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LAS TEORÍAS DE DIFERENCIACIÓN EMBRIONARIA
DE ROUX Y WEISMANN
Jean Brachet
Hemos visto que la embriología experimental ha demostrado claramente la importancia del papel que juega el citoplasma en el transcurso de las primeras etapas del desarrollo embrionario. Pero otras experiencias demuestran, de manera no menos perentorias, la necesidad de una intervención del núcleo para que el desarrollo se continúe mas allá del periodo inicial de segmentación del huevo: en ausencia completa del núcleo, el huevo puede, en el mejor de los casos, segmentarse varias veces anárquicamente. Si se irradia el huevo y el espermatozoide con rayos X, diversos blastómeros procedentes del huevo fecundado poseerán un numero variable de cromosomas: esta condición aneuploide es muy letal; el huevo muere, en general, en el momento en que alcanza el estado blástula, que marca el final del periodo de segmentación del huevo fecundado. En esta fase, las celular no presentan aun ninguna diferenciación visible al microscopio. Es evidente que ninguna teoría puede dar cuenta de los hechos si no tiene consideración las interacciones que se producen entre el núcleo y el citoplasma, sobre todo en el transcurso de las primeras etapas del desarrollo embrionario.
La teoría cromosómica de Roux y Weismann...
Desde una perspectiva histórica se puede decir que la primera teoría que haya intentado explicar la diferenciación embrionaria es la que propusieron Weismann y Roux. Wilhem Roux y Albert Brachet demostraron la importancia para la morfogénesis de los huevos de rana, de un territorio (el creciente o semiluna gris) que se sitúa entre los dos polos del huevo (el polo animal pigmentado y el polo vegetativo blanco). Esta zona de transición, arcada c en la figura 4, corresponde al futuro lado dorsal del embrión; si se destruye por punción el creciente gris de un huevo recién fecundado y aun sin dividir, el desarrollo de los órganos axiales del embrión (sistema nervioso, corda dorsal) es fortísimamente inhibido. Las punciones efectuadas en otras regiones del huevo producen efectos mucho menores. Experiencias más recientes de Curtís han demostrado que la región del huevo fecundado que es realmente importante es el cortex del creciente gris, es decir la delgada capa de citplasma pigmentado, de 1 a 2 micras de espesor, que se encuentra inmediatamente por debajo de la membrana celular: la eliminación del cortex dorsal del huevo fecundado impide todo desarrollo ulterior.
Estas experiencias parecen demostrar, una vez mas, la importancia del papel que juega el citoplasma en el desarrollo ulterior del huevo. No obstante, la teoría propuesta por Roux y Weismann, en 1885, para explicar la diferenciación embrionaria es una teoría cromosomica: los cromosomas serian portadores de determinantes hereditarios (diríamos ohora genes) distintos para la diferenciación del embrión en una mitad dorsal (sistema nervioso, corda, músculos) y una mitad ventral (intenstino, globulos rojos). Las primeras mitosis de segmentación que dividen el huevo fecundado en blastomeros dorsales y ventrales serian desiguales desde el principio de la segmentación del huevo, serian pues genéticamente diferentes.
La experiencia ha permitido eliminar la teoría de Weismann-Roux. En efecto, ha sido posible destruir electivamente uno de los dos primeros núcleos del huevo en segmentación: no obstante el desarrollo, tanto en los insectos (seidel) como en los anfibios (Spemann), ha sido normal. Los descendientes del núcleo "ventral" que han colonizado el citoplasma dorsal se han comportado exactamente co o lo habría hecho un núcleo "dorsal". Estas experiencias, que son de una importancia fundamental, demuestran la equipotencialidad de los núcleos en el transcurso de la segmentación del huevo: en esta fase precoz del desarrollo, todos los núcleos son idénticos y, por consiguiente, intercambiables.
...no tenía en cuenta las interacciones del núcleo y del citoplasma
Es a un celebre genetista americano, T.H. Morgan (que fue, también un notable embriologo) al que se debe el haber propuesto, en 1934, una teoría de la diferenciación que es valedera aun hoy a grandes rasgos y que tiene en cuenta las interacciones nuclecitoplasmicas que se producen en el transcurso del desarrollo. Morgan, partiendo de dos hechos que nos son ya conocidos (la heterogeneidad del citoplasma del huevo y la equipotencialidad de los núcleos durante la segmentación del huevo), ha propuesto que la actividad de los genes seria modificada por el citoplasma circundante. Como muestra la figura 3ª, núcleos idénticos serian distribuidos en un citoplasma heterogéneo; bajo la influencia de este citoplasma, ciertos núcleos se modificarían, de tal manera que algunos de sus genes se harían activos; su activación provocaría modificaciones del citoplasma circundante que se haría entonces mas heterogéneo aun. Este juego de interacciones mutuas entre los genes y el citoplasma conduciría finalmente a la diferenciación celular.
Basta con poco para modernizar esta teoría y situarla en el cuadro de la biología molecular: diríamos hoy que los núcleos, durante el periodo inicial de segmentación, están "reprimidos" y, por consiguiente incapaces de sintetizar las moléculas de ARN mensajero (mARN) necesarios par que el citoplasma sintetice nuevas especies de proteínas. Después de la segmentación (es decir en la gastrulacion), los núcleos de las regiones mas activas del embrión serian "desrreprimidos": sus genes dirigirían la síntesis de nuevos m-RNA y, por consiguiente, nuevas proteínas.
PARA COMPRENDER LA DIFERENCIACIÓN, EL TRANSPLANTE DE NÚCLEOS...
Veremos mas adelante que la embriología molecular ha demostrado que va bien así. Pero debemos, antes, plantearnos un apreguna cuya importancia fundamental no había pasado inadvertida a la sagacidad de Morgan: ¿en que momento los núcleos dejan de ser equipotencialesa?. En otros términos, ¿en que fase del desarrollo se diferencian los núcleos?.
La pregunta ha sido atacada de manera directa por Briggs y King, que tuvieron éxito por primera vez, en 1952, en los transplantes nucleares: la experiencia consiste en inyectar el núcleo de una célula elegida por el experimentador en el citoplasma de un huevo virgen del que se ha quitado el núcleo: si el núcleo transplantado ha conservado las mismas potencialidades que el del huevo fecundado, debería obtenerse un desarrollo completo, llegando hasta el adulto. Esto es lo que sucede cuando se implanta el núcleo del huevo en vía de segmentación (blastula) en un huevo virgen anucleado. Pero la intervención de los resultados se hace mas delicada a continuación, porque numerosos núcleos transplantados presentan anomalías cromosómicas cuando se multiplican en el citoplasma de la célula virgen anucleada; estas anomalías son mas frecuentes provocando la detención del desarrollo debido a la letalidad cuanto mas edad tiene los embriones cuyos núcleos son transplantados. En resumen, el envejecimiento de los núcleos que se manifiesta por la incapacidad de multiplicarse normalmente en el jovencísimo citoplasma de un huevo virgen, se manifiesta ya en la fase blastula, es decir menos de un día después de la fecundación del huevo. Este hecho complica mucho, evidentemente, la interpretación de las experiencias de transplante nuclear. Felizmente, Gurdon, refiriéndose a un material biológico particularmente favorable (el Xenopus, sapo de origen sudafricano) y utilizando algunos artificios técnicos, que no podemos describir aquí, ha llegado a aportar recientemente una respuesta clara a las preguntas que se planteaba ya Morgan: ha transplantado en huevos vírgenes anucleados, núcleos procedentes de células adultas perfectamente diferenciadas (celulas de hígado, riñón, pulmón, etc.) y ha obtenido en un débil porcentaje de casos, la formacion de renacuajos prácticamente normales. Estos renacuajos eran, naturalmente, el asiento de una diferenciacion celular muy prolongada y poseían pues un sistema nervioso, músculos y un corazón capaces de contraerse, riñones, un tubo digestivo, etc. Esta experiencia tan importante demuestra que los núcleos del adulto pueden sustituirse completamente en el núcleo del huevo recién fecundado; han conservado intacta toda la información genética contenida en el núcleo del huevo y en el del espermatozoide. Los genes presentes en el núcleo de la célula adulta diferenciada son pues idénticos a los del huevo fecundado y pueden expresarse normalmente cuando se les coloca en un medio favorable (el citoplasma de un huevo virgen anucleado). En otros términos, los núcleos no se diferencian de manera irreversible en el transcurso de la vida del individuo.
...Y EL ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO GENÉTICO DE LAS BACTERIAS SE COMPLETA.
Si volvemos a la teoría de Morgan, vemos que las experiencias de Gurdon demuestran que la heterogeneidad del citoplasma no puede efectuar a la naturaleza misma de los genes; puede, por el contrario, afectar a su expresión, es decir a su funcionamiento. La naturaleza de los factores que regulan la actividad de los genes, poniendo en marcha o deteniendo su funcionamiento, es la llave del problema de la diferenciación celular.
Gracias sobre todo a Jacob y Monod, sabemos muchas cosas sobre el control de la actividad genética en las bacterias. No se puede dejar de admirar la manera exacta y compleja con la que se efectúa este control en un organismo tan "simple" como el bacteoriofago. Al reflexionar sobre la existencia de delicados mecanismos de regulación tanto negativos (bloquea de la actividad genética por un represon especifico) como positivos en el caso de un bacteriofago, uno no puede impedir el preguntarse, con inquietud hasta donde puede llegar la complejidad e estos mecanismos en el caso de un huevo en vía de desarrollo. Si la teoría de Morgan modernizada (activación selectiva de ciertos genes- por ejemplo los de la hemoglobina en el momento en que los glóbulos rojos van a diferenciarse en unas regiones bien definidas del embrión y en fases concretas) queda como guía indispensable para el embriologo, esta claro que no podrá satisfacernos en tanto no conozcamos mecanismos moleculares que permitan la activación de un gen y la inactivacion de otros.
Se ha hecho esfuerzos en el campo teórico para explicar la diferenciación celular partiendo del modelo establecido por Jacob y Monod respecto a la regulación de la actividad genética en las bacteria. Jacob ha demostrado, por otra parte, que este modelo, mediante algunos arreglos, puede servir de base a una teoría genética de la diferenciación celular. Un modelo mucho mas complejo, que no nos es posible presentar aquí, ha sido propuesto después por Britten y Davidson. No deja de tener interés el subrayar que estos autores ha modificado recientemente su modelo con el fin de tener en cuenta la heterogeneidad el citoplasma, factor que los genetistas tienden generalmente a descuidar. Desgraciadamente, teorías tan complejas como la de Britten y Davidson no se harán accesibles a una verificación experimental mas que cuando la genética de los eucariontes pueda rivalzar con la bacteria, de los que aun estamos muy lejos.
ALGUNAS TEORÍAS MAL ENCAMINADAS
Algunos investigadores, principalmente Scarano, han intentado explicar la diferenciación celular suponiendo que las moléculas de ADN soportarían modificaciones químicas (metilaciones, por ejemplo) en el transcurso del desarrollo embrionario...
PRODUCTO DE LOS GENES DEL NÚCLEO, LA MORFOGÉNESIS ESTÁ MODULADA POR EL CITOPLASMA
Hemos visto mas arriba que se producen, durante todo el desarrollo embrionario, interacciones entre el núcleo y el citoplasma: si este juega un papel predominante en el transcurso de las primeras etapas del desarrollo, la importancia de los genes se hace evidente desde la gastrulacion y se afirma cada vez mas cuando las células de los diversos tejidos sse diferencian. Proteínas sintetizadas en el citoplasma ejercen sin lugar a duda un control sobre la actividad de los genes; al principio del desarrollo, la síntesis de estas proteínas esta codificada por los mensajeros estables, preexistentes, de origen materno.
Cabe preguntarse si las partículas citoplasmasmicas que contienen DNA (mitocondrias, cloroplastos) juegan un papel, importante o menos, en la morfogeneses. Se puede responder a la pregunta utilizando un método radical: quitar el núcleo a un organismo unicelular y ver lo que ocurre.
Se han hecho experiencias de enucleacion con huevos de diversas especies y con organismos unicelulares: nunca la ablación de núcleo viene seguida por la muerte rápida del citoplasma, ni siquiera por la perdida inmediata de sus actividades. Nos limitaremos aquí a un breve resumen de nuestros conocimientos sobre los dos sistemas biológicos que han sido mejor estudiados: el huevo del erizo de mar y el alga unicelular gigante Acetabularia.
Pueden obtenerse con facilidad fragmentos anucleados centrifugando huevos virgenes de erizo de mar. Estos fragmentos responden a los agentes partenogeneticos con segmentaciones repetidas. Pero del desarrollo nunca va mas allá: la información que posee el citoplasma anucleado se limita por tanto a la posibilidad de algunas divisiones celulares, fatalmente abortivas.
Los fragmentos anucleados contiene mensajeros de origen materno que les permiten responde a un estimulo partenogenetico con una gran síntesis de proteínas. Entre estas proteínas esta la tubulina, constituiva de los asterres que aseguran la segmentación del citoplasma anucleado. Pero los fragmentos anucleados también contienen numerosas mitocondrias, organulos responsables de las oxidaciones celulares; cada una de ellas posee nulos responsables de las oxidaciones celulares; cada una de ellas posee ADN. Tras activación partenogenetica, este ADN se hace funcional y se sintetizan los ARN mitocondriales. Pero el hecho de que el desarrollo de los fragmentos anucleados activados este, en suma, muy limitado, muestra que los ADN y ARN mitocondriales no pueden jugar mas que un papel biologico reducido. Además, parece claro que las mitocondrias son incapaces de replicar su ADN en los fragmentos anucleados de los huevos de erizo de mar: su autonomía de cara al núcleo se limita asi a la síntesis de los ARN mitocondriales y quizás de algunas proteínas mitocondriales.
La Acetabularia, alga unicelular gigante (5 cm. De longitud), puede contarse fácilmente en dos los dos fragmentos son capaces de regenerar y formar una estructura compleja, el "sombrero" o umbrela. Experiencias de injerto han mostrado claramente que la formación del sombrero esta controlada por "sustancias morfogeneticas" producidas por los genes del núcleo y no por el ADN de los cloroplastos o de las mitocondrias (Hammerling).
Los fragmentos anucleados son asimismo capaces de sintetizar numerosas proteínas, entre ellas enzimas especificas. Estas experiencias (y muchas otras que no pueden resumirse aquí) han llevado a la conclusión de que las sustancias morfogeneticas son en realidad una familia de ARN mensajeros; producidos por el núcleo, podrían "sobrevivir" en el citoplasma anucleado durante semanas, incluso meses.
La Acetabularia contiene millones de cloroplastos, cada uno de los cuales lleva ADN. Estos cloroplastos tienen una amplia autonomía de cara al núcleo: pueden replicar su ADN, multiplicarse, sintetizar ARN y proteínas cloroplasticas en ausencia del núcleo. Pero esta autonomia dista mucho de ser completa: algunas enzinas presentes en los cloroplastos son sintetizadas por los genes nucleares; la multiplicación de los cloroplastos, en ausencia del núcleo, es lenta y cesa tras algunos días. Finalmente, experiencias hechas con venenos que afectan preferentemente a la síntesis de los ADN cloroplasticos y mitocondriales han llevado a la conclusión de que no son estos los que dirigen la regeneración y formación de los sombreros. La morfogenesis es, por tanto obra de los genes nucleares que actúan por medio de mensajeros estables.
Referencia: BRACHET J, 1981, "EMBRIOLOGIA MOLECULAR Y DE DIFERENCIACION CELULAR", en Biología Molecular, CONACyT, p. 143 - 177, México (tomado de: La Recherche, enero, 1973).
Reseñas Biográficas:
Roux, Wilhelm (1850-1924), embriólogo alemán que defendió la intervención experimental activa en el desarrollo de organismos a partir de células y apoyó el enfoque mecanicista del desarrollo frente al vitalista.
Roux nació y estudió en Jena. Se formó como médico y obtuvo la titulación necesaria para practicar la medicina en 1877, pero dedicó su vida a la investigación biológica. Roux estudió los patrones formados por los vasos sanguíneos: argumentaba que era posible deducir un proceso de desarrollo, un proceso que revelaba que el desarrollo de los organismos era fruto de la selección natural en el ámbito celular. Se centró en el estudio del desarrollo embrionario, llegando a dirigir sus propios institutos de investigación, creados a tal efecto.
En vez de limitarse a observar el desarrollo de los embriones, razonaba Roux, los biólogos experimentales debían exponer las células a situaciones no naturales, pero reveladoras, con el fin de comprender el fenómeno del desarrollo. Diseñó experimentos para interferir en el desarrollo de los organismos durante las primeras fases de la división celular, así como mecanismos para mover y girar continuamente el organismo en desarrollo respecto a la gravedad. Sobre la base de estos experimentos, Roux afirmaba que el desarrollo de un organismo era controlado por fuerzas internas, enfrentándose a quienes defendían que dicho proceso era controlado por fuerzas externas. Estas fuerzas internas, insistía Roux, surgían por razones químicas y físicas, no de fuerzas vitalistas, menos materiales.
Weismann, August (1834-1914), biólogo alemán, conocido sobre todo como creador de la teoría del germen plasmático de la herencia, concepto según el cual una sustancia especial constituye la única continuidad orgánica entre una generación y la siguiente. Nacido en Frankfurt del Main, estudió en las universidades de Gotinga y Giessen, y practicó la medicina hasta 1863, año en que se consagró a la investigación biológica y el estudio de la zoología. Fue catedrático de zoología en la Universidad de Friburgo desde 1886 hasta 1912. Se distinguió por sus investigaciones zoológicas, en especial sobre la embriología de los insectos y los crustáceos. Weismann fue el primer científico en rechazar, por no demostrada, la teoría predominante, aunque incorrecta, aceptada por el naturalista Jean de Lamarck y otros, según la cual los caracteres adquiridos en el transcurso de la vida podían ser transmitidos a los hijos.
Luis Alberto Morales Corona
Lic. en Odontología
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