Rodrigo Ricardo

Gradientes de concentración, moléculas de señalización e inhibidores en desarrollo

Publicado el 11 septiembre, 2020

¿Cómo funciona el organizador de Spemann?

Por tanto, recordará que hace más de cien años, Hans Spemann e Hilde Mangold demostraron que una parte particular del embrión temprano actuaba como organizador y podía determinar el destino de desarrollo de las células que lo rodeaban. Este labio dorsal de una gástrula anfibia que es capaz de organizar las estructuras del embrión en desarrollo se denominó más tarde organizador de Spemann .


Diagrama del organizador de Spemanns
Diagrama del organizador de Spemanns

Ahora, Spemann y Mangold no sabían exactamente cómo funcionaba este organizador, pero creían que estaba usando algún tipo de sustancia química para enviar señales a las otras células y dirigir su desarrollo. Su creencia resultó ser correcta, o más bien, en su mayoría correcta. Más de cien años de investigación sobre el tema han dado como resultado el descubrimiento de un sistema muy complejo e intrincado de moléculas de señalización, inhibidores y proteasas. Las moléculas de señalización son moléculas, generalmente proteínas, que se utilizan para enviar señales entre diferentes células. Los inhibidores son proteínas que inhiben receptores y otras proteínas. Y las proteasas son proteínas que degradan otras proteínas.

El organizador de Spemann es de hecho la fuente de varias proteínas diferentes que están involucradas en este complejo sistema regulador. Sin embargo, no es la única fuente de moléculas de señalización, inhibidores y proteasas en el embrión. Toda la cascada de señalización de proteínas implicadas en el desarrollo embrionario es demasiado compleja para describirla adecuadamente aquí. Aun así, puedo describir una porción muy pequeña del sistema, lo que le dará una idea de cómo estas diferentes proteínas pueden trabajar juntas para ayudar a regular la formación de patrones dentro del embrión en desarrollo.

Formación de gradiente

En la gástrula de la rana temprana, una de las moléculas de señalización clave del desarrollo es BMP-4, que se produce en la porción ventral del embrión. BMP-4 es una proteína que participa en el desarrollo de estructuras ventrales. Sin embargo, un inhibidor de BMP-4, llamado cordina, se produce en el organizador de Spemann junto con varios otros inhibidores específicos de proteínas. Dado que la BMP-4 se produce en la porción ventral del embrión y su inhibidor, chordin, se produce en el organizador de Spemann, la porción ventral del embrión recibe altas dosis de BMP-4 activa. Al mismo tiempo, los altos niveles de cordina en la parte dorsal del embrión inhiben la actividad de BMP-4 en esta parte del embrión, lo que da como resultado básicamente ninguna señalización de BMP-4 allí.


La ubicación de diferentes proteínas dentro del embrión crea un gradiente de concentración.
Gradiente de concentración en la gástrula de rana

Sin embargo, existe otra capa de regulación en forma de proteasa, llamada Xolloid, que degrada la cuerda. Como BMP-4, Xolloid se produce en la porción ventral del embrión. Xolloid ayuda a agudizar el gradiente de concentración de la actividad de BMP-4 al degradar la cordina en la parte ventral del embrión, donde los niveles de BMP-4 ya son altos. En la porción dorsal del embrión, la cordina es tan abundante que la pequeña cantidad de Xolloid que llega a esta parte del embrión tiene poco efecto y la cordina aún puede inhibir toda la actividad de BMP-4.

Debido a la ubicación de las fuentes de estas diferentes proteínas y las formas en que interactúan entre sí, establecen un gradiente de concentración a lo largo del eje dorsoventral. En este caso, debido a las interacciones de inhibidores y proteasas, el cambio de concentración ocurre muy rápidamente, por lo que en la mitad ventral del embrión hay una alta concentración de BMP-4 activa y en la mitad dorsal del embrión casi toda de la actividad de BMP-4 se inhibe.

Los gradientes de concentración múltiple agregan complejidad

Cabe señalar aquí que no todos los gradientes de concentración cambian con tanta rapidez. Hay muchos otros gradientes de concentración de diferentes proteínas que realizan una transición mucho más gradual. En estos casos, concentraciones muy altas de una proteína pueden conducir a un tipo de diferenciación, concentraciones medias pueden conducir a un segundo tipo de diferenciación y concentraciones bajas pueden conducir a un tercer tipo de diferenciación. Luego, si los gradientes de concentración de otras moléculas de señalización se superponen entre sí, se puede agregar complejidad adicional y se pueden activar docenas de programas de diferenciación en diferentes células en función de la combinación de concentraciones de moléculas de señalización.


Los gradientes de concentración de proteínas variados afectan el tipo de diferenciación en las células.
Diagrama de concentraciones de proteínas

Con múltiples gradientes de concentración de diferentes moléculas a lo largo de diferentes ejes y múltiples formas de regular estas concentraciones, la complejidad de los programas de diferenciación potencial es casi ilimitada. De hecho, la complejidad y variedad de los planes corporales de los animales es un testimonio de lo increíblemente complejo que es en realidad el proceso de diferenciación.

Resumen de la lección

Revisemos. Cuando Spemann y Mangold demostraron que el organizador de Spemann era capaz de determinar el destino de desarrollo de las células que lo rodeaban, creyeron que estaba usando algún tipo de sustancia química como señal. Resulta que los embriones tienen un sistema muy complejo e intrincado de moléculas de señalización, inhibidores y proteasas que controlan la diferenciación de los tejidos dentro de un embrión. Las moléculas de señalización son moléculas, generalmente proteínas, que se utilizan para enviar señales entre diferentes células. Los inhibidores son proteínas que inhiben receptores y otras proteínas. Y las proteasas son proteínas que degradan otras proteínas.

El organizador de Spemann es de hecho la fuente de varias proteínas diferentes que están involucradas en este complejo sistema regulador. Sin embargo, no es la única fuente de moléculas de señalización, inhibidores y proteasas en el embrión. En la gástrula de la rana temprana, una de las moléculas de señalización clave del desarrollo es BMP-4, que se produce en la porción ventral del embrión. Un inhibidor de BMP-4, llamado chordin, se produce en el organizador de Spemann. Además, una proteasa llamada Xolloid, que degrada la cordina, se produce en la porción ventral del embrión, al igual que BMP-4. La porción ventral del embrión recibe altas dosis de BMP-4 activa. Al mismo tiempo, los altos niveles de cordina inhiben la actividad de BMP-4 en la parte dorsal del embrión, lo que básicamente no produce señales de BMP-4 allí.

Debido a la ubicación de las fuentes de estas proteínas diferentes y las formas en que interactúan entre sí, establecen un gradiente de concentración pronunciado a lo largo del eje dorsoventral. No todos los gradientes de concentración cambian tan rápido. De hecho, muchos hacen la transición de forma mucho más gradual. En un embrión, hay muchos gradientes de concentración diferentes superpuestos. Con múltiples gradientes de concentración de diferentes moléculas a lo largo de diferentes ejes y múltiples formas de regular estas concentraciones, la complejidad de los programas de diferenciación potencial es casi ilimitada. De hecho, la complejidad y variedad de los planes corporales de los animales es un testimonio de lo increíblemente complejo que es en realidad el proceso de diferenciación.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería poder:

  • Recuerde cómo funciona el organizador de Spemann utilizando moléculas de señalización, inhibidores y proteasas.
  • Explique cómo BMP-4, chordin y Xolloid crean un gradiente de concentración
  • Resumir la importancia de los gradientes de concentración para la diferenciación.

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