“AÑO DEL BUEN CIUDADANO” UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO E.A.P CIENCIAS BIOLÓGICAS
BIOLOGÍA DE LA REPRODUCCIÓN Reproducción en equinodermos - erizos de mar ALUMNOS:
Alipio Rodríguez Anavelly Asmat Fernandez Luis Avila Bocanegra Caroline Bacilio Tacanga Eliza Bendezú Agilar Leydy Benites Ruiz Stefany Cabeza Quispe Greisy Capos León Diego Carhuajulca Jara Guadalupe Carranza Rodríguez Nelly Chaves Alcántara Claudia
CICLO: VIII POFESOR COORDINADOR: JUAN MURO MOREY
AÑO:
2016
DESARROLLO TEMPRANO DE LOS ERIZOS DE MAR Los equinodermos son exclusivamente marinos y generalmente son animales bentónicos; la clase equinoideos se les da los nombres vulgares de erizos de mar, erizos acorazonados, entre otros. Estos no presentan brazos, sino que tienen forma esférica u ovalada y el cuerpo adopta un aspecto globoso o aplanado según el eje oral-aboral. La mayoría de los erizos de mar presentan púas largas (primarias) y cortas (secundarias) distribuidas de forma más o menos homogénea por toda la superficie del cuerpo. (Míguez y Rodríguez, 2009) En cuanto a su reproducción los erizos de mar son especies dioicas, aunque en ocasiones se han observado casos de hermafroditismo. Los erizos regulares poseen cinco gónadas que se encuentran suspendidas a lo largo de la cara interna de cada una de las zonas interambulacrales del caparazón. Desde cada gónada parte un corto gonoducto hasta uno de los gonoporos, que están situados en las cinco placas genitales. Los óvulos y espermatozoides se liberan en el agua del mar, donde se produce la fecundación; unos pocos erizos de mar y erizos acorazonados de aguas frías incuban sus huevos. (Rupert y Barnes, 1996) Segmentación En Erizos De Mar Los erizos de mar presentan segmentación holoblástica radial. Las primeras siete divisiones son “estereotípicas” en las que se sigue el mismo patrón en cada individuo dentro de una especie. La primera y la segunda segmentación son meridionales y se disponen perpendiculares entre si. Es decir, los surcos de segmentación pasan a través de los polos animal y vegetal. La tercera segmentación es ecuatorial, perpendicular a los dos primeros planos de segmentación y separa entre sí los hemisferios animal y vegetal. Sin embargo, la cuarta segmentación es muy diferente de las primeras tres. Las cuatro células
del piso
o
nivel animal se
dividen meridionalmente
en ocho
blastómeras, cada una con el mismo volumen. Estas ocho células son denominadas mesosomas. Sin embargo, el piso o nivel vegetal experimenta una segmentación ecuatorial desigual para producir cuatro células grandes, las macromeris y cuatro microcamaras mas pequeñas en el polo vegetal. Cuando las 16 células del embrión se segmentan, las ocho mesoneras “animales” se dividen ecuatorial mente para producir dos niveles, an1 y an 2, uno encima de otro. Las macromeris se dividen meridionalmente y forman un nivel de ocho células por debajo de an2. Las micromeras también se dividen, aunque un poco más tarde, produciendo un pequeño grupo por debajo del nivel más grande. Durante la sexta segmentación, las células del hemisferio animal se dividen meridionalmente mientras que las células vegetales se dividen ecuatorial mente; este patrón es revertido en la séptima división. En este momento, el embrión es una blástula de 128 células y el patrón de divisiones llega a ser menos regular. Formulación de la blástula El estadio de la blástula en el erizo de mar en desarrollo comienza durante la etapa de 128 células. Aquí las células forman una esfera hueca que rodea a una cavidad central, o blastocele. En este momento, todas las células tienen el mismo tamaño, los micrómeros han enlentecido su división celular. Cada una de las células está en contacto con el líquido proteináceo del bastocele sobre el interior y con la capa hialina sobre el exterior. Las uniones estrechas unen las blastómeras que antes estaban conectadas laxamente formando una lámina epitelial continua que rodea completamente el blastocele. ( Dan Sohkawa y Fujisawa 1980). A medida que las células continúan dividiéndose la blástula sigue siendo una capa celular gruesa, adelgazándose mientras se expande. Esto es llevado a cabo mediante la adhesión de las blastómeras a la capa hialina y mediante la influencia de agua que expande al blastocele. (Dan 1960, Wolpet y Gustafson 1961; Ettensolm e Ingersoll 1992). Estas segmentaciones celulares rápidas e invariables duran hasta la novena o décima división, según la especie. En este momento, las células han llegado a
ser especificadas y terminan desarrollando cilios. La blástula ciliada comienza a rotar dentro de la membrana de fecundación. Poco tiempo después, se observa diferencias en la célula. Las células en el polo vegetal de la blástula comienzan a engrosarse, formando una placa vegetal. Las células del hemisferio animal sintetizan y secretan una enzima fecundación.
(Lepage
y
de eclosión que digiere la membrana de
col.1992).
El
embrión
es
ahora
una
blástula
eclosionada que nada libremente.
Figura 1. microfotografia de la segmentacion en embriones de erizo de mar Lytechinus variegatus. A. embrion de una celula (cigoto). B. estadio de dos celulas. C. Estadio de 8 celulas. D. estadio de 32 celulas, formacion de las micrómeras en el polo vegetal.
Figura 2. formacion de
blastula
MAPAS DE DESTINO Y DETERMINACIÓN DE LAS BLASTÓMERAS DEL ERIZO DE MAR DETERMINACIÓN DEL DESTINO CELULAR. El primero de los mapas de destino de los embriones de erizo de mar siguió a los descendientes de cada una de las blastómeras del estadio de 16 células. Las investigaciones más recientes han refinado estos mapas al seguir el destino de células individuales que han sido inyectadas con marcadores fluorescentes tales como dil. Estos marcadores “brillan” durante muchas divisiones celulares en las progenies de las células inyectadas. Tales estudios han demostrado que en el estadio de 60 células, la mayoría de los destinos celulares embrionarios están especificados, pero que las células no están comprometidas de manera irreversible. En otras palabras, blastómeras particulares producen sistemáticamente los mismos tipos celulares en cada embrión, pero estas células se mantienen pluripotentes y pueden dar origen a otros tipos celulares si son colocadas experimentalmente en una parte diferente del embrión. En la figura 8-9. Se muestran un mapa de destino de un embrión de erizo de mar de 60 células (Logan y McClay 1999; Wray 1999). La mitad animal del embrión da origen sistemáticamente al ectodermo, la piel y neuronas de la larva. La capa vegetativa 1 produce células que pueden entrar en los órganos ectodérmicos o endodérmicos. La capa vegetativa 2 da origen a células que pueden poblar tres estructuras diferentes: el endodermo, el celoma (la pared corporal
interna)
y
el
mesénquima
secundario
(Células
pigmentadas,
inmunocitos y células musculares). El primer piso o nivel de micrómeras produce células del mesénquima primario que forman el esqueleto de la larva, mientras que el segundo nivel de micrómeras contribuye con células para el celoma (Logan y McClay 1999, 1999). Aunque las blastómeras tempranas tienen distintos constantes en la larva, la mayor
parte
de
estos
destinos
son
alcanzados
median
especificación
condicional. Las únicas células cuyos destinos son determinados de manera autónoma son las micrómeras esqueletogénicas. Si estas micrómeras son
aisladas del embrión y colocadas en tubos de ensayo, todavía formaran espículas esqueléticas además si son trasplantadas a la región animal de la blástula, no solo sus descendientes formaran espículas esqueléticas, sino que las micrómeras trasplantadas alteraran los destinos de las células vecinas al inducir un sitio secundario para la gastrulación. Las células que normalmente deberían haber producido células ectodérmicas de la piel serán reespecificadas como ectodermo y producirán un intestino secundario (fig. 8-10; Horstadius 1973; Ransik y Davidson 1993). Las micrómeras parecen producir una señal que le dice a las células adyacentes que se conviertan en endodermo y las induce a invaginarse dentro del embrión. Su capacidad para reorganizar las células embrionarias es tan pronunciada que si las micrómeras aisladas son recombinadas con un casquete animal aislado (los dos pisos o niveles animales superiores), las células del casquete animal generaran endodermo y se desarrollará una larva más o menos normal (fig. 8-11; Horstadius 1939) Β-CATENINA Y ESPECIFICACION DE LA MICROMERA: La molécula responsable de la especificación de las micrómeras y su capacidad para inducir a las células vecinas parece ser la β-catenina la cual es un factor de transcripción que es activado con frecuencia por la via Wnt. Varias piezas de evidencia sugieren que esta específica a las micrómeras. En primer lugar, durante el desarrollo normal del eriza del mar, la β-catenina se acumula en los núcleos de las células destinadas a convertirse en endodermo y mesodermo. Esta acumulación es autónoma y puede producirse aún si los precursores de la micromera son separados del resto del embrión. En segundo lugar, esta acumulación nuclear parece responsable de la especificación de la mitad vegetal del embrión. Es posible que los niveles de acumulación
nuclear
de
β-catenina
ayuden
a
determinar
los
destinos
mesodérmico y endodérmico de las células vegetales. Tratando los embriones de erizo de mar como cloruro de litio se provoca la acumulación de β-catenina en cada una de las células, este tratamiento también transforma el ectodermo presuntivo en endodermo.
Finalmente la β-catenina es esencial para darle a las micromeras su capacidad inductiva .Los experimentos demostraron que las micromeras eran capaces de inducir un segundo eje embrionario cuando eran trasplantadas el hemisferio animal .Sin embargo las micromeras de los embriones en las que se evitó el ingreso en el núcleo de la β-catenina fueron incapaces de inducir a las células animales a formar endodermo y no se formó un segundo eje .La β-catenina se une al factor de transcripción TCF en el núcleo, permitiéndole a este funcionar en la activación del gen. La especificación de las micromeras de la β-catenina esta medida por el Pmar 1 .Este gen codifica un factor de transcripción homedomio que actúa como un represor transcripcional .El gen todavía no identificado cuyo producto es un represor
general
de
varios
genes
que
caracterizan
a
las
células
mesenquimáticas primarias. Uno de los temas del desarrollo animales que la activación es con frecuencia llevada a cabo a través de la represión de un represor .Algunos de los genes liberados de la represión por las acciones del producto Pmar1 codifica factores de transcripción como (Tbr, Ets y Dri) que dirigen la esqueletogénesis mientras que otros como Delta son responsables de señalizar la capa de células de veg para convertirse en endodermo y mesénquima secundario. Especificación de las células vegetales
En un embrión normal las células vegetales son especificadas por tres ondas de señales, la primera modela los niveles de beta-catenina especificando a las células a ser endomesodermo, a continuación dos grupos de señales inductivas se emiten desde las micrómeras. La primera es una “señal veg2 temprana “secretada por las micrómeras inmediatamente después de su formación en la cuarta segmentación. Esta señal amplifica la especificación del mesendodermo establecida por la beta-catenina. Luego la proteína Delta sobre las micrómeras activa la vía Notch en las células veg2 adyacentes. La vía Notch hace que estas células lleguen a ser mesénquima secundario en lugar de endodermo. Parece ser que ambas señales son necesarias en este orden particular, y si una no está presente, las células Veg2 fracasan
en la producción de mesénquima
secundario o endodermo. Todavía no se conoce la identidad de la señal temprana pero esto puede crear competencia a las células veg2 para responder a la segunda señal. Finalmente Wnl8 parece ser producido por las células del endodermo (células del endomesodermo que no reciben la señal Delta) Wnl8 parece actuar de una manera endocrina estimulando la especificación del endodermo. (Ransick y Davidson, 1993)
Fig 3. Capacidad de las micrómeras para inducir células ectodérmicas presuntivas adquirir otros destinos A. Desarrollo normal de un embrión normal de un erizo de mar de 64 células que muestra los destinos de las diferentes capas. B. Un hemisferio animal aislado se convierte en una esfera ciliada de células ectodérmicas. C. Cuando un hemisferio animal aislado es combinado con micrómeras aisladas, se forma una larva plútea reconocible, con todos los derivados del endodermo a partir del hemisferio animal
Fig. 4 Papel de la beta-catenina en la especificación de las células vegetales del embrión de los erizos de mar. A. Durante el desarrollo normal, la beta-catenina se acumula predominantemente en las micrómeras y algo menos en las hileras de las células Veg2. B. Cuando el tratamiento con cloruro de litio le permite a la beta-catenina acumularse en los núcleos de todas las células de la blástula, las células animales llegan a ser específicas como endodermo y mesodermo. C. Cuando se evita el ingreso de la beta-catenina en los núcleos, los destinos de las células vegetales no son específicas y el embrión en su totalidad se desarrolla como una esfera de ectodermo ciliado.
Diferenciación: combinaciones de factores de transcripción. La diferenciación de una célula animal consiste en la reprogramación genética de una célula madre, y supone la activación y represión de miles de genes en un proceso secuencial, hasta dar una célula terminalmente diferenciada. Los factores de transcripción controlan la expresión de los genes uniéndose a secuencias específicas en su promotor, pero la activación correcta del gen requiere la combinación de varios factores de transcripción que cooperan para remodelar la cromatina y permitir el acceso y activación de la RNA polimerasa. La expresión de los genes se puede regular a nivel de su transcripción y también
a
nivel
postranscripcional.
Los
mecanismos
de
regulación
postranscripcional incluyen los que controlan la estabilidad de los mRNAs, su tasa de traducción por los ribosomas o la estabilidad de la proteína codificada por el mRNA, siendo este último el mecanismo de regulación postranscripcional más importante. Sin embargo, el mecanismo prevalente por el que se regula la expresión de los genes es a nivel de su transcripción, pues los niveles de proteína, para una mayoría de genes, se correlacionan con los niveles de mRNA. La transcripción de un gen silente es activada por factores de transcripción, denominación muy imprecisa. En un sentido amplio se pueden definir como proteínas con capacidad de interaccionar con secuencias específicas de DNA y regular su actividad transcripcional por uno u otro mecanismo. (West, A. y Fraser,2005)
Estos mecanismos son diversos, como se repasan luego. Para unirse al DNA se dispone de una colección limitada de dominios proteicos de interacción con DNA. Además de los factores de transcripción «bona fide» hay una serie de corepresores y co-activadores que, si bien no interaccionan con el DNA o no lo hacen de manera específica de secuencia, se unen a los factores de transcripción modificando su actividad en un sentido positivo o negativo. Una vez que estos factores de transcripción están presentes en sus regiones específicas. Pueden activar los genes que caracterizan a los diferentes tipos celulares en el embrión. Uno de estos genes mejor estudiados es aquel para la proteína endodérmica (endo 16). Endo16 parece ser un producto secretado de las células endodérmicas y no se conoce su función. Sin embargo, sirve como una proteína marcadora para los tejidos específicos del intestino. Eric Davidson (2002, p. 54) al escribir acerca de Ja investigación de endo 16 observó: "Lo que surge es asombroso: una red lógica de interacciones programadas en la secuencia de DNA que asciende esencialmente a un dispositivo integrado computacional''. Un resumen de esta lógica computacional se muestra en la figura 8-14. La figura 8-14A resume la especificación del endodermo. mientras que la figura 8-l4B muestra una porción de la red regulatoria que activa al gen endo 16. La región regulatoria corriente arriba de endo 16 contiene siete elementos modulares con al menos trece factores de transcripción diferentes unidos. Algunas de estas regiones modulares activan la transcripción de endo 16, mientras que otros módulos actúan inhibiendo la transcripción de endo 16. En la figura 8-14B los módulos 1 y 2 activan la expresión de endo 16 en las células vegetales (previamente a la gastrulación) y en el intestino medio (durante y después de la gastrulación). Los módulos inhibitorios son activados en aquellas otras células que no serán endodermo. Por lo tanto, las diferentes regiones de la región regulatoria de endo 16 actúan sinérgicamente para asegurar que el gen endo 16 es expresado solamente en el endodermo del intestino medio (fig. 8- l4C) y no en otros tipos celulares.
Referencias Bibliográficas
Davidson, EH; JP Rast; P. Oliveri; et al (2002). "Una red regulatoria genómica para el desarrollo". La ciencia. 295 (5560): 166978. PMID 11872831 . doi : 10.1126 / science.1069883 . West, A. G., y Fraser, P. (2005) Control remoto de la transcripción génica. Molecular humanogenética 14, R101-111.
ESPECIFICACIÓN DE EJES En la blástula del erizo de mar, los destinos celulares se alinean a lo largo del eje animal vegetal establecido en el citoplasma del ovulo antes de la fecundación. El eje animal vegetal también parece estructurar el futuro eje anteroposterior, con la región vegetal secuestrando aquellos componentes maternos necesarios para el desarrollo posterior (Boveri 1901, Maruyama y col. 1985). En la mayoría de los erizos de mar, los ejes dorsoventral e izquierda a derecha son especificados después de la fecundación, pero el modo de su especificación no es bien entendido. El eje oral aboral (ventral dorsal) de los embriones de erizo de mar en general es definido por el primer plano de segmentación. La inyección de marcadores trazadores de linaje en una blastómera en el estadio de dos células demostró que en casi todos los casos, el polo oral del futuro eje oral-aboral se instala a 45 grados en sentido horario desde el primer plano de segmentación visto del polo animal (Cameron y col.1989).
Curiosamente, en los erizos de mar que evitan entrar estadio larval para desarrollarse directamente a juveniles, el eje dorsoventral es especificado maternamente en el citoplasma del ovulo (Henry y Raff 1990).
En etapas iniciales de blastulación los destinos celulares específicos se orientan a lo largo del eje animal vegetal establecido en el óvulo previo al proceso de fecundación. Además, este eje incluye como función la estructuración del futuro eje antero-posterior, en dónde células del hemisferio vegetal secuestran componentes moleculares específicos y heredados maternalmente para la correcta inducción del desarrollo posterior en dicha región. El eje dorso-ventral normalmente es especificado durante estadios más avanzados del desarrollo posteriores a procesos de fecundación, generalmente por el primer plano de segmentación sucedida en el clivaje Especificación celular del erizo de mar (Sea urchin cell specification). La especificación de las células del erizo de mar fue uno de los primeros proyectos principales de investigación en embriología experimental y continua siendo una de las áreas fascinantes de la investigación .Parece que la señalización inicial analiza a la blástula en dominios caracterizados por la expresión de factores de transcripción específicos.
Cara dorsal (aboral) y cara ventral (oral) del caparazón de un equinoideo.
Gastrulación en el erizo de mar La blástula tardía del erizo de mar consiste en una única capa cerca de 1000 células que forman una esfera hueca, algo aplanada en su extremo vegetal. Las blastómeras, derivadas de diferentes regiones del cigoto, tienen distintos tamaños y propiedades. Las figuras 8-15 y 8-16 muestran los destinos de varias regiones de la blástula cuando está se desarrolla durante la gastrulación al estado de larva plútea característico de los erizos de mar.El destino de cada capa celular puede ser visto a través de sus movimientos durante la gastrulación. INGRESIÓN DEL MESÉNQUIMA PRIMARIO Función de las células mesenquimáticas primarias Poco tiempo después de la eclosión de la blástula de su membrana de fecundación, el lado vegetal de la blástula esférica comienza a engrosarse y se aplana (fig.8-16, 9 horas).En el centro de esta placa vegetal plana, un grupo de células pequeñas comienza a cambiar. Estas células comienzan a contraer y extender desde su superficie interna largas y finas prolongaciones (30 x 5 µm) denominadas filopodios .Luego se disocian de la monocapa epitelial y llevan a cabo la Ingresión en el blastocele (fig. 8-16; 9-10 horas).En estas células, derivadas de las micrómeras y denominadas el mesénquima primario formaran el esqueleto larval, de modo tal que a veces son denominadas el mesénquima esqueletogénico .Al principio las células parecen moverse azarosamente a lo largo de la superficie
interna del blastocele, formando y deshaciendo conexiones filopodiales con la pared del blastocele. Finalmente, sin embargo, llegan a estar localizados dentro de la región ventrolateral prospectiva del blastocele, donde se fusionan en cables sincitales, que formaran el eje de las espículas de carbonato de calcio del esqueleto larval. IMPORTANCIA DE LA LÁMINA EXTRACELULAR DENTRO DEL BLASTOCELE La ingresión de las micrómeras que descienden hacia el blastocele es el resultado de que estas células pierdan su afinidad por sus vecinas y por la membrana hialina; en su ligar adquieren una fuerte afinidad por un grupo de proteínas que revisten el blastocele. Este modelo fue propuesto primero por Gustalson y Wolpert (1967) y fue confirmado en 1985, cuando Rachel Fink y David McClay midieron las fuerzas de adhesión de las blastómeras del erizo de mar a la capa hialina; a la lámina basal que reviste al blastocele y a otras blastómeras. Originalmente, todas las células de la blástula están conectadas sobre su superficie interna a la lámina basal secretada por las células. Sobre sus superficies laterales, cada célula tiene a otra célula del ectodermo y del endodermo prospectivo (descendientes de las mesómeras y macrómeras, respectivamente) se unen estrechamente entre sí y a la capa hialina, pero solo se adhieren laxamente a la lámina basal. Las micrómeras originalmente exhiben un patrón de unión similar. Sin embargo, el patrón de las micrómeras cambia en la gastrulación. Mientras que las otras células retienen su unión estrecha a la capa hialina y a las células vecinas, los precursores del mesénquima
primario
pierden
su
afinidad
por
estas
estructuras
(que
descienden cerca de un 2 % de su valor original), mientras que su afinidad por los componentes de la lámina basal y de la matriz extracelular (como fibronectina) aumenta un céntuplo. Este cambio de afinidad hace que las micrómeras liberen sus adhesiones y se retraigan por la lámina basal, para migrar
hacia
el
blastocele.
Estos
cambios
en
la
afinidad
han
sido
correlacionados con cambios en las moléculas de superficie celular que se producen durante esta etapa (Wessel y McClay 1985). Se ha demostrado que
proteínas tales como fibronectina, integrina, laminina L1 y caderinas, están involucradas en la ingresión celular.
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Míguez-Rodríguez, L. J. (2009). Equinodermos (Crinoideos, Equinoideos y Holothuroideos), litorales, batiales y abisales de Galicia. (Tesis doctoral). Universidad de Santiago de Compostela, Santiago de Compostela.
Ransick, A. & Davidson, E. H. (1993). A complete second gut induced by transplanted micromers in the sea urchin embryo. Science, 259: 11341138
Ruppert, Edward y Barnes, Robert. (1996). Zoología de los invertebrados. 6ª ed. México: McGraw-Hill interamericana editores.
Davidson, EH; JP Rast; P. Oliveri; et al (2002). "Una red regulatoria genómica para el desarrollo". La ciencia. 295 (5560): 166978. PMID 11872831 . doi : 10.1126 / science.1069883 .
West, A. G., y Fraser, P. (2005) Control remoto de la transcripción génica. Molecular humanogenética 14, R101-111.
Gilbert .2005.Biologia del desarrollo. 7ª edición, Editorial Médica Panamericana. Montevideo .Uruguay