Langman Embriología Médica 14e PDF

 ERRNVPHGLFRVRUJ Prefacio Introducción/Embriología: relevancia clínica y perspectiva histórica Parte 1 Embriología general Capítulo 1 Introducción a la regulación y la señalización moleculares Transcripción genética Otros reguladores de la expresión genética...

 ERRNVPHGLFRVRUJ Prefacio Introducción/Embriología: relevancia clínica y perspectiva histórica Parte 1 Embriología general Capítulo 1 Introducción a la regulación y la señalización moleculares Transcripción genética Otros reguladores de la expresión genética Inducción y formación de los órganos Señalización celular Vías de señalización clave para el desarrollo Resumen Capítulo 2 Gametogénesis: conversión de células germinales en gametos masculinos y femeninos Células germinales primordiales La teoría cromosómica de la herencia Cambios morfológicos durante la maduración de los gametos Resumen Capítulo 3 Primera semana de desarrollo: de la ovulación a la implantación Ciclo ovárico Fertilización Segmentación Formación del blastocisto Epiblasto, hipoblasto y formación del eje El útero en el momento de la implantación Resumen ERRNVPHGLFRVRUJ 12  ERRNVPHGLFRVRUJ Capítulo 4 Segunda semana del desarrollo: disco germinal bilaminar Día 8 Día 9 Días 11 y 12 Día 13 Resumen Capítulo 5 Tercera semana del desarrollo: disco germinal trilaminar Gastrulación: formación del ectodermo, el mesodermo y el endodermo embrionarios Formación de la notocorda Establecimiento de los ejes corporales El mapa del destino se establece durante la gastrulación Crecimiento del disco embrionario Desarrollo posterior del trofoblasto Resumen Capítulo 6 De la tercera a la octava semanas: el periodo embrionario Derivados de la capa germinal ectodérmica Derivados de la capa germinal mesodérmica Derivados de la capa germinal endodérmica Patrones de formación del eje anteroposterior: regulación por los genes de homeosecuencia Aspecto externo durante el segundo mes Resumen Capítulo 7 El tubo intestinal y las cavidades corporales Un tubo sobre otro Formación de la cavidad corporal Membranas serosas Diafragma y cavidad torácica Formación del diafragma Resumen Capítulo 8 Del tercer mes al nacimiento: el feto y la placenta Desarrollo del feto Membranas fetales y placenta Corion frondoso y decidua basal ERRNVPHGLFRVRUJ 13  ERRNVPHGLFRVRUJ Estructura de la placenta Amnios y cordón umbilical Cambios placentarios al final del embarazo Líquido amniótico Membranas fetales en gemelos Parto (nacimiento) Resumen Capítulo 9 Defectos congénitos y diagnóstico prenatal Malformaciones congénitas Diagnóstico prenatal Terapia fetal Resumen Parte 2 Embriología orientada por sistemas Capítulo 10 Esqueleto axial Cráneo Vértebras y columna vertebral Costillas y esternón Resumen Capítulo 11 Sistema muscular Musculatura esquelética estriada Inervación de los músculos del esqueleto axial Músculo esquelético y tendones Regulación molecular del desarrollo muscular Desarrollo de patrones musculares Musculatura de la cabeza Musculatura de las extremidades Músculo cardiaco Músculo liso Resumen Capítulo 12 Extremidades Crecimiento y desarrollo de las extremidades Musculatura de las extremidades Resumen Capítulo 13 Sistema cardiovascular ERRNVPHGLFRVRUJ 14  ERRNVPHGLFRVRUJ Establecimiento y definición de patrones del campo cardiaco primario Formación y posición del tubo cardiaco Formación del asa cardiaca Regulación molecular del desarrollo cardiaco Desarrollo del seno venoso Formación de los tabiques cardiacos Formación del sistema de conducción cardiaco Desarrollo vascular Circulación antes y después del nacimiento Resumen Capítulo 14 Sistema respiratorio Formación de las yemas pulmonares Laringe Tráquea, bronquios y pulmones Maduración de los pulmones Resumen Capítulo 15 Sistema digestivo Segmentos del tubo intestinal Regulación molecular del desarrollo del tubo intestinal Mesenterio Intestino anterior Regulación molecular de la inducción hepática Páncreas Intestino medio Intestino posterior Resumen Capítulo 16 Sistema urogenital Sistema urinario Sistema genital Resumen Capítulo 17 Cabeza y cuello Arcos faríngeos Bolsas faríngeas Hendiduras faríngeas Regulación molecular del desarrollo de la cara Lengua Glándula tiroides Cara ERRNVPHGLFRVRUJ 15  ERRNVPHGLFRVRUJ Segmento intermaxilar (premaxila) Paladar secundario Fosas nasales Dientes Regulación molecular del desarrollo de los dientes Resumen Capítulo 18 Sistema nervioso central Médula espinal Cerebro Regulación molecular del desarrollo cerebral Nervios craneales Sistema nervioso autónomo Resumen Capítulo 19 Oído Oído interno Oído medio Oído externo Audición Resumen Capítulo 20 Ojo Copa óptica y vesícula del cristalino Retina, iris y cuerpo ciliar Cristalino Coroides, esclerótica y córnea Humor vítreo Nervio óptico Regulación molecular del desarrollo del ojo Resumen Capítulo 21 Sistema tegumentario Piel Pelo Uñas de los dedos de manos y pies Glándulas sudoríparas Glándulas mamarias Resumen Parte 3 Apéndice ERRNVPHGLFRVRUJ 16 ERRNVPHGLFRVRUJ ERRNVPHGLFRVRUJ 23  ERRNVPHGLFRVRUJ La biología molecular ha abierto las puertas a nuevas vías para estudiar la embriología y para incrementar el conocimiento en torno al desarrollo normal y anormal. La secuenciación del genoma humano, junto con la creación de técnicas para investigar la regulación genética en muchos niveles de complejidad, ha llevado a la embriología al siguiente nivel. Así, desde el nivel anatómico hasta el bioquímico y luego el molecular, la historia de la embriología ha avanzado, y cada capítulo profundiza nuestro conocimiento. El desarrollo embrionario está dirigido por genomas que contienen toda la información que se requiere para formar a un individuo. La información está codificada en el ADN, en secuencias denominadas genes, que codifican proteínas. A su vez, algunas proteínas regulan la expresión de otros genes y actúan como moléculas de señalización que organizan el desarrollo. Existen alrededor de 23 000 genes en el genoma humano, que corresponden tan sólo a una quinta parte del número (100 000) esperado antes de completar el Proyecto Genoma Humano. Sin embargo, por efecto de los distintos niveles de regulación, el número de proteínas que derivan de estos genes se acerca más a la cifra calculada al inicio. Lo que se desechó es la hipótesis de un gen-una proteína. Así, por distintos mecanismos un solo gen puede dar origen a muchas proteínas. La expresión genética puede regularse en distintos niveles: (1) pueden transcribirse distintos genes, (2) el ADN que se transcribe de un gen puede procesarse de manera selectiva para regular cuáles ARN llegarán al citoplasma para convertirse en ARN mensajeros (ARNm), (3) los ARNm pueden experimentar traducción selectiva y (4) las proteínas que se sintetizan a partir de los ARNm pueden tener distintas modificaciones. TRANSCRIPCIÓN GENÉTICA Los genes están contenidos en un complejo de ADN y proteínas (en su mayoría, histonas) denominado cromatina, y su unidad estructural básica es el nucleosoma (Fig. 1-1). Cada nucleosoma está compuesto por un octámero de proteínas histonas y alrededor de 140 pares de bases de ADN. Los nucleosomas mismos forman cúmulos al enlazarse al ADN ubicado entre ellos ERRNVPHGLFRVRUJ 24  ERRNVPHGLFRVRUJ (ADN de enlace), con otras proteínas histonas (histonas H1; Fig. 1-1). Los nucleosomas mantienen el ADN enrollado con firmeza, de tal modo que la traducción puede atenuarse o limitarse. En este estado inactivo la cromatina adquiere un aspecto que recuerda a un collar de perlas, formadas por los nucleosomas sobre el hilo de ADN, y se le denomina heterocromatina. Para que la transcripción pueda tener lugar, el ADN que forma cada perla debe desenrollarse. En este estado de relajación o desenrollamiento, la cromatina se conoce como eucromatina. FIGURA 1-1 Ilustración en que se observan los nucleosomas que forman la unidad básica de la cromatina. Cada nucleosoma está constituido por un octámero de proteínas histonas y alrededor de 140 pares de bases de ADN. Los nucleosomas se unen para formar cúmulos por medio del ADN de enlace y otras proteínas histonas. Los genes residen en la cadena de ADN y contienen dos regiones: exones, que pueden transcribirse en proteínas, e intrones, dispersos entre los exones y que se transcriben para formar proteínas pero se eliminan en el procesamiento post-transcripcional (Fig. 1-2). Además de los exones y los intrones, un gen típico incluye lo siguiente: una región promotora que se une a la polimerasa del ARN para dar inicio a la transcripción; un sitio de inicio de la transcripción; un sitio de inicio de la traducción para identificar al primer aminoácido de la proteína; un codón de terminación de la traducción; y una región 3’ que no se traduce e incluye una secuencia (el sitio de adición de cola poli A) que ayuda a estabilizar al ARNm, le permite salir del núcleo y luego ser traducido en una proteína (Fig. 1-2). Por convención, las regiones 5’ y 3’ de un gen se especifican con relación al ARN que se transcribe a partir del gen. Así, el ADN se transcribe del extremo 5’ al 3’, y la región promotora se ubica en un sitio proximal a aquél en que inicia la transcripción (Fig. 1-2). La región promotora, sitio en que se une la polimerasa del ARN, suele contener la secuencia TATA, y a este sitio se denomina caja TATA (Fig. 1-2). Sin embargo, para poder unirse a ese sitio, la polimerasa requiere proteínas adicionales denominadas factores de transcripción (Fig. 1-3). Los factores de transcripción tienen un dominio de unión al ADN específico, además de un dominio de transactivación que activa o inhibe la transcripción del gen a cuyo ERRNVPHGLFRVRUJ 25  ERRNVPHGLFRVRUJ promotor o potenciador se une. En combinación con otras proteínas, los factores de transcripción activan o reprimen la expresión genética al hacer que el complejo del nucleosoma de ADN se desenrolle, al liberar a la polimerasa de modo que pueda transcribir la plantilla de ADN, y al evitar que se formen nucleosomas nuevos. Los potenciadores son elementos reguladores del ADN que activan la utilización de los promotores para controlar su eficiencia y la velocidad de la transcripción a partir del promotor. Los potenciadores pueden ubicarse en cualquier sitio de la cadena de ADN y no tienen que ubicarse cerca del promotor. Al igual que los promotores, los potenciadores se unen a factores de transcripción (por medio del dominio de transactivación del factor de transcripción) y se utilizan para regular el momento en que se expresa un gen y su localización específica en la célula. Por ejemplo, potenciadores independientes en un gen pueden utilizarse para indicarle que se exprese en distintos tejidos. El factor de transcripción PAX6, que participa en el desarrollo del páncreas, el ojo y el tubo neural cuenta con tres potenciadores independientes, cada uno de los cuales regula la expresión genética en el tejido correspondiente. Los potenciadores actúan al modificar la cromatina para exponer al promotor, o al facilitar la unión de la polimerasa del ARN. En ocasiones, los potenciadores pueden inhibir la transcripción y se denominan silenciadores. Este fenómeno permite al factor de transcripción activar un gen al tiempo que silencia a otro, gracias a su unión a distintos potenciadores. Así, los factores de transcripción también poseen un dominio de unión al ADN específico para una región de la cadena, además de un dominio transactivador que se une a un promotor o potenciador, y activa o inhibe al gen regulado por estos elementos. FIGURA 1-2 Ilustración de un gen “típico” en que se aprecia la región promotora que contiene la caja TATA; exones que contienen secuencias de ADN que se traducen en proteínas; intrones; el sitio de inicio de la transcripción; el sitio de inicio de la traducción, que designa el código para el primer aminoácido de una proteína; y regiones 3’ que no se traducen, entre las que se encuentran el sitio de adición de la cola poli A, que participa en la estabilización del ARNm y le permite tanto salir del núcleo como ser traducido en una proteína. ERRNVPHGLFRVRUJ 26  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 1-3 Ilustración que muestra la unión de la polimerasa tipo II del ARN al sitio de la caja TATA de la región promotora de un gen. Para esta unión se requiere un complejo de proteínas, además de una proteína adicional denominada factor de transcripción. Los factores de transcripción cuentan con su propio y específico dominio de unión al ADN, y actúan para regular la expresión genética. La metilación del ADN reprime la transcripción La metilación de las bases de citosina en las regiones promotoras de los genes impide su transcripción. Así, ciertos genes son silenciados por este mecanismo. Por ejemplo, uno de los cromosomas X en cada célula de la mujer se inactiva (inactivación del cromosoma X) por este mecanismo de metilación. De manera similar, los genes en distintos tipos de células son reprimidos mediante metilación, de tal modo que las células musculares sintetizan proteínas musculares (su ADN promotor se encuentra en su mayor parte desmetilado) pero no proteínas de la sangre (el ADN correspondiente muestra metilación intensa). De esta forma, cada célula puede mantener su estado diferenciado característico. La metilación del ADN también es responsable de la impronta genética, en que sólo se expresa un gen heredado del padre o la madre, en tanto el otro se silencia. Alrededor de 40 a 60 genes humanos sufren impronta, y sus patrones de metilación se establecen durante la espermatogénesis y la ovogénesis. La metilación silencia al ADN al impedir la unión de factores de transcripción o al alterar la unión de las histonas, lo que da origen a la estabilización de los nucleosomas y a un ADN firmemente enrollado que no puede transcribirse. OTROS REGULADORES DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA La transcripción inicial de un gen se denomina ARN nuclear (ARNn), o en ocasiones ARN premensajero. El ARNn es más largo que el ARNm debido a que contiene intrones que son eliminados (desempalmados) al tiempo que el ARNn se desplaza desde el núcleo hasta el citoplasma. De hecho, este proceso de empalme (splicing) proporciona a las células un medio para producir proteínas distintas a partir de un solo gen. Por ejemplo, al eliminar intrones diferentes, los exones se “empalman” con distintos patrones, proceso denominado empalme alternativo (Fig. 1-4). El proceso es llevado a cabo por los espliceosomas, que son complejos de ARN nuclear pequeño (ARNnp) y proteínas que reconocen sitios de empalme específicos en los extremos 5’ o 3’ ERRNVPHGLFRVRUJ 27  ERRNVPHGLFRVRUJ del ARNn. Las proteínas que derivan de un mismo gen se denominan isoformas de empalme (también llamadas variantes de empalme o formas de empalme alternativas) y confieren a distintas células la oportunidad de usar el mismo gen para producir proteínas específicas para su tipo celular. Por ejemplo, las isoformas del gen WT1 tienen distintas funciones en el desarrollo gonadal y el renal. Incluso después de que se sintetiza (traduce) una proteína, puede sufrir modificaciones postraduccionales que afectan su función. Por ejemplo, algunas proteínas tienen que ser cortadas para activarse, o pueden requerir fosforilación. Otras necesitan combinarse con otras proteínas o ser liberadas a partir de espacios confinados, o ser dirigidas a regiones celulares específicas. Así, existen muchos niveles de regulación para la síntesis y la activación de proteínas, de tal modo que, si bien sólo existen 23 000 genes, el número potencial de proteínas que puede sintetizarse se aproxima quizá a cinco veces el número de genes. FIGURA 1-4 Dibujo de un gen hipotético, que ilustra el proceso de corte y empalme alternativo para constituir distintas proteínas a partir de un mismo gen. Los espliceosomas reconocen sitios específicos en el transcrito inicial del ARNn de un gen. En función de estos sitios, los distintos intrones son “escindidos” para dar origen a más de una proteína a partir de un solo gen. Las proteínas que derivan del mismo gen se denominan isoformas de empalme. INDUCCIÓN Y FORMACIÓN DE LOS ÓRGANOS Los órganos se forman por las interacciones entre las células y los tejidos. La mayor parte de las veces un grupo de células o tejidos hace que cambie el destino de otro grupo similar, proceso denominado inducción. En cada interacción un tipo de célula o tejido es el inductor que produce la señal, y otro es el que responde a esa señal. La capacidad de respuesta a una señal de este tipo se denomina competencia y requiere la activación del tejido de respuesta por un factor de competencia. Ocurren muchas interacciones inductivas entre las células epiteliales y mesenquimatosas, que se denominan interacciones epitelio-mesénquima (Fig. 1-5). Las células epiteliales se unen entre sí formando tubos o láminas, en tanto las células mesenquimatosas tienen aspecto ERRNVPHGLFRVRUJ 28  ERRNVPHGLFRVRUJ fibroblástico y se encuentran dispersas en las matrices extracelulares (Fig. 1-5). Algunos ejemplos de interacciones epitelio-mesénquima son los siguientes: endodermo intestinal y mesénquima circundante para formar órganos derivados del intestino, entre ellos hígado y páncreas; mesénquima de las extremidades con ectodermo suprayacente (epitelio) para producir el crecimiento de las extremidades y su diferenciación; endodermo de la yema ureteral y el mesénquima del blastema metanéfrico para producir nefronas en el riñón. Las interacciones inductivas también pueden ocurrir entre dos tejidos epiteliales, como la inducción del cristalino por el epitelio de la copa óptica. Si bien una señal inicial del inductor al elemento de respuesta da inicio el evento inductivo, la intercomunicación entre ambos tejidos o tipos de células resulta esencial para que la diferenciación continúe (Fig. 1-5, flechas). SEÑALIZACIÓN CELULAR La señalización entre células resulta esencial para la inducción, a fin de conferir competencia para responder, y para que las células que inducen y las que responden mantengan la intercomunicación. Estas líneas de comunicación se establecen mediante interacciones paracrinas, en que proteínas sintetizadas por una célula se difunden a distancias cortas para interactuar con otras células, o bien por interacciones yuxtacrinas, que no implican a proteínas susceptibles de difusión. Las proteínas difusibles responsables de la señalización paracrina se denominan factores paracrinos o factores de crecimiento y diferenciación (GDF, del inglés Growth and Differentiation Factors). Vías de transducción de señales Señalización paracrina Los factores paracrinos actúan por medio de vías de transducción de señales, ya sea al activar de manera directa una vía o bloquear la actividad de un inhibidor de una vía (inhibir al inhibidor, como en el caso de la vía de señalización hedgehog). Las vías de transducción de señales cuentan con una molécula de señalización (el ligando) y un receptor (Fig. 1-6). El receptor se extiende a través de la membrana celular y tiene un dominio extracelular (la región de unión al ligando), un dominio transmembrana y un dominio citoplásmico. Cuando un ligando se une a su receptor induce en él un cambio de conformación que activa su dominio citoplásmico. Por lo general, el resultado de esta activación es el desarrollo de actividad enzimática en el receptor, que las más de las veces corresponde a la de una cinasa capaz de fosforilar otras proteínas utilizando ATP como sustrato. A su vez, la fosforilación activa a estas proteínas para que fosforilen proteínas adicionales y, así, se establece una cascada de interacciones proteicas que por último activa a un factor de transcripción. Este factor de transcripción activa entonces la expresión genética, o la inhibe. Las vías son numerosas y complejas, y en algunos casos ERRNVPHGLFRVRUJ 29  ERRNVPHGLFRVRUJ están constituidas por una proteína que inhibe a otra, que a su vez activa a una tercera (en gran medida como lo que ocurre en la vía de señalización hedgehog). FIGURA 1-5 Imagen que ilustra la interacción epiteliomesénquima. Siguiendo una señal inicial de un tejido, un segundo tejido es inducido a diferenciarse para generar una estructura específica. El primer tejido es el inductor y el segundo es el elemento de respuesta. Una vez que el proceso de inducción inicia, se transmiten señales (flechas) en ambas direcciones para completar el proceso de diferenciación. FIGURA 1-6 Esquema de una vía de transducción de señales típica que implica a un ligando y a su receptor. La activación del receptor se establece mediante la unión del ligando. De manera característica, la activación es enzimática e implica a una cinasa de tirosina, si bien puede recurrirse a otras enzimas. Por último, la actividad de cinasa da origen a una cascada de fosforilación de varias proteínas, que activa a un factor de transcripción para regular la expresión génica. Señalización yuxtacrina La señalización yuxtacrina está mediada de igual modo por vías de transducción de señales, pero no recurre a factores difusibles. En vez de esto, existen tres mecanismos por los que ocurre la señalización yuxtacrina: (1) una proteína ubicada sobre una superficie celular interactúa con un receptor en una ERRNVPHGLFRVRUJ 30  ERRNVPHGLFRVRUJ célula adyacente, en un proceso análogo a la señalización paracrina (Fig. 1-6). La vía Notch constituye un ejemplo de este tipo de señalización (véase “Vías de señalización clave para el desarrollo”, p. 8). (2) Los ligandos secretados por una célula hacia la matriz extracelular interactúan con receptores específicos en las células vecinas. La matriz extracelular es el medio en el que residen las células. Este medio está constituido por moléculas grandes secretadas por las células, como colágena, proteoglucanos (condroitinsulfatos, ácido hialurónico, entre otros) y glucoproteínas, como fibronectina y laminina. Estas moléculas conforman un sustrato sobre el cual las células pueden fijarse o migrar. Por ejemplo, la laminina y la colágena tipo IV son componentes de la lámina basal para el anclaje de las células epiteliales, en tanto las moléculas de fibronectina constituyen andamios para la migración celular. Los receptores que unen a las moléculas extracelulares como la fibronectina y la laminina con las células se denominan integrinas. Estos receptores “integran” a las moléculas de la matriz con la maquinaria del citoesqueleto de una célula (p. ej., microfilamentos de actina), con lo que le confieren capacidad para migrar siguiendo el andamiaje de la matriz mediante el uso de proteínas contráctiles, como la actina. De igual modo, las integrinas pueden inducir la expresión génica y regular la diferenciación, como en el caso de los condrocitos que deben enlazarse con la matriz para formar cartílago. (3) Existe una transmisión directa de señales de una célula a otra mediante las uniones gap (uniones en hendidura o uniones comunicantes). Estas uniones se comportan como conductos ubicados entre las células, a través de los cuales pueden pasar moléculas pequeñas y iones. Este tipo de comunicación es importante en células que se encuentran en unión estrecha, como las del epitelio del intestino y del tubo neural, puesto que permiten a las células interactuar en concierto. Las uniones mismas están formadas por proteínas conexinas, que forman un canal, y estos conductos están “conectados” entre células adyacentes. Es importante señalar que existe gran redundancia en el proceso de transducción de señales. Por ejemplo, las familias de las moléculas de señalización paracrina a menudo tienen muchos miembros, de modo que otros genes de la familia pueden compensar la pérdida de una de sus contrapartes. Así, la pérdida de la función de una proteína de señalización por la mutación de un gen no necesariamente da origen al desarrollo anormal o la muerte. Además, existe intercomunicación entre las vías, de manera que tienen interconexión íntima. Estas conexiones proveen puntos adicionales numerosos para regular la señalización. Factores de la señalización paracrina Existe un gran número de factores de señalización paracrina que actúan como ligandos, y que también se denominan GDF. Casi todos ellos se agrupan en cuatro familias, cuyos sus miembros se utilizan en forma repetida para regular el desarrollo y la diferenciación de los sistemas orgánicos. Por otra parte, los mismos GDF regulan el desarrollo de los órganos en todo el reino animal, desde ERRNVPHGLFRVRUJ 31  ERRNVPHGLFRVRUJ la Drosophila hasta el humano. Los cuatro grupos de GDF más importantes durante el desarrollo incluyen a las familias del factor de crecimiento de fibroblastos (FGF), el WNT, el hedgehog y factor de crecimiento transformante beta (TGF-β). Cada familia de GDF interactúa con su propia familia de receptores, y estos receptores son tan importantes como las moléculas de señalización mismas para determinar el efecto de una señal. Factores de crecimiento de fibroblastos De origen llamados así por estimular el crecimiento de los fibroblastos en el cultivo, en la actualidad se han identificado cerca de dos docenas de genes FGF capaces de producir cientos de isoformas proteicas mediante la modificación del empalme de su ARN o sus codones de inicio. Las proteínas FGF codificadas por estos genes activan una serie de receptores de cinasas de tirosina que se denominan receptores de factores de crecimiento de fibroblastos (FGFR). A su vez, estos receptores activan distintas vías de señalización. Los FGF son en particular relevantes en la angiogénesis, el crecimiento axónico y la diferenciación del mesodermo. Si bien existe redundancia en la familia, de modo que los FGF en ocasiones pueden sustituirse entre sí, FGF específicos pueden ser responsables de eventos precisos del desarrollo. Por ejemplo, el FGF8 es importante para el desarrollo de las extremidades y partes del cerebro. Proteínas hedgehog El gen hedgehog recibió su nombre debido a que codifica un fenotipo o patrón de cerdas que genera un aspecto similar al de un erizo terrestre (hedgehog en inglés) en la pata de la Drosophila. En los mamíferos existen tres genes hedgehog: desert, Indian y sonic. La proteína Sonic hedgehog (SHH) está implicada en un gran número de eventos del desarrollo (véase “Vías de señalización clave para el desarrollo”, p. 8). Proteínas WNT Existen por lo menos 15 genes WNT distintos, que se relacionan con el gen de polaridad segmentaria wingless de la Drosophila. Sus receptores son miembros de la familia frizzled de proteínas. Las proteínas WNT están implicadas en la regulación de patrones en las extremidades, el desarrollo del cerebro medio y ciertos aspectos de la diferenciación de somitas y estructuras urogenitales, entre otras acciones. La superfamilia del TGF-β La superfamilia del TGF-β cuenta con más de 30 miembros e incluye a los TGF-β, las proteínas morfogenéticas óseas (BMP), la familia de la activina, el factor de inhibición mülleriano (MIF, hormona antimülleriana), y otros. El primer miembro reconocido de la familia, el TGF-β1, se aisló a partir de ERRNVPHGLFRVRUJ 32  ERRNVPHGLFRVRUJ células transformadas por virus. Los miembros de la familia del TGF-β son importantes para la formación de la matriz extracelular y la ramificación epitelial que se observa durante el desarrollo de pulmones, riñón y glándulas salivales. La familia BMP induce la formación del hueso y participa en la regulación de la división celular, la muerte celular (apoptosis) y la migración celular, entre otras funciones. Otras moléculas de señalización paracrina Otro grupo de moléculas de señalización paracrina con relevancia durante el desarrollo corresponde a los neurotransmisores, entre ellos serotonina, ácido gammaaminobutírico (GABA), adrenalina y noradrenalina, que actúan como ligandos y se unen a receptores al igual que las proteínas. Estas moléculas no son sólo transmisores para las neuronas; también aportan señales importantes para el desarrollo embrionario. Por ejemplo, la serotonina (5-HT) actúa como ligando de un gran número de receptores, casi todos los cuales se encuentran acoplados a proteínas G. Al actuar a través de estos receptores, la 5-HT regula diversas funciones celulares, entre otras la proliferación y la migración celulares, y es importante para establecer la lateralidad, la gastrulación, el desarrollo cardiaco y otros procesos durante las fases de diferenciación tempranas. La noradrenalina también actúa por medio de receptores y parece participar en la apoptosis (muerte celular programada) en los espacios interdigitales, así como en otros tipos de células. VÍAS DE SEÑALIZACIÓN CLAVE PARA EL DESARROLLO Sonic hedgehog: el gen maestro de la embriogénesis En los días previos a la biología molecular los embriólogos estaban convencidos de la existencia de una señal maestra que dirigía todo el desarrollo embrionario. Esta señal actuaría como morfógeno, una molécula secretada que establecería gradientes de concentración e instruiría a las células en cuanto al mecanismo para convertirse en tejidos y órganos distintos. Si bien en la actualidad se sabe que existe un gran número de moléculas de señalización que regulan el desarrollo de manera coordinada, la proteína SHH es la que entre todas ellas se acerca más a cumplir el papel de morfógeno maestro. Esta proteína está implicada en el desarrollo de la vasculatura, la formación del eje izquierda- derecha, la línea media, el cerebelo, los patrones neurales, las extremidades, los patrones del músculo liso, el corazón, el intestino, la faringe, los pulmones, el páncreas, los riñones, la vejiga, los folículos pilosos, los dientes, los timocitos, el oído interno, los ojos y las papilas gustativas: una verdadera plétora de eventos del desarrollo. La vía de señalización sonic se muestra en la figura 1-7. La proteína se une a su receptor patched (Ptc), una proteína que de ordinario inhibe ERRNVPHGLFRVRUJ 33  ERRNVPHGLFRVRUJ a la proteína similar a receptores Smoothened (Smo). Tras la unión de la SHH al Ptc se elimina la actividad del segundo y se suprime la inhibición de Smo, que por último se activa para generar una regulación positiva de la actividad de los factores de transcripción de la familia Gli (1 a 3), que controlan la expresión de genes blanco. La especificidad de la expresión de SHH en distintos tipos de células se encuentra regulada por elementos potenciadores múltiples que actúan de manera independiente para controlar la transcripción de SHH en distintas células y tejidos. ERRNVPHGLFRVRUJ 34  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 1-7. Esquemas que ilustran la vía de señalización Sonic hedgehog (SHH). A. Imagen de una célula que muestra la inhibición de Smoothened mediada por Patched, que bloquea la activación de las proteínas Gli, que de ordinario transducen la señal de SHH. B. Imagen que muestra la unión de SHH a su receptor Patched, con lo que elimina la inhibición que éste ejerce sobre Smoothened. La activación de este último provoca una regulación positiva de los factores de transcripción Gli, que se unen al ADN y controlan a los genes efectores distales en la vía SHH. La proteína SHH tiene ciertas características únicas, entre ellas el hecho de ERRNVPHGLFRVRUJ 35  ERRNVPHGLFRVRUJ que después de su síntesis es escindida y se le agrega colesterol al C-terminal de su dominio N-terminal. Es la adición del colesterol la que permite el enlace de la SHH con la membrana plasmática. A continuación se agrega una entidad de ácido palmítico al extremo N-terminal y la SHH adquiere funcionalidad completa. Su liberación a partir de la membrana plasmática depende de la proteína transmembrana Dispatched, y en ese punto, la SHH puede establecer los gradientes de concentración característicos de su actividad como morfógeno. Polaridad celular planar: la vía de la extensión convergente La vía de la polaridad celular planar (PCP) regula el proceso de extensión convergente por el cual un tejido se elonga y estrecha (Fig. 1-8A). Por ejemplo, durante la formación del tubo neural (neurulación), la placa neural se estrecha y elonga para dar origen al surco neural, ubicado entre las crestas neurales. De manera similar, durante la gastrulación las células se desplazan en sentido medial y el eje embrionario se elonga. Otros ejemplos de extensión convergente incluyen la elongación del tracto de salida cardiaco y el desplazamiento de los pliegues laterales de la pared corporal hacia la línea media. Para la extensión convergente se requieren cambios de la configuración de las células a la par de su desplazamiento e intercalación con otras células (Fig. 1-8A). La PCP hace referencia a la reorganización de las células y las láminas celulares en el plano de un tejido, como lo que ocurre durante la extensión convergente. La vía de señalización principal para la PCP es la vía WNT no canónica, que incluye al receptor Wnt Frizzled (Fz) y a otras dos proteínas transmembrana denominadas Celsr y Vangl (Fig. 1-8B). Estas proteínas transmembrana tienen como objetivo principal la activación de DISHEVELLED (Dvl), ya sea de manera directa o por mediación de efectores distales, como prickle (Pk) y Diego (Dgo). A su vez, la Dvl regula la vía de señalización de las cinasas Rho y Rac para generar una regulación positiva de las cinasas N- terminales de c-Jun (JNK), que controlan los cambios del citoesqueleto, así como otros efectores distales entre los que se encuentra factores de transcripción. Se ha demostrado que las mutaciones de muchos de estos genes, entre ellos FZ, CELSR, VANGL y DVL, inducen defectos del cierre del tubo neural en ratones, en tanto las mutaciones de los genes VANGL se han vinculado con este tipo de defectos en el humano. La vía Notch Los receptores transmembrana Notch se unen a ligandos transmembrana de la familia DSL (delta/Serrate/LAG-2), que requieren el contacto directo entre células (señalización yuxtacrina) para permitir la transmisión de señales. En el mamífero existen cuatro miembros de la familia Notch y cinco ligandos transmembrana (jagged 1 y 2, y delta 1 a 3). La unión de una de esas proteínas al receptor Notch induce un cambio de conformación en la proteína Notch, de tal modo que su porción ubicada en el lado citoplásmico de la membrana se ERRNVPHGLFRVRUJ 36  ERRNVPHGLFRVRUJ escinde. La vía es muy directa en el sentido de que no participan segundos mensajeros. Así, la porción escindida de la proteína ingresa de manera directa al núcleo y se enlaza con una proteína de unión al ADN que de ordinario reprime la transcripción de los genes blanco de Notch. La unión de Notch elimina la actividad inhibidora del represor y permite la activación de genes distales (Fig. 1-9). La señalización Notch está implicada en la proliferación celular, la apoptosis y las transiciones epitelio-mesénquima. Es en particular importante en la diferenciación neuronal, la formación de vasos sanguíneos y la especificación (angiogénesis), la segmentación de somitas, el desarrollo de las células β del páncreas, la diferenciación de las células B y T en el sistema inmunitario, el desarrollo de las células ciliadas del oído interno y la tabicación del tracto de salida cardiaco. Las mutaciones de JAG1 o NOTCH2 inducen el síndrome de Alagille, que se caracteriza por defectos del tracto de salida cardiaco, así como anomalías esqueléticas, oculares, renales y hepáticas. Las mutaciones JAG1 también se han vinculado con casos de tetralogía de Fallot (un defecto del tracto de salida cardiaco). RESUMEN Durante el siglo pasado la embriología pasó de ser una ciencia basada en la observación a una experimental que recurre a avances tecnológicos y moleculares sofisticados. Juntas, observación y técnicas modernas, generan una comprensión más clara del origen del desarrollo normal y el anormal y, a su vez, sugieren alternativas para prevenir, diagnosticar y tratar los defectos congénitos. En este sentido, el conocimiento de la función de los genes creó estrategias completamente nuevas para abordar el tema. Existen alrededor de 23 000 genes en el genoma humano, pero codifican cerca de 100 000 proteínas. Los genes se encuentran contenidos en un complejo de ADN y proteínas que se denomina cromatina, cuya unidad estructural básica es el nucleosoma. La cromatina que muestra un enrollamiento intenso, con “perlas” de nucleosomas pendiendo de un “hilo”, se denomina heterocromatina. Para que la transcripción sea posible, el ADN que forma las “perlas” debe relajarse o desenrollarse y convertirse en eucromatina. Los genes residen en las cadenas de ADN y contienen regiones que pueden transducirse en proteínas denominadas exones y regiones no susceptibles de transducción denominadas intrones. Un gen típico también tiene una región promotora que se une a la polimerasa del ARN para dar inicio a la transcripción, un sitio de inicio de la transcripción para designar el primer aminoácido de la proteína, un codón de terminación de la traducción y una región 3’ que no se traduce e incluye una secuencia (el sitio de adición de la cola poli A) que ayuda a estabilizar el ARNm. La polimerasa del ARN se une a la región promotora que suele contener la secuencia TATA, la caja TATA. Para la unión se requieren proteínas adicionales denominadas factores de transcripción. La metilación de las bases de citosina en la región promotora silencia a los genes e impide su ERRNVPHGLFRVRUJ 37  ERRNVPHGLFRVRUJ transcripción. Este proceso es responsable de la inactivación del cromosoma X, por el cual la expresión de los genes de uno de los cromosomas X en la mujer queda silenciada, al igual que de la impronta genómica por la que se reprime la expresión de un gen, ya sea paterno o materno. FIGURA 1-8 A. Esquema que ilustra el proceso de extensión convergente por el que las células se intercalan con sus vecinas para incrementar el eje longitudinal de un tejido, como ocurre durante la elongación del tubo neural en la neurulación. La extensión convergente depende de la vía PCP (la reorganización de las células y las láminas celulares en el plano de un tejido), que está regulada por la vía de señalización WNT no canónica. B. Wnt se une a su receptor Frizzled que, junto con las proteínas transmembrana Celsr y Vangl, activan a DISHEVELLED. Esta última actúa entonces por medio de las cinasas Rho y Rac para generar una regulación positiva de las cinasas N-terminales de c-Jun (JNK), que controlan los cambios del citoesqueleto y a efectores distales, entre ellos factores de transcripción. ERRNVPHGLFRVRUJ 38  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 1-9 Imagen que ilustra la señalización por la vía Notch. Los receptores Notch ubicados en una célula se unen a un ligando de la familia DSL (Jagged o Serrate) localizado en una célula adyacente (señalización yuxtacrina), y esta interacción receptor-ligando activa a la enzima proteolítica que escinde a la proteína Notch para producir el truncamiento extracelular de la Notch (Notch extracellular truncation, NEXT) activada anclada a membrana. El NEXT es escindido entonces por una secretasa intracelular que da origen a la liberación del dominio intracelular de Notch (Notch intracellular domain, NICD), que representa la porción de señalización activa del receptor Notch original. El NICD sufre translocación directa al núcleo, donde se une a represores de la transcripción y elimina su actividad inhibidora sobre los genes blanco distales de la vía Notch. Pueden sintetizarse diferentes proteínas a partir de un solo gen por un proceso denominado empalme alternativo, que elimina diferentes intrones utilizando espliceosomas. Las proteínas que se obtienen de este modo se denominan isoformas de empalme o variantes de empalme. De igual modo, las proteínas pueden alterarse mediante modificación postraduccional, como fosforilación o escisión. La inducción es el proceso por el cual un grupo de células o tejidos (el inductor) hace que otro grupo (el respondedor) modifique su destino. La capacidad de respuesta se denomina competencia, y debe ser conferida por un factor de competencia. Muchos fenómenos de inducción implican ERRNVPHGLFRVRUJ 39  ERRNVPHGLFRVRUJ interacciones epitelio-mesénquima. Las vías de transducción de señales incluyen a una molécula de señalización (el ligando) y a un receptor. El receptor suele extenderse por la membrana celular y se activa por la unión de su ligando específico. La activación suele implicar la capacidad para fosforilar otras proteínas, las más de las veces como cinasa. Esta activación establece una cascada de actividad enzimática entre proteínas, que por último activa a un factor de transcripción para dar inicio a la expresión génica. La señalización de célula a célula puede ser de tipo paracrino, en que se ven implicados factores difusibles, o yuxtacrino, en que participan distintos factores no difusibles. Las proteínas responsables de la señalización paracrina se denominan factores paracrinos o GDF. Existen cuatro familias principales de GDF: FGF, WNT, hedgehog y TGF-β. Además de las proteínas, neurotransmisores como la serotonina (5-HT) y la noradrenalina también actúan mediante señalización paracrina, en la que fungen como ligandos y se unen a receptores para desencadenar respuestas celulares específicas. Los factores yuxtacrinos pueden incluir productos de la matriz extracelular, ligandos unidos a la superficie celular y comunicaciones directas de célula a célula. Existen muchas vías de señalización celular con relevancia para el desarrollo, pero dos vías clave implican a la proteína SHH y a la vía WNT no canónica, mejor conocida como vía PCP, que regula la extensión convergente. SHH es casi un gen maestro, y cuando los productos proteicos de este gen se unen a su receptor patched anulan la inhibición que éste causa sobre smoothened. Una vez activado, smoothened induce regulación positiva de la familia Gli de factores de transcripción, que controla la señalización distal generada por la proteína SHH. La proteína SHH es un factor difusible al que se encuentra unida una molécula de colesterol, que actúa como morfógeno al establecer gradientes de concentración que regulan las respuestas celulares. La señalización de SHH está implicada en muchos eventos del desarrollo, entre ellos el establecimiento de la línea media y la asimetría izquierda-derecha, al igual que la generación de patrones en muchos órganos. La PCP regula los movimientos de las células y las láminas celulares en el plano de un tejido, de tal modo que las células se intercalan una con otra y permiten la elongación del tejido, un proceso denominado extensión convergente. Estos tipos de desplazamientos celulares son responsables de la elongación del embrión y del tubo neural durante la gastrulación y la neurulación, respectivamente. Varios genes participan en la regulación de este proceso, entre ellos WNT y su receptor FRIZZLED, CELSR y VANGL, que codifican proteínas transmembrana, DISHEVELLED, que codifica una proteína que actúa por medio de las cinasas Rho y Rac para afectar el citoesqueleto, y otros más que regulan los movimientos celulares. Las mutaciones de estos genes generan defectos del cierre del tubo neural en ratones, en tanto los que afectan a VANGL se han vinculado con este tipo de defectos en los humanos. ERRNVPHGLFRVRUJ 40  ERRNVPHGLFRVRUJ Problemas a resolver 1. ¿Qué quiere decir “competencia para responder” como parte del proceso de inducción? ¿Qué tejidos son los implicados con más frecuencia en la inducción? Dé dos ejemplos. 2. Bajo condiciones normales los FGF y sus receptores (FGFR) son responsables del crecimiento del cráneo y del desarrollo de las suturas craneales. ¿Cómo podrían interrumpirse estas vías de señalización? ¿Estas vías implican señalización de tipo paracrino o yuxtacrino? ¿Puede usted pensar en alguna alternativa por la que el efecto de la pérdida de la expresión de un FGF pudiera evitarse? ERRNVPHGLFRVRUJ 41  ERRNVPHGLFRVRUJ CÉLULAS GERMINALES PRIMORDIALES El desarrollo comienza con la fecundación, el proceso por el cual el gameto masculino, el espermatozoide, y el gameto femenino, el ovocito, se unen para dar origen a un cigoto. Los gametos derivan de células germinales primordiales (CGP) que se forman en el epiblasto durante la segunda semana, se desplazan por la estría primitiva durante la gastrulación y migran hacia la pared del saco vitelino (Fig. 2-1). Durante la cuarta semana estas células comienzan a migrar desde el saco vitelino hacia las gónadas en desarrollo, a las que llegan al final de la quinta semana. Las divisiones mitóticas se incrementan durante su migración y también una vez que llegaron a la gónada. En su preparación para la fecundación, las células germinales pasan por el proceso de gametogénesis, que incluye la meiosis, para disminuir el número de cromosomas, y la citodiferenciación, para completar su maduración. FIGURA 2-1 Embrión al final de la tercera semana, en que se aprecia la posición de las células germinales primordiales (CGP) en la pared del saco vitelino, cerca del sitio en que se insertará el cordón umbilical. A partir de este punto, las células migran hacia la gónada en desarrollo. ERRNVPHGLFRVRUJ 42  ERRNVPHGLFRVRUJ Correlaciones clínicas Células germinales primordiales y teratomas Los teratomas son tumores de origen incierto que a menudo contienen distintos tejidos, como hueso, cabello, músculo, epitelio intestinal y otros. Se piensa que estos tumores derivan de células troncales pluripotenciales capaces de diferenciarse en cualquiera de las tres capas germinales o sus derivados. Cierta evidencia sugiere que las CGP que se desvían de sus rutas de migración normales pudieran ser responsables de la formación de algunos de estos tumores (Fig. 2-2). Otra fuente pudiera corresponder a las células epiblásticas, que dan origen a las tres capas germinales durante la gastrulación (véanse p. 66 y Fig. 5-9, p. 67). FIGURA 2-2 Teratoma orofaríngeo. Estos tumores pudieran derivar de las CGP o de células epiblásticas (v. el Cap. 5), ambas pluripotenciales. Los tejidos contenidos en los tumores incluyen derivados de las tres capas germinales, y pueden identificarse intestino, hueso, piel, dientes y otras estructuras. LA TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA Los rasgos de un individuo nuevo son determinados por genes específicos contenidos en los cromosomas heredados del padre y la madre. Los humanos tienen alrededor de 23 000 genes en 46 cromosomas. Los genes de un ERRNVPHGLFRVRUJ 43  ERRNVPHGLFRVRUJ cromosoma tienden a heredarse juntos, de modo que se conocen como genes ligados. En las células somáticas los cromosomas se aprecian como 23 pares homólogos que dan origen al número diploide de 46. Existen 22 pares de cromosomas, los autosomas, y un par de cromosomas sexuales. Si el par sexual es XX el individuo tiene una genética femenina; si el par es XY el individuo tiene genética masculina. Un cromosoma de cada par deriva del gameto materno, el ovocito, y uno del gameto paterno, el espermatozoide. Así, cada gameto contiene un número haploide de 23 cromosomas, y la unión de los gametos en el momento de la fecundación restablece el número diploide de 46. Mitosis La mitosis es el proceso por el cual una célula se divide y da origen a dos células hijas con una carga genética idéntica a la de la célula progenitora (Fig. 2- 3). Cada célula hija recibe un juego completo de 46 cromosomas. Antes de que una célula inicie la mitosis, el ADN de cada cromosoma se duplica. Durante esta fase de replicación los cromosomas son en extremo largos, se extienden en forma difusa por el núcleo y no pueden ser reconocidos con el microscopio de luz. Al iniciar la mitosis, los cromosomas comienzan a enrollarse, contraerse y condensarse; estos eventos marcan el inicio de la profase. Cada cromosoma queda constituido entonces por dos subunidades paralelas, las cromátidas hermanas, que se encuentran unidas por una región estrecha común a ambas, que se denomina centrómero. Durante la profase los cromosomas se siguen condensando, acortando y engrosando (Fig. 2-3 A), pero es sólo en la prometafase que las cromátidas pueden visualizarse (Fig. 2-3 B). Durante la metafase los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial y su estructura doble puede observarse con claridad (Fig. 2-3 C). Cada cromosoma está unido a microtúbulos que se extienden desde el centrómero hasta el centriolo para formar el huso mitótico. Pronto el centrómero de cada cromosoma se divide, lo que marca el inicio de la anafase, y le sigue la migración de las cromátides hacia los polos opuestos del huso. Por último, durante la telofase los cromosomas se desenrollan y elongan, se vuelve a formar la cubierta nuclear y el citoplasma se divide (Fig. 2-3 D-F). Cada célula hija recibe la mitad del material cromosómico duplicado, de modo que conserva el mismo número de cromosomas que la célula progenitora. ERRNVPHGLFRVRUJ 44  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-3 Distintas fases de la mitosis. En la profase los cromosomas se observan como hilos delgados. Las cromátides dobles se aprecian con claridad como unidades independientes durante la metafase. En ningún momento durante la división celular se unen los miembros de cada par de cromosomas. Azul, cromosomas paternos; rojo, cromosomas maternos. Meiosis La meiosis es la división celular que ocurre en las células germinales para dar origen a los gametos masculinos y femeninos, espermatozoides y óvulos, respectivamente. Para la meiosis se requieren dos divisiones celulares, la primera y la segunda divisiones meióticas para reducir el número de cromosomas a 23, propio de la condición haploide (Fig. 2-4). Al igual que en la mitosis, las células germinales masculinas y femeninas (espermatocitos y ovocitos primarios) copian su ADN al inicio de la primera división meiótica, de tal modo que cada uno de los 46 cromosomas se duplica para formar cromátidas hermanas. En contraste con la mitosis, sin embargo, los cromosomas homólogos se alinean luego en pares, proceso denominado sinapsis. El pareado es preciso y punto a punto, excepto para el par XY. Los pares homólogos se separan entonces en dos células hijas, con lo que se reduce el número de cromosomas, del diploide al haploide. Poco después, en la segunda división meiótica se separan las cromátidas hermanas. Cada gameto obtiene así 23 cromosomas. Entrecruzamiento ERRNVPHGLFRVRUJ 45  ERRNVPHGLFRVRUJ Los entrecruzamientos, eventos críticos en la primera división meiótica, consisten en el intercambio de segmentos de cromátides entre el par de cromosomas homólogos pareados (Fig. 2-4 C). Segmentos de cromátidas se rompen e intercambian al tiempo que los cromosomas homólogos se separan. Mientras ocurre la separación, los puntos de intercambio se unen de manera temporal y constituyen una estructura similar a una letra X, el quiasma (Fig. 2-4 C). FIGURA 2-4 Primera y segunda divisiones meióticas. A. Los cromosomas homólogos se aproximan uno a otro. B. Los cromosomas homólogos se disponen en pares y cada miembro del par cuenta con dos cromátidas. C. Los cromosomas homólogos unidos íntimamente en pares intercambian fragmentos de sus cromátidas (entrecruzamiento). Obsérvese el quiasma. D. Los cromosomas con estructura doble se separan. E. Anafase de la primera división meiótica. F, G. Durante la segunda división meiótica los cromosomas con estructura doble se separan por el centrómero. Al terminar la división, los cromosomas en cada una de las cuatro células hijas son diferentes entre sí. ERRNVPHGLFRVRUJ 46  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-5 Eventos que ocurren durante la primera y segunda división de maduración. A. La célula germinal primitiva femenina (ovocito primario) sólo da origen a un gameto maduro, el ovocito maduro. B. La célula germinal primitiva masculina (espermatocito primario) da origen a cuatro espermátidas, las cuales se convierten en espermatozoides. Los 30 a 40 entrecruzamientos aproximados (uno o dos por cromosoma) que ocurren en cada primera división meiótica son más frecuentes entre genes muy alejados uno de otro en el cromosoma. Como consecuencia de las divisiones meióticas: La variabilidad genética se incrementa mediante Entrecruzamiento, que redistribuye el material genético Distribución aleatoria de los cromosomas homólogos en las células hijas Cada célula germinal contiene un número haploide de cromosomas, de tal modo que en el momento de la fecundación se restablece el número diploide de 46. Cuerpos polares De igual manera, durante la meiosis un ovocito primario da origen a cuatro células hijas, cada una con 22 autosomas más un cromosoma X (Fig. 2-5 A). Sin embargo, sólo uno de ellos se desarrolla hasta convertirse en un gameto maduro, el ovocito; los otros tres, los cuerpos polares, reciben citoplasma escaso y se degeneran durante el desarrollo subsecuente. De forma similar, un espermatocito primario da origen a cuatro células hijas, dos con 22 autosomas y un cromosoma X, y dos con 22 autosomas y un cromosoma Y (Fig. 2-5 B). Sin embargo, en contraste con la formación de los ovocitos, las cuatro se desarrollan para dar origen a gametos maduros. ERRNVPHGLFRVRUJ 47  ERRNVPHGLFRVRUJ Correlaciones clínicas Defectos congénitos y aborto espontáneo: factores cromosómicos y genéticos Las anomalías cromosómicas, que pueden ser numéricas o estructurales, son causa importante de defectos al nacimiento y abortos espontáneos. Se calcula que 50% de las concepciones termina en aborto espontáneo y que 50% de estos productos de aborto tiene anomalías cromosómicas importantes. Así, alrededor de 25% de los embriones tiene un defecto cromosómico importante. Las anomalías cromosómicas más frecuentes en los productos de aborto son 45,X (síndrome de Turner), triploidía y trisomía 16. Las anomalías cromosómicas son responsables de 10% de los defectos congénitos principales, y las mutaciones genéticas generan un 8% adicional. Anomalías numéricas La célula somática humana normal contiene 46 cromosomas; el gameto normal contiene 23. Las células somáticas normales son diploides, o 2n; los gametos normales son haploides, o n. Euploidía se refiere a cualquier múltiplo exacto de n (p. ej., diploide o triploide). Aneuploidía se refiere a cualquier número cromosómico que no sea euploide; suele aplicarse cuando existe un cromosoma adicional (trisomía) o cuando falta uno (monosomía). Las anomalías del número de cromosomas pueden originarse durante la división meiótica o la mitótica. En la meiosis dos miembros de un par de cromosomas homólogos de ordinario se separan durante la primera división meiótica, de tal modo que cada célula hija recibe un miembro de cada par (Fig. 2-6 A). En ocasiones, no obstante, no ocurre la separación (no disyunción) y los dos miembros del par se desplazan hacia una célula (Fig. 2-6 B, C). Como consecuencia de la no disyunción cromosómica, una célula recibe 24 cromosomas en tanto la otra recibe 22, y no los 23 normales. Cuando en el momento de la fecundación un gameto que tiene 23 cromosomas se une a otro que tiene 24 o 22 cromosomas, se obtiene un nuevo ser que puede tener ya sea 47 cromosomas (trisomía) o 45 cromosomas (monosomía). La no disyunción, que ocurre ya sea durante la primera o la segunda división meiótica de las células germinales, puede implicar a los autosomas o a los cromosomas sexuales. En la mujer la incidencia de anomalías cromosómicas, entre ellas la no disyunción, se incrementa con la edad, en particular a partir de los 35 años. En ocasiones los cromosomas se rompen y partes de un cromosoma se unen a otro. Estas translocaciones pueden ser balanceadas, en cuyo caso la rotura y el empalme implican a dos cromosomas, pero no se pierde material genético relevante, por lo que los individuos son normales; por otra parte, pueden ser desbalanceadas, caso en el cual una parte de un cromosoma se pierde y esto da origen a un fenotipo alterado. Por ejemplo, las translocaciones desbalanceadas entre los brazos largos de los cromosomas 14 y 21 durante la primera o la segunda divisiones meióticas dan origen a gametos con una copia adicional del cromosoma 21, una de las causas del síndrome de Down (Fig. 2-7). Las translocaciones son en particular comunes entre los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22, debido a que se agrupan durante la meiosis. TRISOMÍA 21 (SÍNDROME DE DOWN) El síndrome de Down se debe a la presencia de una copia adicional del cromosoma 21 (trisomía 21) (Fig. 2-8). Las características de los niños con síndrome de Down incluyen retraso del crecimiento, grados variables de discapacidad intelectual, anomalías craneofaciales como fisuras palpebrales oblicuas, pliegues epicánticos (redundancia cutánea en el ángulo palpebral interno), aplanamiento facial y pabellones auriculares pequeños, defectos cardiacos e hipotonía (Fig. 2-9). Estos individuos también tienen más riesgo de desarrollar leucemia, infecciones, disfunción tiroidea y envejecimiento prematuro. Por otra parte, se observa un incremento de la frecuencia e inicio más temprano de la enfermedad de Alzheimer en personas con síndrome de Down. En 95% de los casos el síndrome se debe a la trisomía 21 que deriva de una no disyunción meiótica, y en 75% de estas instancias la no disyunción ocurre durante la formación del ovocito. La incidencia del síndrome de Down se aproxima a 1 de cada 2 000 productos de la concepción en mujeres menores de 25 años. Este riesgo se incrementa con la edad materna, hasta 1 en 300 a los 35 años, y 1 en 100 a los 40 ERRNVPHGLFRVRUJ 48  ERRNVPHGLFRVRUJ años. FIGURA 2-6 A. Divisiones de maduración normales. B. No disyunción en la primera división meiótica. C. No disyunción en la segunda división meiótica. ERRNVPHGLFRVRUJ 49  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-7 A. Translocación de los brazos largos de los cromosomas 14 y 21 desde el nivel del centrómero. La pérdida de los brazos cortos carece de relevancia clínica y estos individuos muestran un fenotipo normal, no obstante existe el riesgo de que sus hijos tengan translocaciones desbalanceadas. B. Cariotipo con translocación del cromosoma 21 al 14, que origina síndrome de Down. En cerca de 4% de los casos de síndrome de Down existe una translocación desbalanceada entre el cromosoma 21 y los cromosomas 13, 14, 15 o 21 (Fig. 2-7). El 1% remanente se produce por mosaicismo, consecuencia de una concepción trisómica seguida por la pérdida del cromosoma adicional en algunas células durante la mitosis. Estos individuos cursan con mosaicismo, en que algunas de sus células tienen un número cromosómico normal y otras tienen trisomía. Pueden mostrar pocas o muchas de las características del síndrome de Down. TRISOMÍA 18 (SÍNDROME DE EDWARDS) ERRNVPHGLFRVRUJ 50  ERRNVPHGLFRVRUJ Los pacientes con trisomía 18 muestran las características siguientes: discapacidad intelectual, defectos cardiacos congénitos, pabellones auriculares de implantación baja y flexión de dedos y manos (Fig. 2-10). Además, los pacientes a menudo presentan micrognatia, anomalías renales, sindactilia y malformaciones del sistema esquelético. La incidencia de este trastorno se aproxima a 1 en 5 000 neonatos. Entre las 10 semanas de la gestación y el término se pierde 85% de los fetos, en tanto los que nacen vivos suelen morir antes de los 2 meses de edad. Alrededor de 5% vive más de un año. FIGURA 2-8 Cariotipo con trisomía 21, síndrome de Down. ERRNVPHGLFRVRUJ 51  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-9 A. Niño con síndrome de Down. Obsérvese la cara ancha y aplanada, las fisuras palpebrales oblicuas y la protrusión lingual. Los niños con síndrome de Down suelen tener cierto grado de discapacidad intelectual y muchos presentan defectos cardiacos. B. Otra característica de estos niños es la mano ancha con un solo pliegue palmar transverso (simiesco). FIGURA 2-10 Neonato con trisomía 18. Obsérvense los pabellones auriculares de implantación baja, la boca pequeña, la mandíbula poco prominente (micrognatia), la flexión de las manos y la ausencia o hipoplasia del radio y la ulna. ERRNVPHGLFRVRUJ 52  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-11 Feto con trisomía 13. Obsérvense el paladar hendido, la frente inclinada y la anoftalmía. TRISOMÍA 13 (SÍNDROME DE PATAU) Las anomalías principales en la trisomía 13 son discapacidad intelectual, holoprosencefalia, defectos cardiacos congénitos, sordera, labio y paladar hendidos, y defectos oftálmicos como microoftalmía, anoftalmía y coloboma (Fig. 2-11). La incidencia de esta anomalía se aproxima a 1 por 20 000 nacidos vivos, y más de 90% de estos neonatos muere durante el primer mes tras el nacimiento. Alrededor de 5% vive más de un año. SÍNDROME DE KLINEFELTER Las características clínicas del síndrome de Klinefelter, que sólo se identifica en varones y suelen detectarse mediante amniocentesis, son esterilidad, atrofia testicular, hialinización de los túbulos seminíferos y, por lo general, ginecomastia. Las células cuentan con 47 cromosomas, con un complemento de cromosomas sexuales de tipo XXY, y en alrededor de 80% de los casos se identifica un corpúsculo de cromatina sexual (cuerpo de Barr: se forma por la condensación de un cromosoma X inactivado; el cuerpo de Barr también existe en mujeres normales debido a que uno de los cromosomas X es normal que se inactive). Su incidencia se aproxima a 1 en 500 varones. La no disyunción de los homólogos XX es el evento etiológico más frecuente. En ocasiones los pacientes con síndrome de Klinefelter tienen 48 cromosomas: 44 autosomas y cuatro cromosomas sexuales (48,XXXY). Si bien la discapacidad intelectual no suele formar parte del síndrome, a mayor número de cromosomas X, mayor probabilidad de que exista cierto grado de disfunción cognitiva. SÍNDROME DE TURNER El síndrome de Turner, con un cariotipo 45,X, es la única monosomía compatible con la vida. Incluso en esta situación, 98% de todos los fetos con el síndrome se aborta de manera espontánea. ERRNVPHGLFRVRUJ 53  ERRNVPHGLFRVRUJ Los pacientes que sobreviven tienen un aspecto femenino inconfundible (Fig. 2-12), y se caracterizan por la ausencia de ovarios (disgenesia gonadal) y talla baja. Otras anomalías relacionadas comunes son cuello alado, linfedema en extremidades, deformidades esqueléticas y tórax amplio con hipertelorismo mamario. Alrededor de 55% de las pacientes afectadas presenta monosomía del cromosoma X y carece de cuerpo de Barr por efecto de la no disyunción. En 80% de estas pacientes la causa es la no disyunción del gameto del varón. En el porcentaje restante, la causa corresponde a anomalías estructurales del cromosoma X o a la no disyunción mitótica, que origina mosaicismo. FIGURA 2-12 Paciente con síndrome de Turner. A. Al nacer. Obsérvese la piel laxa en la región posterior del cuello, que deriva de los remanentes de un higroma quístico (quiste ocupado por líquido), el cuello corto, los pabellones auriculares deformados y el edema en la mano (B) y el pie (C) producto del linfedema. D. A los 6 años de edad el cuello alado es prominente y existe gran distancia entre los pezones, así como tórax ancho. SÍNDROME DE TRIPLE X ERRNVPHGLFRVRUJ 54  ERRNVPHGLFRVRUJ Las pacientes con síndrome de triple X (47,XXX) a menudo no se diagnostican por sus características físicas discretas. Sin embargo, a menudo estas niñas tienen problemas del lenguaje y la autoestima. Cuentan con dos cuerpos de cromatina sexual en sus células. Anomalías estructurales Las anomalías cromosómicas estructurales, que afectan a uno o más suelen derivar de la rotura de un cromosoma. Se ha sugerido que estas roturas son producto de factores ambientales, como virus, radiación y fármacos, pero la evidencia no es concluyente. El resultado de la rotura depende de lo que ocurre con los segmentos desprendidos. En algunos casos, el segmento roto de un cromosoma se pierde, y el neonato con una deleción parcial del cromosoma desarrolla anomalías. Un síndrome bien conocido, que se debe a la deleción parcial del brazo corto del cromosoma 5, es el síndrome de cri du chat. Los neonatos afectados tienen un llanto similar al maullido de un gato, microcefalia (cabeza pequeña), discapacidad intelectual y cardiopatía congénita. Se sabe que muchos otros síndromes más bien raros son consecuencia de una deleción cromosómica parcial. Las microdeleciones, que afectan sólo a pocos genes contiguos, pueden generar un síndrome por microdeleción o un síndrome por genes contiguos. Los sitios en que ocurren estas deleciones, denominados complejos de genes contiguos, suelen identificarse mediante hibridización in situ con fluorescencia (FISH; véase p. 24). Un ejemplo de una microdeleción ocurre en el brazo largo del cromosoma 15 (15q11–15q13) (Nota: los cromosomas tienen un brazo largo, que se designa “q”, y un brazo corto, que se denomina “p”, según la posición de su centrómero). Cuando la microdeleción ocurre en el cromosoma materno da origen al síndrome de Angelman, y los niños padecen discapacidad intelectual, no pueden hablar, muestran un desarrollo motor deficiente y tienden a cursar con periodos espontáneos y prolongados de risa (Fig. 2-13). Si la microdeleción ocurre en el cromosoma paterno el resultado es el síndrome de Prader-Willi. Los individuos afectados se caracterizan por hipotonía, obesidad, discapacidad intelectual, hipogonadismo y criptorquidia (Fig. 2-14). Las características que se expresan de manera diferencial cuando el material genético que las origina proviene de la madre o del padre son ejemplos de impronta genómica. Otros síndromes de genes contiguos pueden heredarse de cualquiera de los padres, entre ellos el síndrome de Miller-Dieker (lisencefalia, retraso del desarrollo, crisis convulsivas, y anomalías cardiacas y faciales que derivan de una deleción 17p3) y la mayor parte de los casos del síndrome 22q11 (defectos palatinos, defectos cardiacos troncoconales, retraso del desarrollo del lenguaje, anomalías del aprendizaje y un trastorno similar a la esquizofrenia, que derivan de una deleción en la región 22q11). Los sitios frágiles son regiones cromosómicas que muestran propensión a separarse o romperse durante ciertas manipulaciones celulares. Por ejemplo, pueden identificarse sitios frágiles al cultivar los linfocitos de un paciente en un medio con deficiencia de folato. Si bien se han definido sitios frágiles numerosos constituidos por repeticiones CGG, sólo los existentes en el gen FMRI del brazo largo del cromosoma X (Xq27) se han correlacionado con una alteración del fenotipo denominada síndrome de X frágil. En la región promotora del gen de los individuos afectados existen más de 200 repeticiones, en comparación con 6 a 54 en sujetos normales. El síndrome de X frágil se caracteriza por discapacidad intelectual, pabellones auriculares grandes, mandíbula prominente y testículos grandes. El síndrome se observa en 1 de cada 5 000 individuos; son los varones los que se afectan de manera exclusiva, situación que pudiera explicar la preponderancia de pacientes de sexo masculino con disfunción cognitiva. El síndrome de X frágil es el segundo más frecuente, después del síndrome de Down, como causa de discapacidad intelectual por anomalías genéticas. Mutaciones genéticas Muchas malformaciones congénitas en el humano son hereditarias y algunas muestran un patrón claro de herencia mendeliana. Muchos defectos congénitos pueden atribuirse en forma directa a un cambio de la estructura o la función de un solo gen, de donde deriva el concepto de mutación de gen único. Se calcula que este tipo de defecto genera alrededor de 8% de todas las malformaciones en el humano. ERRNVPHGLFRVRUJ 55  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-13 Paciente con síndrome de Angelman, que resulta de una microdeleción del cromosoma 15 materno. Si el defecto se hereda por medio del cromosoma paterno se desarrolla el síndrome de Prader-Willi (Fig. 2-14). ERRNVPHGLFRVRUJ 56  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-14 Paciente con síndrome de Prader-Willi, consecuencia de una microdeleción en el cromosoma 15 paterno. Si el defecto se hereda en el cromosoma materno se desarrolla el síndrome de Angelman (Fig. 2-13). Excepto por los cromosomas X y Y en el varón, los genes existen en pares, o alelos, de tal modo que se cuenta con dos tantos de cada determinante genético: uno de la madre y otro del padre. Si un gen mutante genera una anomalía en una dosis única, no obstante la presencia de un alelo normal, se trata de una mutación dominante. Si para que ocurra la anomalía es necesario que los dos alelos tengan mutación (doble dosis) o si la mutación está ligada al X (ocurre en el cromosoma X) en un varón, se trata de una mutación recesiva. Las variaciones de los efectos de los genes mutantes pueden ser consecuencia de factores modificadores. En algunos casos las mutaciones ocurren en una célula al tiempo que un embrión se desarrolla. Si la mutación ocurre en una célula somática el individuo mostrará mosaicismo (tendrá más de una línea genética celular) y algunas células tendrán la mutación pero otras no. Si la mutación ocurre en una célula de la línea germinal (óvulo o espermatozoide), la consecuencia es el mosaicismo de línea germinal. En este caso, el progenitor no expresa la anomalía o la enfermedad debido a que sus células somáticas son normales. Sin embargo, puede transmitir el defecto a varios de sus hijos. La aplicación de las técnicas de biología molecular ha incrementado el conocimiento en torno a los genes responsables del desarrollo normal. A su vez, el análisis genético de los síndromes en el humano ha demostrado que las mutaciones en muchos de estos mismos genes son responsables de ciertas anomalías congénitas y enfermedades de la niñez. Por ende, el vínculo entre los genes principales del desarrollo y su papel en los síndromes clínicos se está haciendo más claro. Además de inducir malformaciones congénitas, las mutaciones pueden causar errores innatos del metabolismo. Estas enfermedades, entre las que fenilcetonuria, homocistinuria y ERRNVPHGLFRVRUJ 57  ERRNVPHGLFRVRUJ galactosemia son las mejor conocidas, pueden acompañarse de varios grados de discapacidad intelectual, o provocarlos, si no se instituyen dietas y una atención médica apropiadas. Técnicas de diagnóstico para identificar las anomalías genéticas El análisis citogenético se utiliza para determinar el número y la integridad de los cromosomas. Para esta técnica se requieren células en división, lo que suele implicar la siembra de cultivos celulares que se detienen en la metafase mediante un tratamiento químico. Los cromosomas se tratan con tinción de Giemsa para revelar patrones de bandas claras y oscuras (bandas G; Fig. 2-7) específicos de cada cromosoma. Cada banda corresponde a entre 5 a 10 × 106 pares de bases de ADN, que pueden incluir desde pocos hasta varios cientos de genes. En fecha reciente se desarrollaron técnicas de bandeo de alta resolución en metafase, que revelan números mayores de bandas correspondientes a porciones incluso menores de ADN, lo que facilita el diagnóstico de deleciones pequeñas. Las técnicas moleculares, como la hibridización in situ con fluorescencia (FISH), recurren a sondas de ADN específicas para identificar la ploidía de unos cuantos cromosomas específicos, y para detectar microdeleciones. Las sondas fluorescentes se hibridizan a los cromosomas o a los loci genéticos utilizando células colocadas sobre un portaobjetos, y los resultados se visualizan mediante microscopia de fluorescencia (Fig. 2-15). Los microarreglos recurren a segmentos de secuencias específicas de ADN (sondas) anclados a una superficie sólida, por lo general cristal o silicón (chips Affymetrix). Estas sondas pueden ser una secuencia corta de un gen o algún otro elemento de ADN, que se utiliza para hibridizarse con una muestra de ADNc o ARNc (la muestra objetivo). La hibridización de las sondas con las secuencias de interés se detecta y cuantifica utilizando fluorescencia u otras técnicas. Los resultados permiten detectar polimorfismos de un solo nucleótido, mutaciones y cambios en los niveles de expresión. Algunas compañías ofrecen en la actualidad este tipo de técnicas a nivel comercial para cualquier persona que desee analizar o secuenciar su genoma. FIGURA 2-15 A. FISH en que se utiliza una sonda para el cromosoma 21 (puntos rojos). Obsérvese que existen tres puntos rojos en cada célula, lo que revela una trisomía 21 (SÍNDROME DE Down). Los puntos verdes corresponden a una sonda de control para el cromosoma 13. En el extremo inferior derecho existen dos células sobrepuestas, lo que explica la presencia de sondas numerosas. B. Análisis de FISH en el síndrome de deleción 22q11. Las señales verdes identifican al cromosoma 22; la señal roja representa a la sonda FISH N25, que se ubica en la región q11. Sólo está presente en uno de los pares del cromosoma 22, lo que indica que el otro tiene la deleción 22q11. La secuenciación del exoma representa una estrategia nueva para identificar mutaciones y polimorfismos (cambios de un solo nucleótido [SNP] en una secuencia de ADN) responsables de defectos congénitos y enfermedades. Con esta técnica sólo se secuencian las regiones codificadoras (exones) del genoma. En conjunto, estas regiones modificadoras constituyen el exoma y representan sólo 1% de todo el genoma humano, lo que hace que su secuenciación sea más práctica que la de todo el genoma. Puesto que la mayor parte de las variantes genéticas está contenida en la región codificadora de las proteínas, la técnica es una alternativa eficiente para descubrir estas diferencias. ERRNVPHGLFRVRUJ 58  ERRNVPHGLFRVRUJ La técnica también es superior a estrategias más antiguas que dependían de estudios de vinculación seguidos por clonación posicional (búsqueda de genes candidatos en regiones específicas de los cromosomas) debido a que estas técnicas requerían un gran número de individuos afectados en una familia y no podían aplicarse al estudio de individuos afectados provenientes de distintas familias. En contraste, la secuenciación del exoma puede identificar una mutación causal en un solo individuo afectado si también pueden secuenciarse los exomas de ambos progenitores. Incluso la secuenciación de individuos afectados pertenecientes a distintas familias pueden tener éxito, sin importar el parentesco. A pesar de esto, debe recordarse que la secuenciación del exoma sólo permite identificar variantes que alteran las proteínas ubicadas en las regiones codificadoras de los genes. Otras anomalías genéticas que inducen defectos congénitos y se ubican fuera de la región codificadora deben identificarse mediante secuenciación de todo el genoma, pero en este momento el gasto y el tiempo que se requieren para conducir estos estudios son prohibitivos. CAMBIOS MORFOLÓGICOS DURANTE LA MADURACIÓN DE LOS GAMETOS Ovogénesis La ovogénesis es el proceso por el cual las ovogonias se diferencian en ovocitos maduros. La maduración de los ovocitos inicia antes del nacimiento Una vez que las CGP llegan a la gónada de un embrión con genética femenina se diferencian en ovogonias (Fig. 2-16 A, B). Estas células experimentan varias divisiones mitóticas y, al final del tercer mes de la gestación, se encuentran dispuestas en cúmulos circundados por una capa de células epiteliales planas (Figs. 2-17 y 2-18). Si bien es posible que todas las ovogonias de un mismo cúmulo deriven de una sola célula, las células epiteliales planas, conocidas como células foliculares, se originan del epitelio celómico que cubre al ovario. La mayor parte de las ovogonias continúa dividiéndose por mitosis, pero algunas de ellas detienen su división celular en la profase de la primera división meiótica y forman ovocitos primarios (Figs. 2-16 C y 2-17 A). Durante los siguientes meses el número de ovogonias se incrementa con rapidez y para el quinto mes de desarrollo prenatal el número total de células germinales en el ovario alcanza su máximo, que se calcula en 7 millones. En ese momento comienzan a morir células, y muchas ovogonias y también ovocitos primarios se degeneran y desarrollan atresia. Para el séptimo mes la mayor parte de las ovogonias ha degenerado, excepto un número menor cerca de la superficie. Todos los ovocitos primarios sobrevivientes se encuentran en la profase de la primera división meiótica, y la mayor parte de ellos está rodeado de manera independiente por una capa de células de epitelio folicular plano (Fig. 2-17 B). Un ovocito primario, junto con las células epiteliales planas que le circundan, se conoce como folículo primordial (Fig. 2-18 A). ERRNVPHGLFRVRUJ 59  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-16 La diferenciación de CGP en ovogonias inicia poco después de su llegada al ovario. Para el tercer mes del desarrollo, algunas ovogonias dan origen a ovocitos primarios, que ingresan a la profase de la primera división meiótica. Esta profase puede durar 40 años o más, y sólo termina cuando la célula comienza su maduración final. Durante este periodo contiene 46 cromosomas con estructura doble. FIGURA 2-17 Segmento del ovario en diferentes etapas de desarrollo. A. Las ovogonias se encuentran agrupadas formando cúmulos en la porción cortical del ovario. Algunas muestran mitosis; otras se diferenciaron en ovocitos primarios e ingresaron a la profase de la primera división meiótica. B. Casi todas las ovogonias se transforman en ovocitos primarios en la profase de la primera división meiótica. C. No existen ovogonias. Cada ovocito primario está circundado por una sola capa de células foliculares, lo que constituye el folículo primordial. Los ovocitos han ingresado al diploteno de la profase, en que permanecen hasta justo antes de la ovulación. Sólo en ese momento ingresan a la metafase de la primera división meiótica. ERRNVPHGLFRVRUJ 60  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-18 A. Folículo primordial formado por un ovocito primario al que circunda una capa de células epiteliales planas. B. Folículo primario temprano o en etapa preantral reclutado a partir de la reserva de folículos primordiales. Al tiempo que el folículo crece, las células foliculares adquieren conformación cúbica y comienzan a secretar la zona pelúcida, de la que pueden observarse parches irregulares sobre la superficie del ovocito. C. Folículo primario maduro (preantral) en que se aprecia a las células foliculares dando origen a una capa estratificada de células de la granulosa en torno al ovocito, así como la presencia de zona pelúcida bien definida. La maduración de los ovocitos continúa en la pubertad Cerca del momento del nacimiento todos los ovocitos primarios han ingresado a la profase de la primera división meiótica, pero en vez de avanzar a la metafase ingresan a la etapa de diploteno, una fase de reposo propia de la profase, que se caracteriza por el aspecto de la cromatina similar al del encaje (Fig. 2-17 C). Los ovocitos primarios permanecen detenidos en la profase y no terminan su primera división meiótica antes de alcanzar la pubertad. Este estado de detención es producido por el inhibidor de la maduración de los ovocitos, un péptido pequeño secretado por las células foliculares. El número total de ovocitos primarios al nacer se calcula entre 600 000 a 800 000. Durante la niñez la mayor parte de los ovocitos sufre atresia; sólo alrededor de 40 000 persisten al llegar la pubertad, y menos de 500 serán liberados en la ovulación. Algunos ovocitos que alcanzan la madurez en una fase tardía de la vida se han mantenido detenidos en la fase de diploteno de la primera división meiótica durante 40 años o más antes de la ovulación. Se desconoce si el diploteno es la fase más apropiada para proteger al ovocito contra los influjos ambientales. El hecho de que el riesgo de tener hijos con anomalías cromosómicas aumente a la par de la edad materna indica que los ovocitos primarios son vulnerables al daño mientras envejecen. Al llegar la pubertad se establece una reserva de folículos en desarrollo, que se mantiene de manera continua gracias a la provisión de folículos primordiales. Cada mes se seleccionan entre 15 y 20 folículos a partir de esta reserva para comenzar a madurar. Algunos de estos mueren, en tanto otros comienzan a acumular líquido en una cavidad denominada antro, de modo que ingresan a la etapa antral o vesicular (Fig. 2-19 A). El fluido sigue acumulándose, de tal modo que antes de la ovulación los folículos se encuentran bastante ingurgitados ERRNVPHGLFRVRUJ 61  ERRNVPHGLFRVRUJ y se denominan folículos vesiculares maduros o de Graaf (Fig. 2-19 B). La etapa antral es la más prolongada, en tanto la etapa vesicular madura corresponde al periodo aproximado de 37 h previo a la ovulación. Al tiempo que los folículos primordiales comienzan a crecer, las células foliculares circundantes cambian su configuración de planas a cúbicas, y proliferan para generar un epitelio estratificado de células de la granulosa; esta unidad se denomina folículo primario (Fig. 2-18 B, C). Las células de la granulosa que descansan sobre una membrana basal que las separa del tejido conectivo circundante (estroma ovárico), el cual forma la teca folicular. De igual modo, las células de la granulosa y los ovocitos secretan una capa de glucoproteínas que rodea al ovocito y que constituye la zona pelúcida (Fig. 2-18 C). Mientras los folículos siguen creciendo, células de la teca se organizan en una capa interna de células secretoras, la teca interna, y una cápsula fibrosa superficial, la teca externa. De igual modo, procesos digitiformes pequeños de las células foliculares se extienden para atravesar la zona pelúcida y entrelazarse con las microvellosidades de la membrana plasmática del ovocito. Estos procesos son importantes para el transporte de materiales desde las células foliculares hasta el ovocito. Al tiempo que el desarrollo continúa, aparecen espacios ocupados por líquido entre las células de la granulosa. La coalescencia de estos espacios da lugar al antro, y el folículo se denomina entonces folículo vesicular o antral. Al inicio el antro tiene forma de media luna, pero al pasar el tiempo crece (Fig. 2-19). Las células de la granulosa que circundan al ovocito permanecen sin cambios y constituyen el cúmulo oóforo. Al alcanzar la madurez el folículo vesicular maduro (de Graaf) puede tener un diámetro de 25 mm o más. Está circundado por la teca interna, compuesta por células con característica de aquéllas que secretan esteroides y rica en vasos sanguíneos, y la teca externa, que de manera gradual se fusiona con el tejido conectivo ovárico (Fig. 2-19). ERRNVPHGLFRVRUJ 62  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-19 A. Folículo en etapa vesicular (antral). El ovocito, circundado por la zona pelúcida, se ubica en la periferia; el antro se desarrolló por la acumulación de líquido en los espacios intercelulares. Obsérvese la disposición de las células de la teca interna y de la teca externa. B. Folículo vesicular maduro (de Graaf). El antro muestra crecimiento considerable, se encuentra ocupado por líquido folicular y está circundado por una capa estratificada de células de la granulosa. El ovocito está alojado en un montículo de células de la granulosa, el cúmulo oóforo. En cada ciclo ovárico comienza a desarrollarse cierto número de folículos, pero por lo general sólo uno alcanza la madurez completa. Los otros se degeneran y se vuelven atrésicos. Cuando el folículo secundario está maduro, un pico de hormona luteinizante (LH) induce la fase de crecimiento preovulatoria. La primera división meiótica se completa, lo que trae consigo la formación de dos células hijas de tamaño diferente, cada una con 23 cromosomas de estructura doble (Fig. 2-20 A, B). Una célula, el ovocito secundario, recibe la mayor parte del citoplasma; la otra, el primer cuerpo polar, lo recibe al mínimo. El primer cuerpo polar queda alojado entre la zona pelúcida y la membrana celular del ovocito secundario, en el espacio perivitelino (Fig. 2-20 B). La célula ingresa entonces a la segunda división meiótica, pero se detiene en la metafase alrededor de 3 h antes de la ovulación. La segunda división meiótica sólo se completa si el ovocito es fertilizado; de lo contrario la célula degenera alrededor de 24 h después de la ovulación. El primer cuerpo polar puede experimentar una segunda división (Fig. 2-20 C). ERRNVPHGLFRVRUJ 63  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-20 Maduración del ovocito. A. Ovocito primario en que se aprecia el huso de la primera división meiótica. B. Ovocito secundario y primer cuerpo polar. No existe membrana nuclear. C. Ovocito secundario en que se aprecia el huso de la segunda división meiótica. El primer cuerpo polar también se está dividiendo. Espermatogénesis La maduración de los espermatozoides inicia en la pubertad La espermatogénesis, que inicia en la pubertad, incluye todos los eventos por los cuales las espermatogonias se transforman en espermatozoides. Al nacer, las células germinales del embrión masculino pueden reconocerse en los cordones sexuales de los testículos, como células pálidas grandes circundadas por células de soporte (Fig. 2-21 A). Las células de soporte, que derivan del epitelio superficial de los testículos al igual que las células foliculares, se convierten en células sustentaculares o de Sertoli (Fig. 2-21 B). Poco antes de la pubertad los cordones sexuales desarrollan un lumen y se convierten en túbulos seminíferos. Casi al mismo tiempo las CGP dan origen a las células troncales espermatogónicas. A intervalos regulares emergen células de esta población de células troncales, para dar origen a espermatogonias de tipo A, y su producción marca el inicio de la espermatogénesis. Las células tipo A pasan por un número limitado de divisiones mitóticas para formar clones celulares. La última división celular da origen a las espermatogonias tipo B, que se dividen entonces para formar espermatocitos primarios (Figs. 2-21 B y 2-22). Los espermatocitos primarios ingresan entonces en una profase prolongada (22 días), seguida por una terminación rápida de la primera división meiótica y la formación de espermatocitos secundarios. Durante la segunda división meiótica estas células de inmediato comienzan a formar espermátides haploides (Figs. 2-21 B, 2-22 y 2-23). A lo largo de esta serie de eventos, desde el momento en que las células tipo A abandonan la población de células troncales hasta la formación de las espermátides, ocurre una citocinesis incompleta, de tal modo que generaciones sucesivas de células se mantienen unidas por puentes citoplásmicos. Así, la progenie de una sola espermatogonia tipo A forma un clon de células germinales que se mantienen en contacto ERRNVPHGLFRVRUJ 64  ERRNVPHGLFRVRUJ durante su diferenciación (Fig. 2-22). Por otra parte, espermatogonias y espermátides permanecen alojadas en intersticios profundos de células de Sertoli durante todo su desarrollo (Fig. 2-21 B). De esta manera, las células de Sertoli sostienen y protegen a las células germinales, participan en su nutrición y ayudan para la liberación de los espermatozoides maduros. FIGURA 2-21 A. Corte transversal de los cordones sexuales primitivos de un neonato de sexo masculino, en que se identifican las CGP y sus células de Sertoli de soporte. B. Corte transversal de un tubo seminífero en la pubertad. Obsérvense las distintas fases de la espermatogénesis y que los espermatozoides en desarrollo se encuentran incluidos en los procesos citoplásmicos de una célula de Sertoli de soporte. ERRNVPHGLFRVRUJ 65  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-22 Las espermatogonias tipo A derivadas de la población de células troncales espermatogónicas son las primeras células en el proceso de la espermatogénesis. Se forman clones ERRNVPHGLFRVRUJ 66  ERRNVPHGLFRVRUJ celulares y puentes citoplásmicos unen a las células en cada división sucesiva hasta que cada espermatozoide se separa de los cuerpos residuales. De hecho, el número de células interconectadas es considerablemente mayor que el que se representa en esta imagen. FIGURA 2-23 Productos de la meiosis durante la espermatogénesis en el humano. La espermatogénesis está regulada por la producción de LH en la glándula pituitaria. La LH se une a receptores en las células de Leydig y estimula la síntesis de testosterona, que a su vez se une a las células de Sertoli para promover la espermatogénesis. Las células de Leydig, al igual que las de la teca, se originan de estroma gonadal y se ubican fuera de los cordones seminíferos. La hormona estimulante del folículo (FSH) también es esencial, puesto que su unión a las células de Sertoli estimula la producción de fluido testicular y la síntesis de proteínas intracelulares receptoras de andrógenos. Espermiogénesis o espermioteliosis La serie de cambios que da origen a la transformación de las espermátides en espermatozoides se denomina espermiogénesis o espermioteliosis. Estos cambios incluyen (1) la formación del acrosoma a partir del aparato de Golgi, que cubre la mitad de la superficie nuclear y contiene enzimas (acrosina y hialuronidasa), que facilitan la penetración al óvulo y sus capas circundantes durante la fecundación (Fig. 2-24); (2) condensación del núcleo por sustitución de histonas por protaminas; (3) formación del cuello, la pieza intercalar y la cola, y (4) eliminación de la mayor parte del citoplasma una vez que los cuerpos residuales son fagocitados por las células de Sertoli. En el humano el tiempo que se requiere para que una espermatogonia se convierta en espermatozoide maduro es alrededor de 74 días, y cada día se producen cerca de 300 millones de espermatozoides. Cuando los espermatozoides completan su formación ingresan al lumen de los túbulos seminíferos. A partir de ahí son impulsados hacia el epidídimo por elementos contráctiles ubicados en la pared de los túbulos seminíferos. Si bien al inicio su motilidad es escasa, los espermatozoides la desarrollan en su totalidad durante su estancia en el epidídimo. ERRNVPHGLFRVRUJ 67  ERRNVPHGLFRVRUJ FIGURA 2-24 Etapas importantes en la transformación de la espermátide humana en espermatozoide. Correlaciones clínicas Gametos anormales En el humano, y en la mayor parte de los mamíferos, un folículo ovárico contiene en ocasiones dos o tres ovocitos primarios claramente visibles (Fig. 2-25 A). Si bien alguno de estos ovocitos puede dar origen a gemelos o trillizos, suelen degenerarse antes de alcanzar la madurez. En pocas ocasiones un ovocito primario contiene dos o incluso tres núcleos (Fig. 2-25 B). Este tipo de ovocitos binucleados o trinucleados muere antes de llegar a la madurez. En contraste con los ovocitos atípicos, los espermatozoides anormales son frecuentes, y hasta 10% de todos los espermatozoides tiene defectos visibles. La cabeza o la cola pueden ser anormales, los espermatozoides pueden ser gigantes o enanos, y en ocasiones se encuentran unidos (Fig. 2-25 C). Los espermatozoides con anomalías morfológicas carecen de motilidad normal y es probable que no fertilicen ovocitos. FIGURA 2-25 Células germinales anormales. A. Folículo primordial con dos ovocitos. B. Ovocito trinucleado. C. Varios tipos de espermatozoides anormales. ERRNVPHGLFRVRUJ 68  ERRNVPHGLFRVRUJ RESUMEN Las células germinales primordiales (CGP) derivan del epiblasto durante la gastrulación y migran hacia la pared del saco vitelino durante la cuarta semana y luego hacia la gónada indiferenciada (Fig. 2-1), a la que llegan al final de la quinta semana. En preparación para la fecundación, tanto las células germinales masculinas como las femeninas inician la gametogénesis, que incluye tanto meiosis como citodiferenciación. Durante la primera división meiótica los cromosomas homólogos se parean e intercambian material genético; durante la segunda división meiótica las células no duplican su ADN, y cada una recibe así un número haploide de cromosomas y la mitad de la cantidad de ADN de una célula somática normal (Fig. 2-4). Así, los gametos maduros masculino y femenino tienen 22 cromosomas somáticos y un cromosoma Y o X, respectivamente. Los defectos congénitos pueden surgir por anomalías del número o la estructura de los cromosomas, y a partir de mutaciones de gen único. Alrededor de 10% de los defectos c