Biología universitaria — segundo año · Bachelor Year 2

10Desarrollo embrionario de los vertebrados

Un huevo de rana es una esfera de dos milímetros de diámetro, oscura por arriba y pálida por abajo. En un día se ha dividido en miles de células; en dos, una lámina de esas células se ha enrollado hacia dentro a través de un surco para formar un intestino y tender una varilla a lo largo del dorso; en tres, la lámina situada sobre la varilla se ha plegado en un tubo que será el encéfalo y la médula espinal. No se ha añadido nada más que agua. La información que convierte una célula en un renacuajo nadador estaba en el huevo y en su genoma, y la manera en que se despliega — segmentación, gastrulación, neurulación, la inducción de cada parte por sus vecinas — es reconociblemente la misma en un pez, un pollo y un ratón. Este capítulo sigue a un embrión de vertebrado a través de esas etapas y describe los experimentos que mostraron cómo se le indica a cada una de sus partes lo que debe llegar a ser.

10.1 Del huevo a la blástula

Definición 10.1 (El huevo y sus ejes)

El huevo de un vertebrado está polarizado antes de la fecundación: el polo animal contiene el núcleo y la mayor parte del citoplasma; el polo vegetativo, el vitelo, la reserva de proteínas y lípidos de la que vivirá el embrión hasta que se alimente. La cantidad de vitelo fija el patrón de todo lo que sigue: un huevo de erizo de mar o de mamífero casi no tiene y se segmenta por completo en células iguales; un huevo de rana tiene una cantidad moderada y se segmenta por completo pero de forma desigual (células pequeñas arriba, grandes células cargadas de vitelo abajo); un huevo de pez o de ave es casi todo vitelo y solo se segmenta en un disco de citoplasma situado encima. En la rana, el punto por el que entra el espermatozoide fija el segundo eje: la corteza gira treinta grados alejándose de él y deja al descubierto una media luna gris opuesta al punto de entrada, y ese lado se convertirá en el dorso. La segmentación es una serie de mitosis rápidas sin crecimiento — las células se reducen a la mitad de tamaño en cada una —, impulsada por ARNm y proteínas maternos almacenados en el huevo, mientras los propios genes del embrión permanecen en silencio hasta la transición de la blástula media, al cabo de unas doce divisiones.

El desarrollo de una rana desde el huevo fecundado: la segmentación hasta la blástula, la gastrulación, la néurula con sus pliegues neurales y el renacuajo — todo en unos pocos días, sin crecimiento.

Teorema 10.2 (La aritmética de la segmentación)

Tras $k$ segmentaciones sincrónicas, un huevo de volumen $V_0$ son $2^{k}$ células de volumen medio $V_0/2^{k}$ y radio $r_0/2^{k/3}$ , y la superficie total ha crecido en un factor $2^{k/3}$ ; la relación entre el volumen nuclear y el citoplasmático, que parte de cerca de $10^{-4}$ en un huevo de rana, aumenta en un factor $2^{k}$ y alcanza la de una célula ordinaria ( $\sim 0.1$ ) al cabo de unas diez divisiones. Es esta relación creciente — la titulación de una reserva materna fija de algún inhibidor por una cantidad de ADN que crece exponencialmente — la que desencadena la transición de la blástula media: las divisiones se ralentizan, se vuelven asincrónicas y el genoma cigótico se activa.

Demostración. El volumen se conserva en la segmentación, de modo que cada una de las $2^{k}$ células tiene $V_0 2^{-k}$ y, como esfera, un radio $r_0 2^{-k/3}$ ; su superficie total es $2^{k}\cdot 4\pi r_0^{2}\, 2^{-2k/3} = 4\pi r_0^{2}\, 2^{k/3}$ . Cada célula conserva un núcleo de tamaño fijo, de modo que la relación crece como $2^{k}$ desde $10^{-4}$ : $2^{10} = 1024$ la lleva a $0.1$ . La transición de la rana se sitúa en la duodécima división, lo que es coherente con un umbral alcanzado algo más tarde. ∎

Evidencia. Newport y Kirschner (1982) añadieron ADN adicional a huevos de rana y observaron que la transición se adelantaba tantas divisiones como veces había ADN en exceso; eliminar citoplasma tenía el mismo efecto. El reloj no es el tiempo ni un recuento de divisiones, sino una relación. ∎

Definición 10.3 (Blástula)

La segmentación termina en una blástula: una esfera hueca (rana, erizo de mar) o un disco (pez, ave) de unos pocos miles de células alrededor de una cavidad, el blastocele. Sus células tienen todavía un aspecto no especializado, pero no son equivalentes: un mapa de destinos, construido tiñendo zonas de la superficie con colorantes y siguiéndolas, muestra que el casquete animal dará la piel y el sistema nervioso (ectodermo), el cinturón ecuatorial el músculo, el esqueleto, el riñón y la sangre (mesodermo), y la masa vegetativa el intestino y sus órganos (endodermo). Estas tres hojas embrionarias son las mismas en todos los vertebrados, y el paso siguiente es colocarlas en su sitio: el mesodermo y el endodermo están fuera y deben entrar.

10.2 Gastrulación y neurulación

Proposición 10.4 (La gastrulación)

La gastrulación es el conjunto de movimientos celulares que convierte la blástula de una sola capa en una gástrula de tres capas. En la rana empieza por debajo de la media luna gris: las células cambian de forma y contraen su extremo externo en forma de botella, y la superficie se hunde en un surco, el blastoporo. A través de él el mesodermo y el endodermo fluyen hacia dentro (involución), enrollándose sobre el labio y avanzando a lo largo del techo de la cavidad; el casquete animal se extiende hacia abajo para cubrir el exterior (epibolia); el blastoporo se cierra en un anillo alrededor de las últimas células vitelinas. Dentro, una nueva cavidad revestida de endodermo, el arquénteron, es el futuro intestino, y el mesodermo que entró primero, a lo largo de la línea media, se ha convertido en una varilla rígida, la notocorda, el eje de todo embrión de vertebrado y la estructura que da nombre al filo. En las aves y los mamíferos los mismos movimientos se producen a través de una hendidura, la línea primitiva, en un disco plano; en los peces, el disco se extiende sobre el vitelo. La coreografía cambia con el vitelo; el resultado — ectodermo fuera, endodermo revistiendo el intestino, mesodermo entre ambos, notocorda en la línea media — es el mismo.

La gastrulación en la rana, en sección. Las células se enrollan hacia dentro sobre el labio del blastoporo; el endodermo reviste una nueva cavidad intestinal, y el primer mesodermo en entrar se convierte en la notocorda a lo largo de la línea media.

Proposición 10.5 (La neurulación y el plan corporal)

El ectodermo situado sobre la notocorda se engrosa en una placa neural, cuyos bordes se elevan en pliegues y se unen en la línea media para formar el tubo neural, el futuro encéfalo y médula espinal, que se hunde bajo la piel; células de la cresta de los pliegues, la cresta neural, migran lejos para formar los nervios periféricos, las células pigmentarias, la médula suprarrenal y gran parte de la cara. A cada lado de la notocorda el mesodermo se segmenta en bloques, los somitos, un par tras otro de la cabeza a la cola, que dan las vértebras, los músculos del tronco y la dermis; el mesodermo lateral se divide en las capas que revisten la cavidad corporal y forman el corazón y las extremidades; el tubo endodérmico forma por gemación los pulmones, el hígado y el páncreas. Al final de la neurulación el embrión tiene el plan corporal de los vertebrados — un cordón nervioso dorsal sobre una notocorda, un intestino ventral, músculo segmentado, una cabeza — con una longitud de unos pocos milímetros, y el resto del desarrollo es la elaboración de los órganos a partir de ese plan (Capítulo 11).

La neurulación en sección transversal: el ectodermo situado sobre la notocorda (rojo) se engrosa, se pliega y se cierra en el tubo neural (azul), mientras el mesodermo junto a la notocorda se segmenta en somitos (naranja) y las células de la cresta neural abandonan los pliegues que se cierran.

Izquierda: un embrión de pez cebra de un día dentro de su corion, enrollado alrededor de su vitelo, con el ojo, el encéfalo y una hilera de somitos. Derecha: un embrión de pollo de tres días sobre su vitelo, con el corazón ya latiendo y los vasos extendiéndose sobre el vitelo para alimentarlo.

10.3 La inducción: cómo saben las células dónde están

Definición 10.6 (Inducción y competencia)

La inducción es el proceso por el cual un grupo de células cambia el destino de un grupo vecino mediante una señal; las células que responden deben ser competentes — capaces de responder, lo que solo son durante un tiempo limitado. El desarrollo es una cadena de inducciones: las células vegetativas inducen mesodermo en las células situadas sobre ellas; el mesodermo dorsal — el organizador del labio del blastoporo — induce la placa neural en el ectodermo situado encima y organiza el mesodermo de ambos lados; la notocorda induce el suelo del tubo neural; la vesícula óptica, una evaginación del encéfalo, induce un cristalino en la piel que toca; el cristalino induce la córnea. Cada tejido inducido se convierte en inductor del siguiente. Las señales son un puñado de familias de proteínas secretadas que se usan una y otra vez — las mismas que organizan una extremidad (Capítulo 11) y que, en el adulto, gobiernan la señalización del Capítulo 19.

Evidencia. Spemann y Mangold (1924) cortaron el labio dorsal del blastoporo de una gástrula temprana de una especie de tritón y lo injertaron en el lado ventral de otra, de pigmentación diferente para poder distinguir las células del huésped y las del injerto. El injerto no se limitó a convertirse en lo que habría sido en su sitio: se enrolló hacia dentro, formó notocorda e indujo al propio ectodermo ventral del huésped a formar un segundo tubo neural y, junto a él, somitos del huésped — un segundo embrión completo, formado en gran parte por células del huésped, unido vientre con vientre al primero. Ningún otro fragmento de la gástrula podía hacerlo. Llamaron al labio el organizador; sus señales (proteínas que bloquean el factor ventralizante BMP) se identificaron setenta años después. ∎

El experimento del organizador. Un labio dorsal injertado en el vientre de otra gástrula induce a las células del huésped a formar un segundo eje embrionario.

Teorema 10.7 (Un gradiente de morfógeno)

Muchas inducciones funcionan mediante un morfógeno: una señal secretada por una fuente, que se extiende por el tejido y que las células leen según su concentración local — por encima de un umbral, un destino; por encima de otro más alto, otro distinto. Un morfógeno producido en una fuente plana a un ritmo $j$ por unidad de superficie, que difunde con coeficiente $D$ y se degrada a un ritmo $k$ , tiene en estado estacionario el perfil exponencial

c(x) = c_0\,e^{-x/\lambda}, \qquad \lambda = \sqrt{D/k}, \qquad c_0 = \frac{j}{\sqrt{Dk}},

de modo que la distancia a la que la concentración cae por debajo de un umbral $T$ es $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : umbrales fijos pueden dividir un tejido en bandas de anchura fija. Con $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ (una proteína frenada por sus uniones al avanzar por el tejido) y $k = 1 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ (una semivida de unos doce minutos), $\lambda = \sqrt{10^{-9}}\,\mathrm{m} \approx 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ : unos pocos diámetros celulares, la escala en la que se organizan los campos embrionarios. Duplicar la fuente duplica $c_0$ y desplaza cada frontera hacia fuera en $\lambda \ln 2$ .

Demostración. En estado estacionario la difusión equilibra la degradación: $D\,c'' = k\,c$ , cuya solución decreciente es $c = c_0 e^{-x/\lambda}$ con $\lambda^2 = D/k$ . El flujo que sale de la fuente es $-Dc'(0) = Dc_0/\lambda = j$ , lo que da $c_0 = j\lambda/D = j/\sqrt{Dk}$ . Imponiendo $c(x_T) = T$ se obtiene $x_T$ ; cambiar $c_0$ por $2c_0$ le suma $\lambda\ln 2$ . ∎

Un gradiente de morfógeno con = 32\, µ m. Dos umbrales dividen el tejido en tres bandas de destino celular cuyas anchuras fijan y las razones entre los umbrales y la concentración de la fuente. — Un gradiente de morfógeno con $\lambda = 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Dos umbrales dividen el tejido en tres bandas de destino celular cuyas anchuras fijan $\lambda$ y las razones entre los umbrales y la concentración de la fuente.

Ejemplo 10.8 (Leer el gradiente)

En la gástrula de rana, las células de la zona marginal expuestas a cantidades graduadas de una señal de la familia de la activina se convierten, de la dosis más alta a la más baja, en notocorda, músculo, riñón y sangre; las células disociadas del casquete animal, puestas en una placa con una dosis umbral, cambian de destino dentro de un factor dos de concentración. En el tubo neural, una señal procedente de la notocorda y de la placa del suelo se extiende hacia arriba y especifica, desde abajo, las motoneuronas y después clases sucesivas de interneuronas en umbrales separados por unos pocos diámetros celulares. Las coordenadas del organismo están escritas en concentraciones.

10.4 Destino, determinación y calendario de las decisiones

Proposición 10.9 (Cuándo se fija el destino de una célula)

El destino de una célula es lo que llegará a ser normalmente; su potencia, lo que puede llegar a ser si se la traslada; está determinada cuando su destino ya no cambia con su entorno. Los embriones tempranos regulan: cada uno de los dos primeros blastómeros de rana, separados, forma un renacuajo completo más pequeño, y las primeras células de un embrión de mamífero son todas totipotentes — así se forman los gemelos idénticos. La determinación llega de forma gradual y en momentos distintos según los tejidos: un fragmento de ectodermo de gástrula temprana injertado en el vientre se convierte en piel del vientre; el mismo fragmento tomado de una gástrula tardía forma una placa neural dondequiera que se coloque; en el estadio de yema caudal, un campo de extremidad trasplantado al flanco forma allí una extremidad. En la mayoría de los invertebrados, en cambio, el destino se fija pronto por el citoplasma que hereda cada célula (desarrollo en mosaico), y un blastómero separado solo forma su parte. La estrategia de los vertebrados — mantener flexibles las células y decirles qué hacer mediante la inducción — es lo que hace posibles los gemelos, la regeneración y el experimento del organizador.

Evidencia. Spemann (1901) ató un lazo de cabello alrededor de un huevo de tritón en el estadio de dos células: si el lazo quedaba en el plano de la media luna gris, de modo que cada mitad recibía una parte de ella, se formaban dos embriones completos; si quedaba perpendicular, de modo que una mitad tenía toda la media luna, esa mitad formaba un embrión y la otra una bola de tejido ventral. La media luna — el futuro organizador — era la única parte que no podía dividirse. ∎

Ejemplo 10.10 (El calendario de una rana)

A $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : fecundación; primera segmentación a las $1.5\,\mathrm{h}$ , y después cada media hora; blástula de $4000$ células a las $7\,\mathrm{h}$ ; transición de la blástula media a las $8\,\mathrm{h}$ ; gastrulación de las $10\,\mathrm{h}$ a las $20\,\mathrm{h}$ ; los pliegues neurales se cierran a las $30\,\mathrm{h}$ ; el corazón late a los $2.5\,\mathrm{d}$ ; eclosión y alimentación a los $4\,\mathrm{d}$ , en forma de renacuajo de $6\,\mathrm{mm}$ . Un pez cebra hace lo mismo en un día; un pollo, en tres; un ratón, en nueve; un embrión humano gastrula en la tercera semana y cierra su tubo neural hacia la cuarta — antes de que la mayoría de las mujeres sepan que están embarazadas, y por eso se prescribe ácido fólico, necesario para el cierre del tubo neural, antes de la concepción.

10.5 Ejercicios

Ejercicio 10.1 ★

Defínanse segmentación, blástula, gastrulación y neurulación, y nómbrese la estructura que produce cada etapa.

Solución

Solución de Ejercicio 10.1.

Segmentación: mitosis rápidas sin crecimiento, que producen la blástula. Blástula: una esfera hueca o un disco de células pequeñas alrededor del blastocele. Gastrulación: los movimientos celulares que llevan el mesodermo y el endodermo al interior y producen la gástrula de tres capas, con una cavidad intestinal y una notocorda. Neurulación: el plegamiento del ectodermo dorsal en el tubo neural, con la segmentación de los somitos, que produce la néurula con el plan corporal de los vertebrados.

Ejercicio 10.2 ★

Dense las tres hojas embrionarias y, para cada una, cuatro tejidos adultos que deriven de ella.

Solución

Solución de Ejercicio 10.2.

Ectodermo: epidermis, encéfalo y médula espinal, nervios periféricos (cresta neural), cristalino y células pigmentarias. Mesodermo: notocorda, músculo, hueso y cartílago, riñón, corazón y sangre, dermis. Endodermo: el revestimiento del intestino, hígado, páncreas, pulmones, tiroides.

Ejercicio 10.3 ★

¿Cómo cambia la cantidad de vitelo el patrón de la segmentación y de la gastrulación? Compárense una rana y un pollo.

Solución

Solución de Ejercicio 10.3.

Poco vitelo: segmentación completa y casi igual, y gastrulación por involución a través de un blastoporo redondo en una esfera hueca (rana: completa pero desigual, con las células vegetativas cargadas de vitelo grandes y lentas). Mucho vitelo (pollo): segmentación limitada a un disco situado sobre el vitelo, y gastrulación a través de una hendidura, la línea primitiva, en el disco plano, con las capas extendiéndose sobre el vitelo en lugar de encerrar una cavidad.

Ejercicio 10.4 ★

¿Qué es la inducción? Dense tres inducciones en el orden en que se producen en un embrión de rana, nombrando el inductor y el tejido que responde.

Solución

Solución de Ejercicio 10.4.

La inducción es el cambio de destino de un tejido competente por una señal procedente de un tejido vecino. Las células vegetativas inducen mesodermo en la zona marginal situada encima; el organizador (mesodermo del labio dorsal) induce la placa neural en el ectodermo dorsal; la vesícula óptica induce el cristalino en el ectodermo de la cabeza.

Ejercicio 10.5 ★★

Un huevo de rana de $1\,\mathrm{mm}$ de radio se segmenta doce veces. Calcúlense el número de células, su radio medio y el factor en que ha crecido la superficie celular total. ¿Para qué necesita el embrión esa superficie adicional?

Solución

Solución de Ejercicio 10.5.

$2^{12} = 4096$ células de radio $1/2^{4} = 62.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; superficie multiplicada por $2^{4} = 16$ . La superficie adicional es la membrana de los epitelios que la gastrulación plegará en piel e intestino, y el área a través de la cual la blástula intercambia con su entorno.

Ejercicio 10.6 ★★

La relación núcleo/citoplasma parte de $10^{-4}$ y la transición de la blástula media se produce cuando alcanza $0.4$ . ¿Al cabo de cuántas divisiones? Si al huevo se le inyecta tres veces su propia cantidad de ADN, ¿en qué división llega la transición?

Solución

Solución de Ejercicio 10.6.

$10^{-4}\times 2^{k} = 0.4$ : $2^{k} = 4000$ , $k = 12$ . Con cuatro veces el ADN, la relación parte de $4\times 10^{-4}$ y alcanza $0.4$ con $2^{k} = 1000$ : la décima división, dos antes.

Ejercicio 10.7 ★★

Un morfógeno tiene $D = 2 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ y una semivida de $10\,\mathrm{min}$ . Calcúlense $k$ y $\lambda$ . Dos umbrales están al $50\,\%$ y al $10\,\%$ de la concentración de la fuente: dense las anchuras de las tres bandas de destino.

Solución

Solución de Ejercicio 10.7.

$k = \ln 2/600 = 1.16 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{2\times 10^{-12}/1.16\times 10^{-3}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Umbrales en $x = \lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ y $\lambda\ln 10 = 96\,\text{µ}\mathrm{m}$ : bandas de 29, 67 y el resto.

Ejercicio 10.8 ★★

En el gradiente del ejercicio anterior, una mutación duplica la fuente. ¿Cuánto se desplaza cada frontera? ¿Y si lo que se duplica es la tasa de degradación?

Solución

Solución de Ejercicio 10.8.

Duplicar la fuente desplaza ambas fronteras hacia fuera en $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ : la primera banda duplica su anchura y la segunda la conserva. Duplicar $k$ divide $\lambda$ por $\sqrt 2$ ( $29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) y, como $c_0 = j/\sqrt{Dk}$ , divide también $c_0$ por $\sqrt 2$ : las fronteras pasan a $\lambda'\ln(c_0'/T) = 29\times(0.69 - 0.35) = 10\,\text{µ}\mathrm{m}$ y $29\times(2.30 - 0.35) = 57\,\text{µ}\mathrm{m}$ — ambas bandas se estrechan.

Ejercicio 10.9 ★★

Descríbase el experimento de Spemann y Mangold, dígase por qué las dos especies debían diferir en su pigmentación y enúnciese qué descartó el resultado.

Solución

Solución de Ejercicio 10.9.

Se injertó un labio dorsal de una gástrula de tritón no pigmentada en el lado ventral de otra pigmentada; se enrolló hacia dentro y el huésped formó un segundo embrión — tubo neural, somitos, intestino — unido al primero. La diferencia de pigmento mostró que el segundo eje estaba formado por células del huésped, de modo que el injerto las había inducido en lugar de construir el eje por sí mismo. Descartó la autodiferenciación del injerto como explicación, y mostró que una región pequeña lleva la señal que organiza todo el eje.

Ejercicio 10.10 ★★★

Predígase el resultado de: (a) un fragmento de futura placa neural de gástrula temprana injertado en el vientre; (b) el mismo fragmento procedente de una gástrula tardía; (c) un fragmento de ectodermo ventral colocado sobre una notocorda en una gástrula tardía; (d) la extirpación de todo el organizador de una gástrula temprana. Explíquese cada caso con las nociones de competencia y de determinación.

Solución

Solución de Ejercicio 10.10.

(a) Piel ventral: el ectodermo temprano es competente pero aún no ha sido inducido, de modo que sigue a su nuevo entorno. (b) Tejido nervioso: en la gástrula tardía ya ha sido inducido y está determinado. (c) Placa neural: el ectodermo ventral de la gástrula tardía sigue siendo competente, y la notocorda lo induce. (d) Ninguna estructura dorsal: una bola de tejido ventral, puesto que nada induce los destinos dorsales en el mesodermo ni los neurales en el ectodermo.

Ejercicio 10.11 ★★★

La primera segmentación de la rana dura $90\,\mathrm{min}$ y las once siguientes, $30\,\mathrm{min}$ cada una, a $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; a $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ cada etapa es 2,5 veces más lenta. ¿En qué momento se alcanza la transición de la blástula media a cada temperatura? Explíquese por qué la transición llega con el mismo número de células a ambas temperaturas, y qué dice eso del reloj.

Solución

Solución de Ejercicio 10.11.

A $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $90 + 11\times 30 = 420\,\mathrm{min}$ , 7 horas. A $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $17.5\,\mathrm{h}$ . La transición cae en la duodécima división en ambos casos porque lo que la desencadena es la relación entre ADN y citoplasma, que depende del número de divisiones y no de lo que hayan tardado: el reloj cuenta duplicaciones, no horas.

Ejercicio 10.12 ★★★

“Un embrión de vertebrado se construye por conversación; uno de invertebrado, por herencia.” Discútanse el contraste entre el desarrollo regulativo y el desarrollo en mosaico, sus consecuencias para la formación de gemelos y la regeneración, y por qué se trata de una diferencia de grado.

Solución

Solución de Ejercicio 10.12.

En el desarrollo regulativo las células adquieren su destino por inducción de sus vecinas, de modo que el embrión puede reconstruirse tras una pérdida (gemelos a partir de un huevo dividido, regeneración de una región injertada); en el desarrollo en mosaico los destinos se heredan con determinantes citoplasmáticos localizados, de modo que cada blastómero solo forma su parte y un embrión dividido da dos medias larvas. La diferencia es de grado: la media luna gris de la rana es un determinante, y los embriones en mosaico recurren más tarde a inducciones; todo embrión mezcla herencia y conversación, y los vertebrados se apoyan en la conversación durante más tiempo.

10.6 Problema: un embrión de rana cronometrado y organizado

Problema 10.1

Problema de fin de semana — se sigue un embrión de rana a través de la segmentación, la transición de la blástula media, la gastrulación y la inducción, con el cálculo del gradiente de morfógeno y la predicción de los injertos clásicos, hasta llegar al número de células y el momento de la transición y a las anchuras de las bandas de destino

Un huevo de rana tiene un radio de $0.7\,\mathrm{mm}$ y un núcleo de $0.03\,\mathrm{mm}$ de radio cuyo contenido de ADN es $c$ ; cada segmentación dura $30\,\mathrm{min}$ , tras una primera de $75\,\mathrm{min}$ . La transición de la blástula media se produce cuando el ADN total alcanza $4000\,c$ . Morfógeno: $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ , semivida de $20\,\mathrm{min}$ , concentración en la fuente $c_0$ , umbrales en $0.4\,c_0$ y $0.08\,c_0$ .

Parte I — La segmentación.

Calcúlense el volumen del huevo y el de su núcleo, y la relación núcleo/citoplasma inicial.
¿Al cabo de cuántas segmentaciones alcanza el ADN $4000\,c$ ? ¿Cuántas células hay?
¿Cuánto tiempo después de la fecundación?
¿Cuál es entonces el radio celular medio, y la relación entre el volumen nuclear y el celular si los núcleos conservan su tamaño? Coméntese.
¿En qué factor ha crecido la superficie celular total?
Cada segmentación requiere copiar el genoma: ¿cuánto ADN se ha sintetizado en total, en unidades de $c$ , y por qué no necesita el embrión transcribir sus genes para hacerlo?
¿Qué cambia en la transición, y qué experimento muestra que la desencadena una relación y no un recuento?

Parte II — La gastrulación.

¿Dónde se forma el blastoporo respecto al punto de entrada del espermatozoide, y qué fijó esa posición?
Enumérense, por orden, los tejidos que entran por el blastoporo y sus posiciones posteriores.
La gastrulación dura $10\,\mathrm{h}$ y la lámina que se involuciona recorre $2\,\mathrm{mm}$ . Calcúlese la velocidad celular media en micrómetros por minuto y compárese con la de un fibroblasto que repta ( $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ ).
¿Por qué es imposible la gastrulación antes de la transición de la blástula media?
Explíquese en una frase por qué la estructura que define a los cordados es la notocorda y no el tubo neural.
Al comienzo de la gastrulación se aplica un fármaco que bloquea el cambio de forma celular. Predígase el embrión.

Parte III — El gradiente.

Calcúlense $k$ a partir de la semivida, y $\lambda$ .
Calcúlense las posiciones de los dos umbrales.
Dense las anchuras de las tres bandas de destino en micrómetros y en células de $15\,\text{µ}\mathrm{m}$ .
La fuente se reduce a la mitad. Vuélvanse a calcular las dos posiciones y dígase qué banda se reduce más.
Una célula situada a $60\,\text{µ}\mathrm{m}$ de la fuente se traslada a $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ antes de que se lea el gradiente; después, tras leerlo. ¿En qué se convierte en cada caso, y por qué?
Explíquese por qué un perfil exponencial da fronteras cuyas posiciones dependen del logaritmo de la intensidad de la fuente, y por qué esto hace robusta la organización del patrón.

Parte IV — Injertos.

Predígase el resultado de injertar un labio dorsal en el lado ventral de una gástrula temprana, y de injertar zona marginal ventral en el lado dorsal.
Predígase el resultado de injertar un labio dorsal en el lado ventral de una néurula, y explíquese la diferencia.
Un embrión de rana en el estadio de dos células se divide a lo largo del plano de la media luna gris; otro, perpendicularmente a él. Predíganse ambos resultados.
Se corta un casquete animal de una blástula y se cultiva solo; el mismo casquete se cultiva junto a células vegetativas. Predíganse los tejidos formados.
¿Por qué el resultado de Spemann y Mangold exigía que huésped e injerto fueran distinguibles, y qué habría mostrado un injerto de la especie equivocada?
Enúnciese el resultado: el número de segmentaciones y el momento de la transición, su número de células y las tres anchuras de banda.

Solución

Solución de Problema 10.1.

1. Huevo $\tfrac43\pi(0.7)^{3} = 1.44\,\mathrm{mm}^{3}$ ; núcleo $\tfrac43\pi(0.03)^{3} = 1.1 \times 10^{-4}\,\mathrm{mm}^{3}$ ; relación $8\times 10^{-5}$ . 2. $2^{k} = 4000$ : $k = 12$ , 4096 células. 3. $75 + 11\times 30 = 405\,\mathrm{min}$ , unas 6,75 horas. 4. Radio $0.7/2^{4} = 44\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; relación $8\times 10^{-5}\times 4096 = 0.32$ — la de una célula ordinaria: los núcleos han alcanzado al citoplasma. 5. $2^{4} = 16$ . 6. Unas $4095\,c$ de ADN; el huevo contiene suficientes histonas, polimerasas y nucleótidos almacenados para doce divisiones, de modo que no hace falta transcripción. 7. Se activan los genes cigóticos, las divisiones se ralentizan y pierden la sincronía, y las células se vuelven móviles. Inyectar ADN adicional adelanta la transición tantas divisiones como veces está el ADN en exceso, algo que un contador de divisiones o de tiempo no podría explicar. 8. Frente al punto de entrada del espermatozoide, en la media luna gris fijada por la rotación de la corteza del huevo tras la fecundación. 9. Primero el mesodermo dorsal (placa precordal y después notocorda), hacia el techo del arquénteron en la línea media; el mesodermo lateral (somitos, lámina lateral) a su lado; el endodermo reviste el arquénteron; el ectodermo se extiende por el exterior por epibolia. 10. $2000\,\text{µ}\mathrm{m}/600\,\mathrm{min} = 3.3\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ : tres veces un fibroblasto — una lámina coordinada avanza más deprisa que una célula aislada. 11. Los movimientos celulares necesitan productos de los genes cigóticos (nuevas moléculas de adhesión, motilidad) y ciclos ralentizados; antes de la transición las células solo pueden dividirse. 12. Todo cordado tiene notocorda en algún estadio, y los vertebrados construyen la columna vertebral a su alrededor; el tubo neural es inducido por ella y es la consecuencia, no el origen, del plan. 13. Sin la contracción de las células en botella no se forma el blastoporo, nada entra, y el embrión sigue siendo una bola con sus capas en su sitio: sin intestino, sin notocorda, sin eje. 14. $k = \ln 2/1200 = 5.8 \times 10^{-4}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{10^{-12}/5.8\times 10^{-4}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 15. $x_1 = 42\ln 2.5 = 38\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 12.5 = 105\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 16. Bandas de $38\,\text{µ}\mathrm{m}$ (2,5 células), $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ (4,5 células) y el resto. 17. $x_1 = 42\ln 1.25 = 9\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 6.25 = 77\,\text{µ}\mathrm{m}$ : ambas fronteras se desplazan hacia dentro en $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; la primera banda se reduce de 38 a 9, la banda media conserva su anchura y la externa crece. 18. Trasladada antes de la lectura, adopta el destino A — lee la concentración del lugar donde está ahora; trasladada después, conserva el destino B — ya estaba determinada. 19. $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : un cambio de la fuente en un factor $f$ desplaza cada frontera en $\lambda\ln f$ , de modo que un error del doble solo desplaza el patrón en $0.7\lambda$ , una fracción de un campo que abarca varios $\lambda$ — el patrón es casi insensible a la cantidad exacta de morfógeno. 20. Labio dorsal en posición ventral: un segundo eje. Zona marginal ventral en posición dorsal: su entorno la vuelve a especificar y forma tejido dorsal; nada adicional. 21. En una néurula el ectodermo ya no es competente: el injerto forma notocorda, pero no induce ningún segundo tubo neural. 22. Dividido en el plano de la media luna: dos embriones completos; perpendicularmente: un embrión y una bola de tejido ventral. 23. Solo: una bola epidérmica. Con células vegetativas: mesodermo — músculo, notocorda — inducido en el casquete. 24. Para demostrar que el segundo eje se había inducido en células del huésped y no lo había construido el injerto; si el injerto hubiera sido indistinguible, no podría haberse descartado la autodiferenciación. Un injerto de otra especie funciona (usaron dos especies de tritón), y eso es lo que hizo distinguibles las células. 25. Duodécima segmentación, 4096 células, a las 6,75 horas aproximadamente; bandas de 38 y $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ , y todo lo que queda más allá de $105\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

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