¿Cómo un organismo va de una sola célula a algo tan complejo como una rana, una mosca o un humano? Aprende los principios básicos del desarrollo.

Puntos más importantes:

  • Un organismo pluricelular se desarrolla a partir de una sola célula (el cigoto) para dar lugar a una colección de muchos tipos de células diferentes, organizadas en tejidos y órganos.
  • El desarrollo implica la división celular, la formación del eje corporal, el desarrollo de tejidos y órganos, y la diferenciación celular (el lograr una identidad de tipo celular definitiva).
  • Durante su desarrollo, las células utilizan tanto información intrínseca, o heredada, como señales extrínsecas de las vecinas para "decidir sobre" su comportamiento e identidad.
  • Por lo general, las células se vuelven cada vez más restringidas en su potencial de desarrollo (los tipos de células que pueden producir) a medida que avanza el desarrollo.

Introducción

Tu, amigo mío, eres una colección de más de 3030 billones\text{billones} de células1^1 que caminan, hablan, piensan y aprenden. Pero no siempre fuiste tan grande y complejo. De hecho, tu (como todos los demás seres humanos del planeta) comenzaste como una sola célula: un cigoto, o el producto de la fertilización. Entonces, ¿como se formó tu complejo y sorprendente cuerpo?

El desarrollo: panorama general

Durante el desarrollo, un humano u otro organismo pluricelular, llevan a cabo una sorprendente transformación, una tan impresionante como la metamorfósis de una oruga que se convierte en una mariposa. En el transcurso de horas, días o meses, el organismo pasa de ser una sola célula llamada cigoto (el producto del encuentro del óvulo y el espermatozoide), a una inmensa y bien organizada colección de células, tejidos y órganos.
A medida que el embrión se desarrolla, sus células se dividen, crecen y migran en patrones específicos para producir un cuerpo cada vez más elaborado. Para funcionar correctamente, ese cuerpo necesita ejes bien definidos (como cabeza-cola). También necesita una colección específica de órganos multicelulares y otras estructuras ubicados en los lugares correctos a lo largo de los ejes y conectados entre sí de la forma adecuada.
Las células del cuerpo de un organismo deben también especializarse en muchos tipos funcionalmente diferentes a medida que el desarrollo continúa. Tu cuerpo (o inclusive el de un recién nacido) contiene una amplia variedad de tipos celulares diferentes, desde neuronas, a células hepáticas, hasta células sanguíneas. Cada uno de estos tipos celulares se encuentra solo en ciertas partes del cuerpo—en ciertos tejidos de ciertos órganos—donde su función es necesaria.
¿Y cómo se va dando esta intricada danza celular? El desarrollo está en su mayor parte bajo el control de genes. Los tipos de células maduras del cuerpo, como las neuronas y células hepáticas, expresan diferentes conjuntos de genes, que les dan sus propiedades y funciones únicas. De la misma manera, las células durante su desarrollo también expresan conjuntos específicos de genes. Estos patrones de expresión genética guían el comportamiento de las células y les permiten comunicarse con sus vecinas, lo que coordina el desarrollo.
En este artículo y los siguientes, veremos más de cerca principios y ejemplos de desarrollo.

Algunos procesos básicos del desarrollo

Cada organismo se desarrolla de diferente forma, pero hay algunas cosas básicas que deben suceder durante el desarrollo embrionario de casi cualquier organismo.
  • El número de células debe incrementarse por división.
  • Deben formarse ejes corporales (cabeza-cola, derecha-izquierda, etc.).
Diagrama basado en el diagrama del ciclo de vida de la rana según Xenbase2^2.
  • Se deben formar tejidos, además los órganos y estructuras deben adoptar sus formas.
    Diagrama basado en el diagrama del ciclo de vida de la rana según Xenbase2^2.
  • Las células individuales deben adquirir su identidad definitiva de tipo celular (p.ej. neurona).
Para ser más claros, estos procesos no son eventos separados que suceden uno después del otro, sino que se llevan a cabo de manera simultánea a medida que el embrión se desarrolla.
Por ejemplo, los diferentes ejes corporales (como cabeza-cola, izquierda-derecha) se establecen en momentos diferentes durante el desarrollo temprano, mientras las células del embrión están dividiéndose. De manera similar, la formación de un órgano requiere división celular para su creación, así como diferenciación (células que adoptan su identidad definitiva) para asegurar que las células correctas formen parte de las partes correctas del órgano.

Fuentes de información en el desarrollo

¿Cómo saben las células lo que deben hacer durante el desarrollo? Es decir, ¿cómo sabe una célula el momento y la forma para migrar, dividirse y diferenciarse? En términos generales, hay dos tipos de información que guían el comportamiento de las células:
  • Información intrínseca (linaje) heredada de la célula madre por división celular. Por ejemplo, una célula puede heredar moléculas que le "digan" que pertenece al grupo de células neuronales o nerviosas.
  • Información extrínseca (posicional) recibida de los alrededores de la célula. Por ejemplo, una célula puede recibir señales químicas de su vecina, para convertirse en un tipo particular de fotoreceptor (neurona que detecta la luz).
Durante el desarrollo, las células utilizan con frecuencia información intrínseca y extrínseca para tomar decisiones acerca de su identidad y comportamiento. ¡Por supuesto que en realidad no "deciden" al pensar en el problema como lo haríamos tú y yo! En su lugar, las células toman decisiones de la forma que lo haría una calculadora o una computadora: mediante genes y proteínas para realizar operaciones lógicas que calculan la mejor respuesta.

Diferenciación, determinación y células madre

Durante el desarrollo, las células tienden a quedar cada vez más restringidas en su "potencial de desarrollo." 3^3 Es decir, los tipos de células que pueden producir por división celular (o en las que se pueden convertir directamente) cada vez son menos.
Por ejemplo, un cigoto humano puede dar origen a todos los tipos de células del cuerpo humano, así como las células que componen la placenta. Para usar vocabulario del campo de las células madre, esta habilidad de dar origen a todos los tipos celulares del cuerpo y placenta, hace del cigoto una célula totipotente. Sin embargo después de varias etapas de división celular, las células del embrión pierden su habilidad para dar origen a células de la placenta y quedan más restringidas en su potencial (pluripotente)4^4. Estos cambios son debidos a alteraciones en el conjunto de genes expresados en las células.
Con el tiempo, las células del embrión se dividen en tres diferentes grupos conocidos como capas germinales: mesodermo, endodermo y ectodermo. Cada capa germinal, bajo circunstancias normales, dará origen a un conjunto determinado de tejidos y órganos.
Imagen modificada de Some of the cells that arise from animal gastrulas with three germ layers, por Chinami Michaels, the Embryo Project Encyclopedia, CC BY-NC-SA 3.0
A medida que las células de una capa germinal continúan dividiéndose, interactuando con sus vecinas y leyendo su información interna, sus "opciones" de destino celular serán cada vez más escasas. Al principio, las células pueden estar especificadas, marcadas para cierto destino, pero ser capaces de cambiar con las señales adecuadas. Más adelante, pueden convertirse en determinadas, lo que significa que están comprometidas con cierto destino de manera irreversible. Una vez que una célula es determinada, aunque se le mueva a un nuevo ambiente, se diferenciará como el tipo de célula para el que se ha comprometido5^5.
Al final, la mayoría de las células en el cuerpo se diferencian o adoptan una identidad estable y definida. Algunos ejemplos de tipos de células diferenciadas en el cuerpo humano incluyen las neuronas, las células que recubren el intestino y los macrófagos en el sistema inmune que devoran invasores bacterianos. Cada tipo de célula diferenciada tiene un patrón de expresión genética específico que mantiene estable. Los genes expresados en un tipo de célula especifican proteínas y ARN funcionales necesarios para ese tipo celular en particular, que le dan la estructura y función correctas para hacer su trabajo.
Panel izquierdo: célula del hígado. La célula del hígado contiene proteínas de la enzima alcohol deshidrogenasa. Si miramos en el núcleo, vemos que se expresa el gen de la alcohol deshidrogenasa para hacer el ARN, mientras que no se expresa el gen del neurotransmisor. El ARN se procesa y se traduce, por esa razón las proteínas de la alcohol deshidrogenasa se encuentran en la célula.
Panel derecho: neurona. La neurona contiene proteínas neurotransmisoras. Si miramos en el núcleo, vemos que no se expresa el gen de la alcohol deshidrogenasa para hacer su ARN, mientras que sí se expresa el gen del neurotransmisor. El ARN se procesa y se traduce, por esa razón las proteínas neurotransmisoras se encuentran en la célula.
Por ejemplo, el diagrama de arriba muestra dos genes expresados de manera diferente en una célula hepática y una neurona. Uno de ellos, que codifica parte de una enzima que descompone el alcohol y otras toxinas, se expresa solo en la célula hepática (y no en la neurona). El otro, que codifica un neurotransmisor, se expresa solo en la neurona (y no en la célula hepática). Muchos otros genes se expresarían de manera distinta en estos dos tipos celulares.

Células madre adultas

No todas las células en el cuerpo humano se diferencian. Algunas células en el cuerpo adulto conservan la habilidad de dividirse y producir múltiples tipos de células. Entre ellas están las células madre adultas, que por lo general son multipotentes: pueden producir más de un tipo de célula, pero no una gran variedad4^4. Por ejemplo, los hemocitoblastos de la médula ósea pueden generar todos los tipos de célula del sistema sanguíneo (abajo), pero no otros tipos como neuronas o células de la piel.
Imagen modificada de Sistema hematopoyético de la médula ósea, por OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
La marca distintiva de las células madre es que experimentan una división celular asimétrica, producen dos células hijas diferentes entre sí. Una de las hijas sigue siendo una célula madre, un proceso llamado autorenovación (la celula en división se "renueva" a sí misma creando una hija funcionalmente idéntica). La otra célula hija adopa una identidad diferente, ya sea al diferencirse directamente como un tipo de célula necesaria o al sufrir divisiones adicionales para crear más células.
Imagen modificada de Sistema hematopoyético de la médula ósea, por OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
Puedes aprender más acerca del desarrollo y ver más ejemplos de sus principios y procesos en los siguientes artículos:
  • Desarrollo de la rana: aprende acerca del desarrollo temprano de las ranas. Además: ¡ve un experimento que produce una salamandra de dos cabezas!
  • Genes homeóticos: aprende acerca de los genes "reguladores maestros" que determinan segmentos completos o estructuras del cuerpo. Además: ¡ve una mosca con patas que salen desde su cabeza!
Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas

  1. Bianconi, Eva, Allison Piovesan, Federica Facchin, Alina Beraudi, Raffaella Casadei, Flavia Frabetti, Lorenza Vitale, Maria Chiara Pelleri, Simone Tassani, Francesco Piva, Soledad Perez-Amodio, Pierluigi Strippoli & Silvia Canaider. "An Estimation of the Number of Cells in the Human Body." (Una estimación del número de células en el cuerpo humano)" Annals of Human Biology 40, #6 (2013): 463-471. http://dx.doi.org/10.3109/03014460.2013.807878.
  2. "Introduction to Xenopus, the Frog Model" (Introducción a Xenopus, el modelo de la rana) Xenbase, consultado el 8 de julio de 2016, http://www.xenbase.org/anatomy/intro.do.
  3. "Chapter 11. Development: Differentiation and Determination (Capítulo 11. Desarrollo: diferenciación y determinación)", KAP Genetics and Development, visitado el 8 de julio de 2016, http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap11/Chapter_11.html.
  4. "What Is the Difference Between Totipotent, Pluripotent, and Multipotent?" (¿Cuál es la diferencia entre totipotencial, pluripotencial y multipotencial?) NYSTEM: New York State Stem Cell Science, consultada el 8 de julio de 2016, http://stemcell.ny.gov/faqs/what-difference-between-totipotent-pluripotent-and-multipotent.
  5. Scott F. Gilbert, "The Developmental Mechanisms of Cell Specification" (Mecanismos de desarrollo de la especificación celular), en Developmental Biology, 6a ed. (Sunderland: Sinauer Associates, 2000), http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9968/.

Referencias

Bianconi, Eva, Allison Piovesan, Federica Facchin, Alina Beraudi, Raffaella Casadei, Flavia Frabetti, Lorenza Vitale, Maria Chiara Pelleri, Simone Tassani, Francesco Piva, Soledad Perez-Amodio, Pierluigi Strippoli & Silvia Canaider. "An Estimation of the Number of Cells in the Human Body." (Una estimación del número de células en el cuerpo humano) Annals of Human Biology 40, #6 (2013): 463-471. http://dx.doi.org/10.3109/03014460.2013.807878.
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"What Is the Difference Between Totipotent, Pluripotent, and Multipotent?"(¿Cuál es la diferencia entre totipotencial, pluripotencial y multipotencial?) NYSTEM: New York State Stem Cell Science, consultada el 8 de julio de 2016, http://stemcell.ny.gov/faqs/what-difference-between-totipotent-pluripotent-and-multipotent.
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