrera 1,2 Instituto Extremeño de Reproducción Asistida (IERA). Badajoz. Grupo de Investigación en Reproducción y Desarrollo (REDES). Departamento de Biología 1 2 Celular. Universidad de Extremadura. Badajoz. Correspondencia: Ignacio Santiago Álvarez Miguel: isalvarez@iera.es RESUMEN:La visión más aceptada del desarrollo embrionario inicial de los mamíferos es que las células que se originan son equivalentes y que por lo tanto no hay diferencias entre unas zonas y otras del embrión antes de la implantación. Sin embargo, muchos organismos establecen polaridad, es decir diferencias entre zonas distintas del embrión, desde etapas muy tempranas del desarrollo e incluso en el huevo antes de la fecundación. En este trabajo revisamos las evidencias que se han ido acumulando que abogan por una polarización inicial de los embriones de mamíferos, analizando también las hipótesis que explican el origen de esta polaridad y el significado que puede tener sobre los procesos de fecundación in vitro. PALABRAS CLAVE: Ejes embrionarios, blastocisto, segmentación, determinación celular, fecundación, genes maternales, reproducción asistida. ABSTRACT:T: The accepted view of the early mammalian embryo development is that all the cells are similar and no differences can be found among regions of the embryo before implantation. Nevertheless, most of the animals are polarized from very early stages of development, even in the egg before fertilization. In this review we pretend to show the evidences in favor of an initial polarity in the mammalian embryo, dealing also with the hypothesis about its origin and the significance on in vitro fertilization processes. KEY WORDS: Embryonic axis, blastocyst, cleavage, cell differentiation, fertilization, maternal genes, assisted reproduction. 1. Polaridad y ejes embrionarios Todos los organismos durante su des- arrollo establecen polaridad, es decir crean diferencias entre polos opuestos del embrión. Los mecanismos de des- arrollo que conllevan la formación de un organismo van a necesitar de estos puntos de referencia para establecer diferencias en el destino de las células según la posición que ocupen con res- pecto a estos polos. La polaridad es necesaria principal- mente para el establecimiento de los tres ejes corporales que definen la ana- tomía de la mayoría de los animales y que se corresponden con el eje antero- posterior (A-P), el dorso-ventral (D-V) y el eje de simetría bilateral de izquierda- Figura 1. Dibujo de un roedor donde se han representado los principales ejes espaciales que derecha (I-D) (Figura 1). conforman la anatomía corporal.
  • 2. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Ignacio Santiago Álvarez-Miguel et al. Polaridad Durante el Desarrollo ... 36 Los mecanismos subyacentes a la for- ejes embrionarios ocurre antes de la fe- queda comprobado por la existencia de mación de estos ejes han sido motivo cundación (Roth, 2003). El caso más mutantes defectivos en este gen y que de estudio con profundidad en la ma- estudiado es, sin duda, el de la mosca por lo tanto producen huevos de mos- yoría de los grupos animales. Sin em- de la fruta Drosophila melanogaster. En ca que no poseen bicoid. El resultado bargo existe una gran controversia con estos organismos la disposición de cier- de esta mutación son embriones que respecto al momento del inicio de su tas proteínas e incluso de RNAm en el no son capaces de formar cabezas y formación en el embrión y por lo tanto huevo presenta ya una polarización de- que dan lugar a larvas de moscas con en el comienzo de la polaridad embrio- bido a que estos materiales se deposi- dos colas (de ahí el nombre de bicoid). naria. Un buen ejemplo es el caso de la tan por las células de soporte del ova- localización de los órganos según el eje rio de manera desigual entre un polo y Este caso no es único, y el número de izquierda-derecha. Indudablemente, la el opuesto del huevo durante su forma- moléculas que provenientes de la ma- posición del corazón, hígado, intestino e ción. dre actúan en las primeras fases del incluso del cerebro se ajusta a este eje desarrollo son muy numerosas y reci- con unos órganos situados en un lado Este es el caso del RNA mensajero ben en conjunto el nombre de genes o y otros en el contrario. No se conocía el que codifica para la proteína denomi- factores maternales. momento del inicio de esta disposición nada bicoid, un factor de trascripción asimétrica hasta que estudios recientes que regula la expresión de otros genes Muchas de estas moléculas presen- en embriones de ratón y de gallina han y que se deposita en un gradiente en- tan ya un grado de polaridad en el hue- comprobado que la adquisición de dife- tre un polo y el opuesto del huevo de la vo antes de la fecundación y en rencias entre la izquierda y derecha se mosca (Gurdon, 1992). Las células que Drosophila explican la formación del eje produce en las fases iniciales de la gas- posteriormente se originan en la zona trulación y gracias a una señalización del huevo con mayor concentración de A-P y también del eje D-V, además de compleja (Stern and Wolpert, 2002; bicoid darán lugar a la zona anterior de otros procesos de desarrollo como la or- Wood, 2005). la mosca (cabeza) y las que derivan del ganización de la larva en segmentos cor- polo opuesto con poca cantidad de bi- porales o la formación de las células de En la mayoría de los invertebrados, coid darán lugar a la región posterior la línea germinal en el extremo posterior los primeros síntomas de polaridad y del organismo (cola). El papel del gen del embrión (Leptin, 2004). por lo tanto el establecimiento de los bicoid en el establecimiento del eje A-P Por lo tanto, la distribución asimétri- Figura 2. Gen maternal bicoid en el desarrollo de la mosca Drosophila. Mediante técnicas inmunocitoquímicas se ha podido comprobar que esta proteína se concentra en un extremo o polo del huevo (A) y que va a ser heredada por las células que se forman en ese polo anterior (B). La cuantificación de los niveles de proteína tanto en mocas silvestres como en mutantes (C) pone de manifiesto que los embriones defectivos en este gen y que producen larvas con dos colas no forman estos gradientes de concentración de bicoid entre los polos anterior y posterior. Modificado de Gilbert, 2003.
  • 3. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Diciembre 2006 Vol. 11 • Nº2 37 ca de ciertas moléculas entre polos y que el proceso de establecimiento de Como secuencia lógica se utilizará una opuestos del huevo se transformará en los ejes se produce mediante mecanis- cronología retrospectiva desde la fase diferentes destinos celulares porque las mos distintos a los que utilizan los de- de blastocisto hasta el huevo (óvulo). células adquieren determinantes distin- nominados vertebrados inferiores y los Por último se comentarán los datos tos dependiendo del citoplasma que invertebrados. Según este modelo, la existentes sobre los posibles mecanis- hereden durante las divisiones celula- visión aceptada del desarrollo inicial en mos que establecen esta polaridad ini- res. Este mecanismo de desarrollo po- mamíferos y por tanto en la especie hu- cial y su significado embrionario. demos denominarlo mosaicismo y sig- mana, es que las células conseguidas nifica que desde el comienzo de la seg- durante las primeras etapas del des- 2. Polaridad embrionaria antes de la mentación las células están predestina- arrollo embrionario son todas equiva- implantación das y no son por tanto equivalentes (el lentes y que los primeros signos de po- embrión es un mosaico de células con laridad no aparecen hasta la formación 2a. Blastocisto composición citoplasmática distinta). del blastocisto (o incluso más adelan- Además de los invertebrados algunos te). Además, los ejes embrionarios no Como se ha mencionado anteriormen- vertebrados, como es el caso bien estu- se establecen hasta el proceso de gas- te, los tres ejes principales del organis- diado de los anfibios, presentan también trulación en el epiplasto embrionario mo se establecen después de la im- este tipo de genes maternales y estable- derivado de la masa celular interna plantación embrionaria durante la gas- cen diferencias entre distintos polos del (MCI) y mediante interacciones celula- trulación. Indudablemente en la gastru- huevo antes de la fecundación (Zhang res complejas (Stern, 2006). Las evi- lación se inicia la formación de estruc- et al., 1998). dencias más firmes que siguen sopor- turas equiparables a las del organismo tando este modelo regulativo se basan definitivo (sistema nervioso, tubo diges- Sin embargo, en los anfibios los de- en la plasticidad o potencialidad que tivo, corazón, etc.) y por lo tanto los ejes terminantes maternales especifican un poseen las células de los mamíferos embrionarios son identificables. No es eje que en el desarrollo no se corres- antes de la implantación (Zernicka- cuestión de tratar aquí la importancia ponde exactamente con el futuro eje Goetz, 2006). Es conocido que las blas- de la gastrulación pues queda fuera del antero-posterior, sino más bien con el tómeras producidas por las primeras objeto de este trabajo, pero si que hay futuro eje dorso-ventral y a este eje em- divisiones pueden ser reemplazadas que resaltar que cualquier polaridad brionario inicial se le denomina eje ani- entre si o incluso se pueden eliminar previa a este momento ha de ser culmi- mal-vegetal, con diferencias claras en sin que aparentemente se altere el des- nada por el embrión durante la gastru- tamaño y destino futuro de las células arrollo embrionario y por lo tanto son lación (Ang and Constam, 2004). De entre una zona y otra (formando blastó- equivalentes (sin polaridad). hecho esta fase se considera como el meras animales y vegetales). momento en el que la estructura defi- En contrapartida se piensa que la ma- Actualmente, la teoría regulativa es nitiva del organismo se estable y por lo yoría de los vertebrados, incluidos to- mantenida por muchos investigadores tanto uno de los momentos más trans- dos los mamíferos, no dependen de es- (Motosogi et al., 2005), pero se acumu- cendentales del desarrollo embrionario tos efectores maternales y el desarrollo lan evidencias experimentales que su- (Stern, 2006). Sin embargo, durante la de los ejes embrionarios depende de gieren una diferencia (polaridad) entre segmentación celular y la formación de interacciones celulares que se produ- las distintas zonas del embrión en la la blástula es decir, durante las etapas cen durante el desarrollo mucho des- etapa de blastocisto, mórula e incluso pre-implantatorias, se pueden distin- pués de la fecundación. a partir de la primera división mitótica guir una serie de asimetrías (polaridad) del cigoto. Si estas evidencias experi- que pueden finalmente corresponderse En estos casos se asume que tanto el mentales se van confirmando, implica- o no con los futuros ejes corporales huevo (óvulo) como el embrión durante ría que las blastómeras poseen ya una (Rossant, 2004). las primeras divisiones embrionarias, determinación para producir unas cier- no poseen ningún signo de polaridad. tas regiones del futuro embrión. Esta El blastocisto de mamíferos presenta Posiblemente esta es la idea que se nos nueva visión obligaría a reevaluar el im- claramente un eje entre la zona donde ha enseñado a la mayoría de los profe- pacto que algunas técnicas parejas a la se encuentra la masa celular interna sionales que trabajamos en reproduc- fecundación in vitro (FIV), como es el (MCI) y la zona opuesta sin MCI. A es- ción durante nuestra formación acadé- caso del diagnostico genético preim- tas zonas del blastocisto se les denomi- mica. Este mecanismo de desarrollo plantacional (DGP), pueden suponer na polo embrionario (Em) y polo abem- puede denominarse regulativo (en con- sobre el desarrollo embrionario y el éxi- brionario (Ab) respectivamente y es cla- trapartida al modelo de mosaico) ya to de la reproducción asistida. A conti- ramente el primer eje de polaridad em- que el destino de las células que se van nuación se revisarán las evidencias que brionaria que puede distinguirse clara- originando no esta fijado y puede modi- ponen de manifiesto la existencia de mente en el embrión de mamíferos ficarse durante el desarrollo. Parece ser polaridad en las fases previas a la im- (Gardner, 1997; Motosugi et al., 2005). por tanto que durante la evolución los plantación en los embriones de mamí- Este eje divide a las células del trofoec- grupos de animales que denominamos feros, centrándonos en los roedores todermo en dos grupos, las cercanas a superiores, han perdido la capacidad como modelo experimental más utiliza- la MCI (trofoectodermo polar) y las ale- de establecer una polaridad en el hue- do y haciendo referencia a los datos co- jadas de la misma (trofoectodermo mu- vo o en las fases iniciales del desarrollo nocidos y confirmados en humanos. ral) que tendrán destinos diferentes en el
  • 4. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Ignacio Santiago Álvarez-Miguel et al. Polaridad durante el desarrollo ... 38 organismo. Algunos autores han anali- del futuro eje antero-posterior (Weber terior (y el resto de los ejes embriona- zando con más detalle la disposición de et al., 1999). rios) se produce por complejas interac- la MCI y han descrito que presenta ya ciones celulares y moleculares después una cierta asimetría que la hace aseme- Además, con respecto a la disposi- de la implantación parece que pueden jarse a un balón de fútbol americano ción de las células de la MCI, pueden ser delineados retrospectivamente a la (oval y aplanado). Aunque no existen identificarse células más cercanas a la fase de blastocisto (Figura 3). pruebas concluyentes se ha establecido cavidad o blastocele y otras en contac- una correlación entre esta asimetría de to o cercanas al trofoectodermo. De la masa celular interna con la formación nuevo existen evidencias que esta dis- Una cuestión importante que puede del futuro eje antero-posterior en el em- posición se corresponde con el futuro plantearse con respecto a esta polari- brión. Esto se debe a que el eje alarga- eje D-V, siendo las células que limitan dad es si estos ejes observables en el do de la MCI coincide aproximadamen- la cavidad del blastocisto las futuras cé- blastocisto se producen de forma alea- te con el eje del cilindro embrionario lulas endodérmicas (ventrales) del em- toria con respecto a las células de la que se forma después de la implanta- brión (Weber et al., 1999). Por lo tanto, mórula o si por el contrario están pre- ción y que es a su vez un antecedente aunque la formación del eje antero pos- dispuestos desde etapas previas del Figura 3. Representación e imagen real equivalente de los ejes de polaridad que pueden identificarse claramente en un blastocisto. Se indica también su posible correspondencia con los futuros ejes espaciales del organismo definitivo. Esquema modificado de Gilbert 2003. desarrollo. Como se verá mas adelante dican una regularidad en el proceso de el eje Em-Ab puede verse reflejado en formación y distribución de las cuatro Sistemáticamente la primera división la estructura embrionaria e incluso primeras blastómeras producidas du- se produce de forma meridional y pro- puede trazarse retrospectivamente al rante el desarrollo y que no puede ser duce dos blastómeras simétricas y cigoto y el óvulo por lo que la polaridad justificada por mero azar. equivalentes en su contenido de cito- embrionaria ha de ser analizada desde plasma animal y vegetal. La segunda etapas previas a la formación del blasto- Esta disposición ortogonal con tres división se produce con el mismo eje cisto. células en un plano y otra desplazada en una de las blastómeras (general- ha de ser explicada a su vez por una mente la primera que se divide) crean- 2b. Polaridad durante la segmentación disposición ordenada y secuencial de do de nuevo dos células equivalentes en los planos de división celular que se cuanto a su contenido citoplasmático Aunque existen trabajos recientes producen después de la fecundación animal-vegetal, pero la otra blastómera que abogan por un destino azaroso de (Edwards and Hansis, 2005). Esta realiza una división ecuatorial creando las blastómeras iniciales con respecto orientación particular de los planos de dos células, una con contenido citoplas- al blastocisto (Alarcón and Marikawa, división y la colocación de las blastó- mático exclusivamente animal (célula 2003) y por lo tanto que el embrión en meras ha sido muy estudiada en em- superior) y otra con contenido exclusiva- fase de mórula no presenta ninguna briones de ratón y humanos (Gardner, mente vegetal (Figura 4). Esta disposi- polaridad (Tarkowski and Wrobleswka, 2002). Estos planos de división se pro- ción ordenada es constante y esta pro- 1967; Motosugi et al., 2005), las evi- ducen y definen con respecto a la posi- vocada por la orquestación de los planos dencias que se acumulan a favor de ción del corpúsculo polar (CP) y por de división en las primeras divisiones mi- una predisposición inicial desde las pri- analogía con otros grupos de animales tóticas (Gardner, 2002). meras divisiones celulares son tan nu- se define a este eje entre el polo del ci- merosas que actualmente no podemos goto que posee el corpúsculo y el negar que los embriones de mamíferos opuesto como el eje animal-vegetal (A- Después de estas tres divisiones, las antes de la formación del blastocisto V) del embrión. Podemos por tanto células siguen produciéndose de forma presentan una cierta polaridad. asignar planos de división meridionales ordenada y van disponiéndose en ca- pas internas y externas pero con proce- si corresponden a una división que Las primeras aportaciones a este con- dencias distintas. Se acepta que las cé- coincide con este eje embrionario o lulas que se quedan situadas en la pe- cepto se deben a observaciones pura- planos ecuatoriales si se dispone en riferia darán lugar al trofoectodermo, mente morfológicas que claramente in- sentido perpendicular. mientras que las que quedan en el in- terior darán lugar a la MCI (Piotrowska-
  • 5. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Diciembre 2006 Vol. 11 • Nº2 39 Figura 4. Secuencia de divisiones que sistemáticamente se llevan a cabo para dar origen al embrión de 4 células. La primera división se produce según el eje meridional (animal-vegetal) y origina dos células equivalentes. La segunda división en una de estas blastómeras sigue el mismo patrón, pero en la otra el plano de división es perpendicular (ecuatorial), denotando un comportamiento distinto y por tanto una asimetría entre las dos primeras blastómeras que se producen en el desarrollo. En la parte inferior se muestran fotografías de nuestro laboratorio con embriones equivalentes a los mostrados en los dibujos. Los esquemas se basan en modelos similares de Gilbert, 2003. Nitsche and Zernicka-Goetz 2005). Esta teoría denominada dentro-fuera ha sido utilizada como modelo para expli- car la diferenciación de las células ha- cia blastocisto dependiendo de su posi- ción azarosa en la mórula sin interven- ción de la procedencia (la herencia) de cada célula (Chroscicka et al., 2004; y ver esquema A en la figura 5). Este mecanismo de desarrollo ha sido cuestionado por trabajos en los que se pone de manifiesto que las células es- tán determinadas a formar las zonas del blastocisto más por su origen según las primeras divisiones que por su dis- posición azarosa en la blástula (Plusa et al., 2005). Las evidencias de esta se- gunda teoría denominada gobierno por división se basan en los estudios de li- naje celular. Figura 5. Representaciones esquemáticas de las posibles teorías sobre el origen de las células del blastocisto con respecto al embrión de dos células. A: Modelo regulativo en el que la disposición final de las células no depende de su origen y por lo tanto se localizan en el blastocisto de una manera aleatoria. B: Modelo totalmente determinado en el que existe una correlación entre las primeras blastómeras y el tipo celular que se formará en el blastocisto. En esta ocasión se ha representado que la célula con división meridional dará origen a la MCI y la otra al trofoectodermo, aunque la situación podría ser la contraria. C: Situación que engloba la mayoría de los casos en los que se ha marcado experimentalmente las células para seguir su linaje. Como puede apreciarse (aunque se produce variabilidad) existe una tendencia clara a una disposición prefijada de los descendientes de las blastómeras iniciales en el blastocisto (descrita en el texto), aunque esta disposición no se corresponde exactamente con ninguno de los ejes descritos para el blastocisto.
  • 6. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Ignacio Santiago Álvarez-Miguel et al. Polaridad durante el desarrollo ... 40 ción ideal con la estructura del blasto- mosaico, estando determinadas las cé- Estos estudios consisten en analizar cisto es que las dos células con conte- lulas por su posición a contribuir a dis- la posición final que ocuparan los des- nido animal y vegetal (segunda división tintas regiones del blastocisto posible- cendientes de cada una de las células meridional) darán lugar mayoritaria- mente desde la primera división embrio- del embrión inicial en el futuro blasto- mente a la MCI, la célula que se origina naria (Gardner, 2001). cisto e incluso en el embrión post-im- en el polo animal (célula superior en la plantatorio. Por razones lógicas de ex- segunda división ecuatorial) tiende a 2c. Polaridad en el cigoto y óvulo perimentación los resultados que se formar la mayoría del trofoectodermo y describen a continuación corresponden la que mantiene únicamente citoplas- Si desde la primera división mitótica casi exclusivamente a embriones de ra- ma de origen vegetal contribuirá a la lí- las células tienen un destino prefijado tón pero podemos asumir que debido a nea germinal (Piotrowska et al., 2001; hay que plantear que el cigoto ha de te- la similitud de la segmentación son Piotrowska-Nitsche et al., 2005; y ver ner ya un grado importante de polari- aplicables también al desarrollo en hu- esquema B en la figura 5). Sin embar- dad que facilite este comportamiento manos. go, a pesar de esta tendencia, estos sistemático de las blastómeras y que mismos estudios de linaje ponen de posiblemente haya heredado a su vez Como se ha dicho, la forma experi- manifiesto que existe una contribución de algún tipo de asimetría en el óvulo mental de comprobar que existe un parcial de cualquier blastómera tanto a (Piotrowska et al., 2001). Tanto en el destino predefinido para las blastóme- la MCI como al trofoectodermo y por lo óvulo como en el cigoto, la posición del ras ha sido mediante el marcaje celular tanto son interpretados por muchos au- corpúsculo(s) polar(s) ya denota una con sustancias vitales que no interfie- tores como una evidencia del modelo de polaridad y como se ha mencionado ren en el desarrollo y que pueden ser desarrollo regulativo, sin una predisposi- define el eje animal-vegetal (Gardner seguidas a lo largo del desarrollo. Se ción de las células durante la segmenta- and Davies, 2006). Este eje coincide en han utilizado colorantes vitales, marcas ción. la orientación del primer plano de divi- de aceite en las blastómeras, e incluso sión (Cooke et al., 2003) y finalmente los restos de la cola del espermatozoi- La controversia sobre el destino de las con el destino de las células en el blas- de (Davies and Gardner, 2002), para blastómeras iniciales en embriones de tocisto (Ciemerych et al., 2000). En seguir a lo largo del tiempo el destino mamíferos ha sido parcialmente zanja- confirmación de esta relación entre el de estas células. da por los numerosos y elegantes estu- eje animal-vegetal y el eje embrionario- dios de linaje celular realizados princi- abembrionario del blastocisto, hay que Los análisis de marcaje siempre pre- palmente por el grupo de Zernika-Goetz mencionar que la polaridad descrita en sentan objeciones técnicas por el abor- en Londres (para revisiones recientes el blastocisto y la simetría en la MCI daje experimental que conlleva, con un vease Zernicka-Goetz 2002 y 2004). En puede ser predicha con anticipación gran intervencionismo sobre el embrión sus trabajos se muestra que la disposi- por la disposición del corpúsculo polar, (manipulación, introducción de sustan- ción de las blastómeras condiciona el ya que en ratones se ha realizado un cias extrañas, métodos de observación destino final de las células, pero que la seguimiento experimental del mismo y del marcaje como la fluorescencia, etc) relación entre el eje animal-vegetal con su localización en la mayoría de los ca- y por lo tanto resultan controvertidos. el eje embrionario-abembrionario del sos sirve como marca en uno de los ex- Quizá debido a esto hay que mencionar blastocisto es más sutil de lo que se tremos del disco de la MCI (Gardner, que existen publicaciones recientes pensaba (Zernicka-Goetz, 2006). Estos 1997; Ciemerych et al., 2000). que abogan por un destino azaroso de estudios han sido capaces de estable- las blastómeras (Hiiragi and Solter, cer que tan pronto como en el estadio Como ya se ha mencionado en la in- 2004; Gardner, 2006) sin relación algu- de dos células cada blastómera tiene troducción, se considera que los mamí- na con el eje animal-vegetal del óvulo o una contribución fijada al futuro blasto- feros no dependen de componentes ci- el futuro eje embrionario-abembriona- cisto (Piotrowska et al., 2001). toplasmáticos y por lo tanto que el óvu- rio del blastocisto. Sin embargo, la ma- lo y el cigoto son homogéneos. Sin em- yoría de las evidencias muestran que Así, la blastómera que se divide meri- bargo, es evidente que deben existir di- aunque no hay un destino fijo de las cé- dionalmente va a dar lugar a la mayoría ferencias en la membrana plasmática lulas en las etapas iniciales del desarro- de la MCI y el trofoectodermo polar (MP) del óvulo ya que en condiciones llo, existe una tendencia clara a que los mientras que la otra (ecuatorial) va a dar fisiológicas el espermatozoide no pue- descendientes de ciertas blastómeras lugar al trofoectodermo mural y parte de de penetrar en las cercanías del cor- ocupen regiones determinadas del las células de la MCI, especialmente púsculo polar. Se ha comprobado que blastocisto (y por ende del embrión). gran parte de las que limitan la cavidad la zona de MP presenta zonas con una del blastocisto (Esquema C en la figura composición lipídica que impide los Esto significaría que existe una predis- 5). Este mapa de destino explica ade- desplazamientos y que se denominan posición o polaridad desde las etapas más porque algunos autores encuentran islas de rigidez y que los espermatozoi- más iniciales del desarrollo y el modelo células descendientes de las 2 o 4 pri- des serian incapaces de utilizar como de mosaicismo tiene cada vez mas evi- meras blastómeras en ambas estructu- punto de entrada (Evans et al., 2000; dencias en embriones de mamíferos ras (MCI y trofoectodermo). Por lo tanto Johnson, 2001). (Edwards and Hansis, 2005). los estudios de linaje presentan una evi- El destino más sugerido por su correla- dencia muy clara a favor del modelo de Otra característica del óvulo y final-
  • 7. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Diciembre 2006 Vol. 11 • Nº2 41 mente del cigoto es que la disposición rencias (Van Berklon, 2004) dos con la maduración ovocitaria y con de la placa metafísica y la extrusión de las interacciones entre el ovocito y las los corpúsculos polares se realiza sis- Por lo tanto, aunque no es observa- células foliculares del ovario (Cecconi temáticamente en las cercanías de es- ble en el interior del gameto y del ci- et al., 2004). La presencia de células tas islas de rigidez y esta circunstan- goto, ha de existir una polaridad es- que se mantienen más fuertemente cia implica que han de existir corrien- tructural con respecto al futuro eje unidas al polo vegetal después de la tes corticales y entramados de micro- animal-vegetal. Por ultimo, llevando la decumulación podría implicar también túbulos espacialmente dispuestos situación al extremo de que la locali- una relación entre la polaridad ovoci- para que la localización del primer y zación del corpúsculo polar viene de- taria y el proceso de maduración en el segundo corpúsculo sea la correcta terminada por los movimientos que el ovario (observaciones propias sin pu- (Gardner and Davies, 2006). Finalmente núcleo realiza en la fase de vesícula blicar) (Figura 6). otros componentes del óvulo como las germinal (Albertini and Barrett, 2004) mitocondrias e incluso la actividad me- y que posiblemente estén relaciona- 3. Mecanismos que establecen la tabólica podrían también presentar dife- polaridad inicial Con todo lo descrito anteriormente, puede decirse que existe una polari- dad embrionaria durante las primeras fases del desarrollo de los mamíferos y que esta polaridad puede tener algu- nos signos ya en el óvulo antes del proceso de fecundación. Esta polari- dad queda confirmada y definida des- pués de la primera división mitótica cuando se forman las dos primeras cé- lulas, ya que las mismas van a tener destinos diferentes (Plusa et al., 2005). Debe existir algún tipo de condiciona- miento que origine esta diferencia de comportamiento entre una célula y otra y, por lo tanto, un meca nismo que inicie la polaridad. Las asimetrías que se han descrito en el óvulo con respecto al CP posible- mente no justifiquen una asimetría en el comportamiento de las células hijas pues como se ha mencionado el pri- mer plano de división coincide con el eje animal-vegetal y por lo tanto, otros mecanismos están siendo evaluados actualmente (Gray et al., 2004). Un mecanismo generalmente esta- blecido en otros animales para definir la polaridad es la presencia en gra- dientes de genes o factores materna- les en el huevo. Aunque el número de genes maternales que se descubren en los mamíferos esta creciendo rápi- Figura 6. A: Ilustración del polo animal-vegetal de un ovocito humano. B: Fotografías de un ovocito en metafase II que mantiene células foliculares adheridas en su polo vegetal y de un ovocito en el momento de realizar ICSI. Esquema modificado de Gilbert, 2003
  • 8. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Ignacio Santiago Álvarez-Miguel et al. Polaridad durante el desarrollo ... 42 damente (Antczak and Van Blerkom, Zernicka-Goetz, 2001). De hecho 1997; Tong et al., 2002; Wallingford es conocido desde hace tiempo Sin embargo, experimentos recien- and Habas, 2005), las evidencias de que la inyección de compuestos or- tes que reevalúan la capacidad re- una distribución desigual entre las gánicos y otros materiales supues- gulativa del embrión y la equivalen- blastómeras hijas son muy vagas tamente inertes en oocitos y cigo- cia de las blastómeras ponen argu- (Torres-Padilla et al., 2006). tos de ratón afecta a la división ce- mentos a favor de la existencia de Solamente un trabajo muy reciente y lular, generalmente acelerándola una polaridad embrionaria desde que necesita ser confirmado implica al (Dyce et al., 1978). Por último, las fases iniciales del desarrollo factor maternal Cdx2 como responsa- existen también evidencias que el (Zernicka-Goetz, 2006). Quimeras ble de la polaridad inicial del embrión SEP marca el borde entre la zona realizadas con células equivalentes (Deb et al., 2006). embrionaria y abembrionaria del en la localización dentro del em- blastocisto (Zernika, 2002) y que la brión tienen un alto grado de su- Este factor está presente en el ovo- blastómera que mantiene los restos pervivencia e implantación embrio- cito y según los autores se reparte de del espermatozoide sistemática- naria, mientras que si se sustituyen manera desigual entre las dos blastó- mente termina formando parte de blastómeras no correspondientes meras que se generan a partir del ci- la MCI (Plusa et al., 2002). (por ejemplo una célula destinada goto. En última instancia esta molé- a formar trofoectodermo por una cula por mecanismos no descritos en Aunque la relación entre fecun- blastómera que dará la MCI, el re- el trabajo, sería la responsable de dación y polaridad es aún especu- sultado es que aunque el embrión que la segunda división celular no lativa y esta en fase de comproba- completa la blastulación y un nú- sea equivalente y se genere la asime- ción experimental cabría mencio- mero pueden llegar a implantarse y tría descrita previamente. La posibili- nar que de nuevo sería un meca- nacer, la proporción de embriones dad de que exista un gen maternal en nismo de desarrollo conservado a que fracasan es mayoritaria mamíferos con un gradiente en el lo largo de la evolución. De hecho, (Tarkowski et al., 2001; Zernicka- óvulo y que es trasladado a la pri- en organismos tan diversos como Goetz, 2002). Por motivos obvios, es- mera división mitótica supondría el gusano C. elegans o los embrio- tos experimentos, al igual que los de una interesante conservación de nes de anfibios, la polaridad inicial marcaje que abogan a la polaridad los mecanismos de polaridad em- en el huevo es recolocada median- embrionaria, no han podido ser corro- brionaria a lo largo de la evolu- te mecanismos de desplazamiento borados en humanos. ción e implicaría que las blastó- citoplasmático con respecto al meras iniciales no son equivalen- punto de entrada del espermato- Hay que mencionar los experi- tes en contenido citoplasmático. zoide (Gerhart, 1991). mentos clásicos realizados en an- fibios y otros grupos animales La otra posibilidad que parece va 4. Significado de la polaridad em- que ponen de manifiesto la capa- tomando importancia como inicio brionaria cidad de compensar el desarrollo de la polaridad es que sea una que tienen estos embriones a pe- consecuencia directa del proceso Según todo lo expuesto anterior- sar de su clara polaridad previa al de fecundación. La hipótesis con- mente existe una clara no-equiva- proceso de fecundación (Vincent siste en que la polaridad embriona- lencia al menos en el destino de las and Gerhart, 1987; Bowerman y ria se establece por el sitio de en- células desde la primera división Shelton, 1999). De igual manera trada del espermatozoide en el mitótica. podría ser que los embriones de óvulo (Piotrowska et al., 2002). mamíferos posean una alta capa- Como base experimental a esta te- Este hecho parece estar en contra cidad regulativa y que las diferen- oría, se ha comprobado que el lu- de la gran capacidad regulativa cias en polaridad establecidas en las gar de entrada del espermatozoide que se ha descrito en los embrio- etapas iniciales pueden ser subsana- marca, junto con el corpúsculo po- nes de mamíferos (McLaren, 1976; das si se interfiere el desarrollo me- lar, la orientación del plano de las Papaioannou and Ebert, 1986). diante manipulación. primeras divisiones (Bennett, Son muchos los estudios ya clási- 1982; Piotrowska and Zernicka- cos que indican que la eliminación Por lo tanto, el escenario que se pre- Goetz, 2001). Además, la célula y/o sustitución de blastómeras en senta es que existe un patrón en gran que hereda el sitio de entrada del la etapas iniciales del desarrollo medida constante de destino para espermatozoide (SEP) distinguible tiene escasas consecuencias en el las blastómeras del embrión de ma- por la presencia del llamado cono desarrollo embrionario y que el em- mífero y que se corresponde en eta- de fertilización, tiene tendencia a brión es capaz de regular la perdi- pas más avanzadas del desarrollo (e ser la primera que se divide en la da o sustitución de esta célula me- incluso en el organismo definitivo) segunda división embrionaria diante robustos mecanismos de con los ejes de polaridad (Zernicka- (Gardner, 2001; Piotrowska and desarrollo que aun están por acla- Goetz, 2002; Edwards and Hansis, rar (Johnson et al., 2006).
  • 9. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Diciembre 2006 Vol. 11 • Nº2 43 2005). Sin embargo durante el des- células madre de embriones no via- ambas hipótesis (mosaicismo y regu- arrollo también existe una cierta plas- bles tanto a partir de la MCI lación) no han se ser completamente ticidad y el mosaicismo no es tan (Matalipova et al., 2003) como de excluyentes y los nuevos datos que invariable como se ha descrito en embriones en fase de mórula se van adquiriendo tienden hacia una otros organismos ya que las célu- (Strelchenko et al., 2004), la clona- reconciliación de ambas posibilida- las pueden reestablecer un orden ción terapéutica o la transferencia de des. Sí que hay que destacar que en cuando son alteradas de forma citoplasma han de considerar igual- realidad los mamíferos y más concre- natural (gemelación por ejemplo) mente la posibilidad de que los ovo- tamente los humanos, no somos tan o artificial y por lo tanto se man- citos y embriones de mamíferos pre- diferentes a la hora de utilizar meca- tienen pluripotentes (Zernicka- sentan una polaridad y que no todas nismos para el desarrollo y parece Goetz, 2006; Stern, 2006). las regiones del citoplasma o no to- que las mismas señales (genes ma- das las blastómeras de un embrión ternales, espermatozoide, planos de 5. Implicación en reproducción sean equivalentes. división, etc.) van siendo reutilizados asistida e investigación con variaciones a lo largo del desarro- 6. Consideraciones finales llo en todos grupos animales. La polaridad embrionaria y ovo- citaria y los mecanismos que es- Existen evidencias cada vez más fir- Finalmente, las implicaciones de tablecen la misma han de ser te- mes de que el embrión desde su ini- que muy posiblemente nuestro desti- nidos en cuenta a la hora de rea- cio tiene una polaridad que se refleja no esta marcado desde el primer día lizar las técnicas de manipulación en el patrón de formación de células de desarrollo están aun por determi- embrionaria en reproducción en cada fase consecutiva del des- nar. asistida. Sin ser el tema de este arrollo, de tal forma que blastómeras trabajo, no es difícil imaginar que particulares producen siempre los de confirmarse esta nueva visión mismos tipos celulares. Agradecimientos polarizada del ovocito y el em- brión en las fases iniciales del Nosotros pensamos que este meca- Agradecemos el apoyo prestado por desarrollo muchos procesos que nismo predeterminado se ha estable- los miembros de IERA para la realiza- se realizan en el laboratorio de cido entre otros posibles patrones de ción de este trabajo. embriología podrían ser más rele- desarrollo que resultaron ser menos vantes para el desarrollo de lo eficaces aunque viables (situación que se pensaba en un principio. que explica la plasticidad embriona- Entre estos procesos destacaría- ria) y el embrión ha ido utilizando las BIBLIOGRAFÍA mos el sitio de microinyección es- pistas que han sido útiles para con- Alarcon VB, Marikawa Y. Deviation of the permática (ICSI) (Figura 6) y la servar este patrón, como es la locali- blastocyst axis from the first cleavage extracción de blastómeras para la zación del corpúsculo polar o el sitio plane does not affect the quality of mou- realización del diagnostico genético de entrada del esperma. se postimplantation development. Biol. Reprod, 2003; 69:1208-12. preimplantacional (DGP), ya que po- drían tener unas implicaciones clíni- Dicho de otro modo, es lógico pen- Albertini DF, Barrett SL. The develop- cas mayores de lo que se había pen- sar que un mecanismo de formación mental origins of mammalian oocyte sado hasta ahora dependiendo de embrionaria si es efectivo se va ir re- polarity. Sem. Cell Dev. Biol, 2004; 15:599–606. la(s) célula(s) elegida(s) para ser ex- pitiendo durante el desarrollo casi traídas del embrión. con precisión de relojería (y no de for- Ang, SL, Constam, DB. A gene network ma azarosa) y quedará prefijado me- establishing polarity in the early mouse Además, nuevos factores predicti- diante pistas en las células que lo ori- embryo. Sem. Cell Dev. Biol, 2004; 15:555–61. vos del éxito del proceso de FIV po- ginan. Cualquier desviación de este drían incorporarse al estudio del cigo- mecanismo, sea natural o artificial, Antczak M, Van Blerkom J. Oocyte in- to y de los embriones, como por podría ser compensado de forma aun fluences on early development: the re- ejemplo la morfología y viabilidad de desconocida por el embrión, pero aun gulatory proteins leptin and STAT3 are polarized in mouse and human oocy- ciertas blastómeras según su posi- esta por conocerse las consecuencias tes and differentially distributed within ción, la orientación y velocidad de las en la implantación y naturaleza de los the cells of the preimplantation stage divisiones celulares según se ajusten embriones conseguidos. embryo. Mol. Hum. Reprod, 1997; a los modelos descritos, o la defini- 3:1067-86. ción del eje embrionario-abembriona- Hay que aclarar que aunque en Bennett J. Sperm entry point is related rio en el blastocisto.Por último, as- esta trabajo se ha enfatizado sobre to early division of mouse blastomeres. pectos relacionados con la investiga- las evidencias de la hipótesis de la J. Cell Biol, 1982; 95:163a. ción biomédica como la obtención de determinación y la polaridad inicial, Bowerman B, Shelton, CA. Cell polarity in the early Caenorhabditis elegans embr-
  • 10. F O R M A C I Ó N C O N T I N U A D A Ignacio Santiago Álvarez-Miguel et al. Polaridad durante el desarrollo ... 44 yo. Curr. Opin. Genet. Dev, 1999; 9:390- 5. Chroscicka A., Komorowski S, 12:144-49. tinguishable fates in normal mouse deve- Maleszewski M. Both blastomeres of lopment. Development, 2001; 128:3739- the mouse 2-cell embryo contribute to Gardner RL. Specification of embryonic 48. the embryonic portion of the blas- axes begins before cleavage in normal tocyst. Mol. Reprod. Dev, 2004; mouse development. Development, Piotrowska K, Zernicka-Goetz M. Role for 68:308-12. 2001; 128:839-47. sperm in spatial patterning of early mouse embryos. Nature, 2001; Ciemerych MA., Mesnard D, Zernicka- Gerhart J, Doniach T, Stewart R. En: 409:517-21. Goetz M. Animal and vegetal poles of Keller R, Clark WH, Griffin F, editors. the mouse egg predict the polarity of Gastrulation: Movements, Patterns and Piotrowska-Nitsche K, Perea-Gomez A, the embryonic axis, yet are nonessen- Molecules. 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