Esbozo de la extremidad

El esbozo de la extremidad es una estructura que se forma en las primeras etapas del desarrollo de las extremidades de los vertebrados . Como resultado de las interacciones entre el ectodermo y el mesodermo subyacente , su formación se produce aproximadamente en torno a la cuarta semana de desarrollo. ^[1] En el desarrollo del embrión humano, el esbozo de la extremidad superior aparece en la tercera semana y el esbozo de la extremidad inferior aparece cuatro días después. ^[2]

El esbozo de la extremidad está formado por células mesodermales indiferenciadas que están revestidas de ectodermo. ^[3] Como resultado de las interacciones de señalización celular entre el ectodermo y las células mesodermales subyacentes, la formación del esbozo de la extremidad en desarrollo se produce a medida que las células mesenquimales del mesodermo de la placa lateral y los somitas comienzan a proliferar hasta el punto en que crean un bulto debajo de las células ectodérmicas de arriba. ^[4] Las células mesodermales del esbozo de la extremidad que provienen del mesodermo de la placa lateral eventualmente se diferenciarán en los tejidos conectivos de la extremidad en desarrollo, como el cartílago , el hueso y el tendón . ^[3] Además, las células mesodermales que provienen de los somitas eventualmente se diferenciarán en las células miogénicas de los músculos de la extremidad . ^[3]

El esbozo de la extremidad permanece activo durante gran parte del desarrollo de la extremidad, ya que estimula la creación y retención de retroalimentación positiva de dos regiones de señalización: la cresta ectodérmica apical (AER) y la zona de actividad polarizante (ZPA) con las células mesenquimales. ^[3] Estos centros de señalización son cruciales para la formación adecuada de una extremidad que esté correctamente orientada con su polaridad axial correspondiente en el organismo en desarrollo. La investigación ha determinado que la región de señalización AER dentro del esbozo de la extremidad determina la formación del eje proximal-distal de la extremidad utilizando señales FGF . ^{[5] La señalización} ZPA establece la formación del eje anteroposterior de la extremidad utilizando señales Shh . ^[6] Además, aunque no se conoce como una región de señalización específica como AER y ZPA , el eje dorso-ventral se establece en el esbozo de la extremidad mediante las señales competitivas Wnt7a y BMP que utilizan el ectodermo dorsal y el ectodermo ventral respectivamente. ^{[7] [8]} Debido a que todos estos sistemas de señalización sostienen recíprocamente la actividad de los demás, el desarrollo de las extremidades es esencialmente autónomo después de que se han establecido estas regiones de señalización. ^[3]

Los genes Hox , que definen características a lo largo del eje anteroposterior de un organismo en desarrollo, determinan en qué puntos a lo largo del eje se formarán los brotes de las extremidades. ^[9] Aunque las extremidades emergen en diferentes lugares en diferentes especies, sus posiciones siempre se correlacionan con el nivel de expresión del gen Hox a lo largo del eje anteroposterior. ^[9] Todos los brotes de las extremidades también deben depender de otros factores de señalización para obtener su identidad de extremidad anterior o posterior; la expresión del gen Hox influye en la expresión de las proteínas T-box que, a su vez, determinan la identidad de las extremidades para ciertos organismos. ^[3]

A su vez, la activación de la proteína T-box activa cascadas de señalización que involucran la vía de señalización de Wnt y señales de FGF . ^[3] Antes de que comience el desarrollo de las extremidades, las proteínas T-box inician la expresión de FGF10 en las células mesenquimales proliferantes del mesodermo de la placa lateral, que forman el mesodermo de la yema de las extremidades. ^[3] WNT2B y WNT8C estabilizan esta expresión de FGF10 en la extremidad anterior y la extremidad posterior, respectivamente. ^{[10] [11]} Esta expresión de FGF10 estimula la expresión de WNT3 en las células ectodérmicas anteriores, lo que resulta en la formación de la cresta ectodérmica apical e induce la expresión de FGF8 . ^[12] El FGF8 secretado por el AER actúa para mantener las células del mesénquima de las extremidades en un estado mitóticamente activo y sostiene su producción de FGF10 . ^{[12] El ciclo} de retroalimentación positiva entre las células mesenquimales de las extremidades y el AER mantiene el crecimiento y desarrollo continuos de toda la extremidad. ^[13]

Además del crecimiento de las extremidades, la formación de un centro de señalización crucial, la zona de actividad polarizante (ZPA), en una pequeña porción posterior de la yema de la extremidad ayuda a establecer la polaridad anteroposterior en la extremidad a través de la secreción de la proteína Sonic hedgehog (Shh). ^[3] La ZPA también desempeña un papel importante en la especificación inicial de la identidad del dígito, mientras que más tarde mantiene la morfología AER adecuada y la secreción continua de FGF8 , para garantizar la actividad mitótica adecuada del mesénquima de la yema de la extremidad debajo. ^[3]

En los pollos, Tbx4 especifica el estado de las extremidades traseras, mientras que Tbx5 especifica el estado de las extremidades delanteras. ^[13] En los ratones, sin embargo, tanto las extremidades traseras como las delanteras pueden desarrollarse en presencia de Tbx4 o Tbx5 . ^[14] De hecho, son los genes Pitx1 y Pitx2 los que parecen ser necesarios para la especificación de las extremidades traseras en desarrollo, mientras que su ausencia da como resultado el desarrollo de las extremidades delanteras. ^[15] Tbx4 y Tbx5 parecen ser importantes específicamente para el crecimiento de las extremidades en ratones. ^[14]

Dentro del esbozo de la extremidad, la expresión de genes Hox específicos varía en función de la posición a lo largo del eje anteroposterior. Los genes Hox están vinculados en cuatro grupos cromosómicos: Hoxa, Hoxb, Hoxc y Hoxd. ^[9] Su posición física en el cromosoma se correlaciona con el tiempo y el lugar de expresión. Esta afirmación está respaldada por el conocimiento de que la expresión del gen Hox se inicia durante la gastrulación en el mesodermo somítico primitivo por la señalización de FGF que afecta a las células del mesodermo somítico primitivo en diferentes momentos dependiendo de su ubicación axial durante el desarrollo del organismo -y se especifica aún más con otras señales del eje anteroposterior (como el ácido retinoico ). ^[3] Se encontró evidencia adicional del papel que desempeñan los genes Hox en el desarrollo de las extremidades cuando los investigadores efectuaron expresiones de genes Hox en pez cebra añadiendo ácido retinoico durante la gastrulación ; Este experimento resultó en una duplicación de las extremidades. ^[16] Aunque el exceso de ácido retinoico puede alterar la estructura de las extremidades al activar ectópicamente la expresión de Shh, estudios genéticos en ratones que eliminan la síntesis de ácido retinoico han demostrado que el AR no es necesario para la estructura de las extremidades. ^[17]

El desarrollo de los pollos es un ejemplo maravilloso de esta especificidad de la expresión del gen Hox en relación con el desarrollo de las extremidades. La mayoría de los genes Hoxc 3' ( HOXC4 , HOXC5 ) se expresan solo en las extremidades anteriores en los pollos, mientras que la mayoría de los genes 5' ( HOXC9 , HOXC10 , HOXC11 ) se expresan solo en las extremidades posteriores. ^[9] Los genes intermedios ( HOXC6 , HOXC8 ) se expresan tanto en las extremidades superiores como inferiores en los pollos. ^[9]

Como se dijo anteriormente, el desarrollo de las extremidades es esencialmente autónomo después de que se han establecido los centros de señalización (AER) y ZPA ). Sin embargo, es importante saber que los genes Hox continúan participando en la regulación dinámica del desarrollo de las extremidades incluso después de que se hayan establecido el AER y el ZPA en el esbozo de la extremidad. Se produce una comunicación compleja a medida que las señales de FGF secretadas por el AER y las señales de Shh secretadas por el ZPA inician y regulan la expresión del gen Hox en el esbozo de la extremidad en desarrollo. ^[18] Aunque muchos de los detalles más finos aún quedan por resolver, se han descubierto varias conexiones significativas entre la expresión del gen Hox y el impacto en el desarrollo de las extremidades.

El patrón de expresión del gen Hox se puede dividir en tres fases a lo largo del desarrollo de los esbozos de las extremidades, que corresponden a tres límites clave en el desarrollo proximal-distal de las extremidades . La transición de la primera fase a la segunda fase está marcada por la introducción de señales Shh desde el ZPA . ^[19] La transición a la tercera fase está marcada por cambios en cómo las células mesenquimales de los esbozos de las extremidades responden a las señales Shh . ^[19] Esto significa que, aunque se requiere la señalización Shh , sus efectos cambian con el tiempo a medida que el mesodermo se prepara para responder a ella de manera diferente. ^[19] Estas tres fases de regulación revelan un mecanismo por el cual la selección natural puede modificar independientemente cada uno de los tres segmentos de las extremidades: el estilópodo , el zeugópodo y el autópodo . ^[19]

El FGF10 puede inducir la formación de extremidades, pero las proteínas T-box, Pitx1 y los genes Hox determinan la identidad ^[1]

Al imitar las secreciones iniciales de FGF10 de las células del mesodermo de la placa lateral, se puede iniciar el desarrollo de las extremidades . Otras moléculas de señalización participan en la determinación de la identidad de las extremidades.

1. La colocación de perlas que contienen FGF10 debajo de las células ectodérmicas de pollo da como resultado la formación de un esbozo de extremidad, AER, ZPA y, posteriormente, una extremidad entera. Cuando las perlas crearon esbozos de extremidades hacia la región anterior, la formación de la extremidad anterior coincidió con la expresión de Tbx5 , mientras que la formación de la extremidad posterior coincidió con la expresión de Tbx4 . Cuando las perlas se colocaron en el medio del tejido del flanco, la porción anterior expresó Tbx5 y características de la extremidad anterior, mientras que la porción posterior de la extremidad expresó Tbx4 y características de la extremidad posterior.
2. Cuando se diseñaron embriones de pollo para que expresaran Tbx4 de forma constitutiva (mediante transfección viral) en todo el tejido de sus flancos, cada miembro que les crecía era una pata, incluso los que se formaban en la región anterior, que normalmente se convertirían en alas. Esto confirma el papel de las proteínas T-box en el tipo de miembro que se desarrolla.
3. La eliminación de Tbx4 o Tbx5 impide la expresión de FGF10 en el mesodermo de la placa lateral en ratones.
4. La vía Hox afecta la expresión de Tbx, que a su vez afecta la expresión de FGF10 . ^[3]
5. Cuando Pitx1 se expresó incorrectamente en las extremidades anteriores de ratones, se activaron varios genes asociados a las extremidades posteriores ( Tbx4 , HOXC10 ) y alteraciones drásticas de los músculos, huesos y tendones cambiaron el fenotipo hacia el de una extremidad posterior. Esto indica que Pitx1 —a través de Tbx4— desempeña un papel en la aparición de las propiedades de las extremidades posteriores.

La expresión de HOXD11 se correlaciona con la secreción de señales Shh ^[20]

HOXD11 se expresa posteriormente, cerca de la ZPA, donde ocurren los niveles más altos de expresión de la señal Shh .

1. Cuando se aplica ácido retinoico para inducir la expresión de la señal Shh , se trasplanta un ZPA o se estimula la expresión ectópica de la señalización Shh , se produce la expresión de HOXD11.

Las células mesenquimales determinan la identidad de las extremidades, pero el AER mantiene el crecimiento de las extremidades a través de la secreción de señales de FGF ^[1]

Estos experimentos revelan que el mesénquima de las extremidades contiene la información necesaria sobre la identidad de las extremidades, pero el AER es necesario para estimular al mesénquima a cumplir con su destino (convertirse en un brazo, una pierna, etc.).

1. Cuando se elimina el AER, el desarrollo de las extremidades se detiene. Si se añade una perla de FGF en el lugar del AER, el desarrollo normal de las extremidades continúa.
2. Cuando se añade un AER extra, se forman dos extremidades.
3. Cuando el mesénquima de las extremidades anteriores se reemplaza por el mesénquima de las extremidades posteriores, crece una extremidad posterior.
4. Cuando el mesénquima de las extremidades anteriores es reemplazado por mesénquima que no pertenece a las extremidades, el AER retrocede y el desarrollo de las extremidades se detiene.

El papel de la ZPA en el establecimiento de la polaridad y el posterior desarrollo de las extremidades ^[21]

La ZPA primero especifica la polaridad anteroposterior (y dicta la identidad de los dígitos) y luego, al mantener la actividad de AER, asegura que ocurra la proliferación celular necesaria para la formación normal de una extremidad de cinco dedos.

1. Cuando se inhiben las señales Shh que normalmente secreta la ZPA (ya sea mediante el uso de tamoxifeno o mutantes Shh nulos), se altera la morfología del AER, en particular su extensión anterior, y disminuye su señalización FGF8 . Como resultado de la regulación negativa de Shh durante la expansión de los esbozos de las extremidades, se redujo el número de dedos, pero no se alteró la identidad de los dedos formados.

Las moléculas asociadas incluyen: ^[1]

• FGF10 – Inicialmente, las proteínas Tbx inducen la secreción de FGF10 por las células del mesodermo de la placa lateral. Más tarde, la expresión de FGF10 se restringe al mesénquima de las extremidades en desarrollo , donde se estabiliza mediante WNT8C o WNT2B . La expresión de FGF10 activa la secreción de WNT3A , que actúa sobre el AER e induce la expresión de FGF8 . El mesénquima, a través de la secreción de FGF10 , participa en un ciclo de retroalimentación positiva con el AER, a través de la secreción de FGF8 .
• FGF8 – Secretado por las células AER. Actúa sobre las células mesenquimales para mantener su estado proliferativo. También induce a las células mesenquimales a secretar FGF10 , que actúa a través de WNT3A para mantener la expresión de FGF8 en las células AER .
• WNT3A : actúa como intermediario en el circuito de retroalimentación positiva entre el AER y el mesénquima de las extremidades. Activado por la expresión de FGF10 , activa la expresión de FGF8 .
• Sonic hedgehog ^[20] Secretado por la ZPA en el mesénquima de la yema de las extremidades. Crea un gradiente de concentración que dicta la formación de los cinco dedos distintos. El dedo 5 (meñique) resulta de la exposición a altas concentraciones de Shh , mientras que el dedo 1 (pulgar) en el extremo opuesto del espectro se desarrolla en respuesta a bajas concentraciones de Shh . Se ha demostrado que la expresión de Shh en muchas circunstancias, pero no en todas, está estrechamente relacionada con la expresión del gen Hox . Shh también (a través de Gremlin ) bloquea la actividad de la proteína morfogénica ósea (BMP). Al bloquear la actividad de BMP , se mantiene la expresión de FGF en el AER.
• Tbx4 , Tbx5 : intervienen en el desarrollo de las extremidades traseras en comparación con las delanteras. Aunque en los polluelos parecen ser los factores principales implicados en la identidad de las extremidades, en los ratones parece que Tbx4 es simplemente un mensajero que hace cumplir las instrucciones de formación de las extremidades traseras de Pitx1 . Se desconoce si Pitx1 simplemente desvía una posible extremidad delantera de ese camino para convertirse en una extremidad trasera o si Tbx5 es activado por otro mensajero similar a Pitx1.
• Pitx1 – Responsable del desarrollo de un fenotipo asociado a las extremidades traseras. Tbx4 es uno de sus objetivos posteriores. Pitx1 y Tbx4 codifican factores de transcripción que se expresan en todo el desarrollo de las extremidades traseras, pero no en las yemas de las extremidades delanteras. La expresión incorrecta de Pitx1 en la yema del ala del pollo indujo la expresión distal de Tbx4, así como de HoxC10 y HoxC11, que normalmente están restringidos a los dominios de expresión de las extremidades traseras. Las yemas de las alas en las que se expresó incorrectamente Pitx1 se desarrollaron en extremidades con algunas características morfológicas de las extremidades traseras. ^[22]
• Genes Hox : responsables de determinar el eje anteroposterior de un organismo y están estrechamente relacionados con la formación de patrones de las extremidades en desarrollo junto con Shh . Influyen en la actividad de las proteínas T-box y las proteínas señalizadoras de FGF (y posiblemente Pitx1 ). Determinan dónde se formarán los brotes de las extremidades y qué extremidades se desarrollarán allí.