Biología del Desarrollo Interacción Celular I Biol 3019 - JA Cardé, PhD Universidad de Puerto Rico - Aguadilla Enero - Mayo 2014.

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1 Biología del Desarrollo Interacción Celular I Biol 3019 - JA Cardé, PhD Universidad de Puerto Rico - Aguadilla Enero - Mayo 2014

2 Objetivos Al terminar la conferencia los estudiantes estarán capacitados para: Describir 3 procesos de comunicación celular y establecer su importancia en el desarrollo, a saber: Adhesión celular Migración celular Señalización celular

3 Introducción En el desarrollo los distintos tipos de células no existen al azar Forman estructuras organizadas : corazón, pulmones, apéndiices Ej: el mismo tipo de célula forma: huesos, piel, neuronas, sanguíneas De alguna manera las células que se generan en segmentación son organizadas en formas y establecen distintas conecciones entre si Morfogénesis: proceso por el cual se forman las células de un tejido dan forma a estructuras organizadas.

4 Introducción Como es que la materia sola se organiza a sí misma en tejidos embrionarios? Como se forman tejidos separados de poblaciones de células? Como se construyen organos a partir de tejidos? Como se forman los organos en lugares particulares y como las células migradoras llegan a sus destinos? Como los organos y sus celulas crecen y este crecimiento es coordinado? Como los organos adequieren polaridad? Remak 1850 – todas las células vienen del cigoto Just y Holtfreter (1940) – diferencias a nivel de membrana celular podria ser responsible de morfogenesis, organizacion de las 3 capas G

5 Adhesión celular -Diferenciación se enfoca a nivel nuclear -Expresión diferencial del genoma -Morfogenesis se enfoca a nivel membranal (superficial) -Hipótesis: Membrana celular igual en todas las células -Estudios de fecundación y desarrollo temprano : NO -Interacción o comunicación celular -Larga distancia: control hormonal -Paracrina vs endocrina -Corta distancia: contacto célula a célula.

6 Desagregarlas por pH Mezclarlas Restaurar el pH Estudiar el comporta- miento Se segregan y organizan Células reagregadas se segregan espacialmente? Townes y Holfreter 1955 Epidermo presumtivo: pigmentadas / Mesodermo (Placa neural): no pigmentada Diseño  Racional Conclusión? Segregación y Organización espacial Programada!!

7 El mismo experimento - Mesodermo migra hacia el centro con respecto a ectodermo y mesodermo (A y B) - Las tres juntas: endodermo se separa de las otras y es envuelto por estas - Migración e interacción celular Afinidad selectiva – regiones de una capa son afines a regiones de otra capa - Positiva - Negativa La posición final de las células segregadas refleja su lugar en el embrión De alguna manera las células tienen la forma de ubicarse donde les corresponde en el embrión

8 Hipótesis de adhesión diferencial - Embrion + tripsina - Dos tipos de celula de retina - Pigmentadas vs neurales - Mezclarlas e Incubar por horas y observarlas - Se agregan al azar - 20 hrs: no pigmentadas en la periferia - 48 hrs: segregación en 2 grupos - Las pigmentadas internas a las neurales - Si la posición de célula A es interna a las de B y las de B es interna a las de C entonces: - Las de C siempre seran internas a la de A Que fuerzas mueven las células durante Morfogénesis?

9 T ermodinámica de interacción celular Células interactúan en agregados con el menos costo de energía libre Si la fuerza de adhesión de A-A es mas fuerte que la de A-B, entonces las células con la mayor atracción superficial (A-A) migran central Si la fuerza de adhesión entre A-A es igual a la de A-B, entonces se organizan al azar Si la fuerza entre A-A es mucho mayor que la de A-B, o sea la fuerza entre A-B es descartable entonces se formaran agregados AA y BB El embrión es una masa de células en equilibrio de fuerzas Este equilibrio se cambia por la expresión diferencial del genoma a nivel de superficie celular Este cambio cambiará las fuerzas de adhesión lo que permite: migración Que fuerzas mueven las células durante Morfogénesis?

10 Todas las células pueden tener las mismas proteinas de superficie o “pega” La expresión diferencial de estas, crea mas o menos adhesión y PLT mas o menos atracción entre ellas Las diferencias son por la expresión diferencial de moléculas de adhesión Cadherinas – moléculas de adhesión dependientes de Ca+2 Cruciales en segregacion y organizacion Expresión diferencial : tipos y concentraciones Que fuerzas mueven las células durante Morfogénesis? Distintos tipos de tejidos migran central de acuerdo a la fuerza de su cohesión superficial A menor tensión mas central la migración

11 Cadherinas y Cateninas Cad externas se anclan por Cat internas Forman complejo que mantienen juntos los epitelios Se unen al citoesqueleto vía actina y PLT integrando el epitelio a la unidad mecánica del citoesqueleto (A) Sin caderina células dispersan Con caderina permanecen asociadas Ovocitos + antisense de mRNA cadherina: masa celular interna se dispersa al abrir el embrión (B)

12 Cadherinas Se agregan entre si Conectan al citoesqueleto lo que permite fuerzas mecanicas para formar capas y pliegues y tubos Moleculas de señalización para regular expresión genetica Varios tipos en embriones de vertebrados E – temprano en todas, tarde en epitelio P - placenta, unirse al utero N - células del SNC R – formación del ojo; retina Proto – independiente del citoesqueleto, variantes de esta se asocian a: comigración vs segregacion y diferenciación (notocordio vs somitas)

13 Cadherinas Importancia de cantiad de caderinas producida para el sorteo celular o sea la morfogénesis correcta Dos tipos de celulas identicas excepto en la razon de sintesis de cadherinas Las de mayor síntesis  mayor tensión PLT migraban al centro

14 Cadherinas Tipo (A-C) Tiempo Interelación - R y B cad - no se unen entre si - N cad – importante separando precursores neurales de precursores epidermales -Apagar la N en células neurales o expresarla en las epidermales = no se forma borde entre piel y SNervioso (DE) -E cad – presente en todas las células de embrión temprano; las que seran cresta neural la apagan y expresan la N -Tiempo -N cad – expresadas en mesénquima justo en el momento de su condensación y aparición de cartílago, no antes, no despues -Si Inyecto AB vs Ncat antes?  de condensación de mesenquima?

15 Cadherinas Sistemas de Adhesión -Tiempo -Fecundación – Segmentación – Implantación -Embrión  1er evento de diferenciación: -Masa celular interna – Embrión - Morfogénesis -Trofoblasto – capa externa – adhesión al utero -Integrinas – receptor para colágeno, para sufato de heparan del útero -E cad -P cad

16 Adhesión celular BACK

17 Migración Celular Característica común de epitelio y mesénquimas Combinación de mobilidad y guía (ambas) 1. Polarización por quimiotaxis (polo anterior/posterior) 2. Protrusión de el borde – polimerización de actina, forman filopodia, lamelopodia 3. Adhesión a sustrato extracelular vía integrinas unidas a actinas intracelulares formando adhesiones focales 4. Liberación de adhesiones del polo posterior. Proteasas activadas por canales de Ca2+ sensitivos a estress degradan las adhesiones focales: migración BACK

18 Señalización Celular Ejemplo de la importancia de interacción celular en la organizacieon de tejidos Como funciona el ojo de vertebrados? Luz  Córnea  lente  diámetro  músculos  enfoque  retina neural Como se consigue el arreglo con tal presición? Coordinada células induciendo a otras a cambios Señalización está presente en adhesión, segmentación, migración y diferenciación Estas señales pueden ser recíprocas Clave para la construcción de órganos

19 Señalización Celular PLT un grupo de células puede modifcar en otras su: forma, frecuencia mitótica, destino final Inducción: interacción a corta distancia entre diferentes tipos de células o tejidos (con origenes, historia y propiedades distintas) Inductor: productor de señal Factor paracrino: factor secretado por inductor que afecta tejidos adyacentes Ej: Branchless (Bnl) en Drosophila (desarrollo de tráqueas) Inducido: tejido afectado, receptor (Breathless (Btl)) Competencia: habilidad de la celula del tejido para responder al inductor

20 Señalización Celular OJO: Inductor  inducido  competencia: habilidad de la célula para responder Vesículas ópticas salen, ectodermo de cabeza es competente para formar lentes del ojo. Lentes sobre vesículas para forma retina Cambio vesícula óptica de lugar y? Ectodermo de cabeza si se induce ojo Ectodermo del tronco no se induce ojo Implantes de otros tejidos tampoco inducen ojos. Figura 3.14 Asignada

21 Asignada – Figura 3.14 B

22 Señalización Celular - Recíproca Inducción es Recíproca  Inductor es inducido por el inducido Lente induce otros tejidos; como a la vesícula óptica Vesícula óptica se convierte en la copa óptica Su pared diferencia en  retina pigmentada y retina neural Vesícula induce ectodermo en lente y luego a ella el lente la convierte en retina

23 Señalización Celular - Recíproca Inducción puede ser instructiva o permisiva Instructiva: una señal del inductor es necesaria para inducir expresión genética de novo Sin esa señal la célula inducida no se diferencia Permisiva: el tejido inducido ya fue previamente determinado, solo necesita un ambiente para expresar el rasgo o diferenciarse (matriz extracelular)

24 Señalización Celular Ej de inducción mas estudiados OrganoComponente MesenquimaComponente Epitelial Hair, feathers, sweat/mammary glands Dermis (mesod)Epidermis (ectoderm) LimbMesenchyime (mesod)Epidermis (ectoderm) Liver, pancreas, salivary glands Mesenchyime (mesod)Epithelium (endodermo) Lungm Timo, TirodesMesenchyme (mesod)Epithelium (endodermo) KidneyMesenchyme epithelium (mesod) Ureteric bud (mesod) ToothMesenchyme (neural crest)Jaw epithelium (Ectod) Todos los órganos consisten de epitelios asociados con mesénquima

25 Propiedades de las inducciones 1) Inducción es regional-específica -Células dela dermis (mesénquima) -combinadas con epitelios (epidermis) Mesénquima del ala: plumas de vuelo Mesénquima del muslo plumas de muslo Mesénquima del pie: escamas y garras PLT La estructura cutánea resultante depende del origen del mesodermo

26 2da : Inducción es genético-específica -Transplantes recíprocos de presunto ectodermo oral de gástrula de salamandra y a sapos en gástrula -Resultan en quimeras: - Salamandras con rasgos de renacuajo - Renacuajos con rasgos de salamandras -Mesénquima puede dar instrucciones a epitelio, intrucciones cruzan especies -Epitelio puede responder dentro de su limitación genómica, respuesta es especie específica

27 Como se comunican Inductor e Inducido? Algunas inducciones son bloqueadas por filtros entre epitelio y mesénquima; otras no -Tipos de Inducciones -Juxtacrinas – membranas celulares juxtapuestas -Paracrinas – factores difundibles entre 40- 200um -Autocrinas – -Tipo de paracrina -Citotrofoblasto PDGF -Mitosis acelerada

28 Resumen Adhesión celular Afinidad Adhesión  adherinas Migración celular Señalización celular Inducción/competencia Recíproca Gen específica Paracrinos/Endocrinos/Autocri nos