Principios Fundamentales de la Biología del Desarrollo

Relación entre Forma y Función

Todo cambio de forma tiene una función; ambas están intrínsecamente relacionadas porque existe una presión evolutiva para que así sea. Hay casos donde, estudiando la forma de una estructura, podemos obtener información valiosa sobre su función.

Biología Celular del Desarrollo

Esta disciplina trata de entender los mecanismos moleculares y celulares que subyacen en el proceso de transformación de una única célula en un organismo completo. Su estudio no se limita al periodo prenatal, sino que también abarca el desarrollo postnatal.

Fases y Procesos Clave

Fases del Desarrollo

• Mórula
• Blástula
• Gástrula
• Néurula

Procesos del Desarrollo

• Fecundación
• Segmentación
• Gastrulación
• Neurulación
• Organogénesis

Hitos Históricos en la Embriología Experimental

• Weismann: Propuso la existencia de partículas (cromosomas) dentro del núcleo que dirigían el desarrollo y que, al dividirse la célula, cada célula hija recibía partículas diferentes.
• Roux: Realizó experimentos quemando una parte de un embrión para estudiar su desarrollo posterior.
• Driesch: Separó células de embriones de erizo de mar y observó que cada una podía dar lugar a una larva completa, demostrando la regulación del desarrollo.
• Spemann y Mangold: En su famoso experimento, trasplantaron un trozo del labio dorsal del blastoporo de un embrión a otra zona, lo que indujo la formación de una segunda notocorda durante la gastrulación.
• Nicole Le Douarin: Desarrolló la técnica de los mapas de destino para seguir el camino que toman las células durante el desarrollo, utilizando células de codorniz en embriones de pollo para poder diferenciarlas y trazar su recorrido.

Genética del Desarrollo

Genes de Mantenimiento (Housekeeping Genes)

Son genes implicados en funciones celulares básicas y de mantenimiento, como la producción de ATP. Se distinguen de los genes específicos del desarrollo. Si sus alelos mutan, pueden provocar patrones anormales de desarrollo embrionario. Aunque no son esenciales para la vida celular básica, sí lo son para que el organismo se desarrolle correctamente.

Conceptos Clave en Genética

Tipos de Mutaciones

• Letales: Provocan la muerte del individuo.
• Dominantes: Se manifiestan en el fenotipo con un solo alelo (una sola copia).
• Semidominantes: El fenotipo es viable con una copia, pero letal en homocigosis.
• Recesivas: Necesitan dos copias del alelo para manifestarse en el fenotipo.

Propiedades de los Alelos Mutados

• Alelo nulo: Elimina completamente la función del gen.
• Alelo neomorfo: La proteína resultante adquiere una función nueva o diferente a la original.
• Alelo dominante negativo: Alelo dominante cuya función es antagónica a la del alelo silvestre.
• Alelo hipomorfo: Disminuye parcialmente la función del gen.

Potencialidad Celular

• Totipotentes: Pueden generar un organismo completo y sus anejos embrionarios.
• Pluripotentes: Pueden diferenciarse en células de cualquiera de las tres capas germinales (ectodermo, mesodermo y endodermo).
• Multipotentes: Pueden generar distintos tipos celulares dentro de su misma capa o linaje.
• Unipotentes: Solo pueden dar lugar a un único tipo celular.

Organismos Modelo en la Biología del Desarrollo

Modelos Simples y Clásicos

• Bacillus: Procariota que, en falta de nutrientes, forma endosporas como mecanismo de defensa. También puede formar estructuras complejas multicelulares llamadas biofilms.
• Saccharomyces: Levadura eucariota que presenta polaridad celular durante su división.
• Dictyostelium: Ameba protista que, bajo condiciones de falta de alimento, se agrega para formar un cuerpo fructífero multicelular (conocido como slug) que presenta polaridad.
• Hydra: Metazoo (cnidario) con simetría radial y una asombrosa capacidad de regeneración. Comparte vías de señalización comunes con los humanos.
• Planaria: Gusano plano simple con una extraordinaria capacidad de regeneración.
• Erizo de mar: Organismo ideal para observar de forma sencilla el proceso de gastrulación.
• Amphioxus: Posee notocorda pero carece de vértebras, considerándose un eslabón evolutivo entre invertebrados y vertebrados.
• Ajolote: Anfibio con una capacidad única para regenerar extremidades, órganos internos e incluso partes del cerebro.
• Xenopus: Anfibio vertebrado no mamífero con una gran complejidad genética, muy utilizado en estudios de desarrollo.

Caenorhabditis elegans (Nematodo)

• Organismo simple, transparente y fácil de cultivar.
• Ciclo de vida corto (3 días) y tamaño pequeño.
• Número constante de células somáticas: 959.
• Su transparencia permite el uso de marcadores fluorescentes para seguir el destino celular.
• Anatomía y desarrollo completamente descritos (eutelia).
• Genoma secuenciado, diploide con 6 pares de cromosomas (5 autosómicos y 1 sexual).
• Existen machos y hermafroditas, permitiendo reproducción sexual y asexual.
• Posee 302 neuronas.

Drosophila melanogaster (Mosca de la fruta)

• Insecto holometábolo (metamorfosis completa).
• Muchos mecanismos y proteínas son similares a los de los seres humanos.
• Genoma secuenciado con 4 pares de cromosomas (3 autosómicos y 1 sexual).
• Ciclo de vida corto (10 días) y alta descendencia.
• Desarrollo externo y visible.
• Dimorfismo sexual: los machos son más pequeños, con los últimos segmentos del abdomen pigmentados de negro. Las hembras son más grandes y con un abdomen más redondeado.
• Para los cruces genéticos, se deben usar hembras vírgenes, ya que almacenan esperma en espermatecas.

Pez Cebra (Danio rerio)

• Vertebrado con un ciclo de vida de 3-4 meses.
• Fácil de mantener y con alta descendencia.
• El embrión y la larva son transparentes, lo que permite visualizar el desarrollo en tiempo real.
• Fecundación externa, facilitando la manipulación de los embriones.
• Genoma secuenciado (25 cromosomas) y procesos de desarrollo similares a los humanos.
• Segmentación telolecítica, donde las divisiones celulares iniciales solo duplican el ADN, y los factores citoplasmáticos se distribuyen de forma asimétrica.

Ratón (Mus musculus)

• Mamífero con gran similitud genética y fisiológica con los humanos.
• Genoma secuenciado y fácil de manipular genéticamente (modelos knock-out, transgénicos, etc.).
• Ciclo de vida corto en comparación con otros mamíferos.
• Desarrollo: Tras la fecundación en las trompas de Falopio, el embrión viaja al útero. La segmentación da lugar al blastocisto, que tiene una capa externa (trofoblasto) y una masa celular interna con dos capas: epiblasto e hipoblasto. Le siguen los procesos de gastrulación, volteo y organogénesis durante la gestación.

Conceptos Adicionales

Somitas

Los somitas son estructuras segmentadas y transitorias que se forman a ambos lados del tubo neural durante el desarrollo embrionario de los vertebrados. Tienen un origen mesodérmico y son cruciales para organizar el patrón segmentario del cuerpo, dando lugar a estructuras como las vértebras, las costillas y los músculos esqueléticos de la espalda.