Actualmente se barajan dos principales modelos por los cuales se explica la adquisición de un patrón próximo-distal por parte de la extremidad en desarrollo. El modelo de la
zona de progreso, postulado en 1973 por el laboratorio de Wolpert (Summerbell et al.,
1973) y el de especificación temprana propuesto por el grupo de Tabin (Dudley et al., 2002). A día de hoy no existe un consenso sobre cual explica en mayor medida la formación del patrón próximo-distal, ya que existen experimentos que parecen apoyar a uno y a otro.
2.4.4.1 El modelo de la zona de progreso (Summerbell 1973)
En este modelo se propone la existencia de una región de mesénquima indiferenciado de un tamaño fijo y constante (unos 300μm de espesor) situado de manera subyacente a la cresta ectodérmica apical denominada zona de progreso. Esta región, se mantiene bajo la influencia de señales provenientes del AER lo que le proporciona ese estado indiferenciado y de continúa proliferación. El modelo propone la existencia de un reloj molecular interno capaz de computar el tiempo que pasan en esta región. De esta forma las células de la zona de progreso adquirirían identidades más distales cuanto más tiempo se encuentren bajo la influencia del AER. A medida que el primordio se desarrolla, las células se dividen y abandonan la zona de progreso, alejándose de la influencia del AER y quedando especificadas en el eje próximo-distal para posteriormente diferenciarse. Las primeras células en abandonar esta región se especifican para dar lugar a estructuras proximales y de manera progresiva, las siguientes células irán especificándose para producir estructuras cada vez más distales (Fig. 16). Dicho modelo se apoya en este conjunto de experimentos:
• En experimentos de escisión mediante cirugía de la cresta ectodérmica apical en el embrión de pollo, los elementos obtenidos resultan más distales cuánto más tarde se elimine el AER (Gasseling and Saunders, 1961; Lewis, 1975; Saunders, 1948; Summerbell, 1974; Summerbell, 1976; Summerbell et al., 1973). El modelo de la zona de progreso explica dicho resultado asegurando que los elementos se van estableciendo a lo largo del tiempo en el eje próximo-distal. De dicha forma, en los primordios que se elimina el AER de forma muy temprana, los elementos especificados en ese momento corresponden a los segmentos más proximales. Escisiones cada vez más tardías permitirían la especificación de estructuras cada vez más distales.
• La sustitución de zonas de progreso de primordios en estadios tardíos por zonas de progreso de primordios tempranos provoca la aparición de extremidades con todos los elementos esqueléticos provenientes del transplante. Este hecho, parece indicar que, ni es necesaria la presencia de una señal difusible desde el flanco, ni existe ningún tipo de modulación por parte de los elementos formados a la hora de establecer un patrón próximo-distal a lo largo del eje (Summerbell et al., 1973).
• Tras la irradiación con rayos X de un primordio temprano, las extremidades generadas únicamente forman las estructuras distales, mientras que las más proximales no se generan o aparecen severamente reducidas (focomelia). Desde este modelo, el resultado se explica sugiriendo que las células supervivientes tras la irradiación (un alto porcentaje muere), al tener que repoblar esta zona de progreso, deben emplear más tiempo hasta alcanzar un número suficiente de células. Durante este tiempo las células permanecen en esa región pero su reloj interno distalizante continúa avanzando. Así pues, cuando abandonan la zona de progreso presentan una especificación más distal que la que les hubiese correspondido de no haberse producido tal irradiación (Wolpert et al., 1979).
2.4.4.2 El modelo de especificación temprana (Dudley 2002)
Este modelo plantea la existencia en el primordio temprano de precursores para cada uno de los tres elementos del eje próximo-distal: Estilopodio, Zeugopodio y Autopodio. Estos precursores, que estarían claramente especificados desde etapas muy tempranas, se dispondrían por capas o estratos independientes y se expandirían secuencialmente para dar lugar a cada uno de los segmentos de la extremidad (Fig. 16). Este modelo se propuso tras la realización de los siguientes experimentos:
Se llevaron a cabo marcajes con colorantes lipofílicos del mesénquima distal de primordios tempranos en el embrión de pollo. Curiosamente las células marcadas siempre contribuían a un único segmento. A una distancia entre 0 y 100μm del AER contribuían a la formación del autopodio, entre 100-200μm, al zeugopodio y entre 200-300μm, al estilopodio.
De manera similar a Summerbell, se sustituyó el mesénquima distal de primordios de estadios avanzados por las últimas 100μm del mesénquima distal de un primordio temprano. En este caso sólo se formaron estructuras pertenecientes al autopodio. Recordemos que Summerbell transplantaba regiones de aproximadamente 300μm.
Además, los autores de este modelo reinterpretaron los resultados observados en los experimentos clásicos de escisión del AER ya que demostraron que tras la eliminación quirúrgica del AER se producía una región de alta muerte celular que se extendía, de manera invariable, hasta unos 200μm del AER. Acorde con estos datos, este grupo propuso que este incremento de apoptosis en esa región podía ser responsable de la eliminación, en estos experimentos, de los segmentos distales ya especificados.
2.4.4.3 Controversia entre el modelo de la zona de progreso y el de especificación temprana
Los modelos anteriormente expuestos han recabado las miradas de la inmensa mayoría de los científicos que estudian el desarrollo de la extremidad a lo largo de los últimos años. Parece evidente que hay cierto número de experimentos que no resultan fácilmente explicables a partir de ninguno de los dos modelos por lo que se ha generado una gran controversia. No obstante en los últimos años se han revelado ciertos resultados que parecen clarificar de algún modo el debate. Ensayos mucho más exhaustivo de marcajes con colorantes lipofílicos en el primordio del ala del pollo, parecen indicar que, al menos entre el zeugopodio y el autopodio, no existe ningún tipo de restricción a estadios iniciales (Sato et al., 2007). Por otro lado marcajes genéticos a nivel celular en el embrión de ratón (Arques et al., 2007) parecen confirmar la ausencia de compartimentos y precursores establecidos para los tres segmentos en el primordio temprano. Estos resultados no apoyan la existencia de una especificación temprana, al menos de forma irreversible, en el primordio de la extremidad de vertebrado. Además, mapas de destino detallados llevados a cabo mediante la infección por retrovirus en el primordio temprano del embrión de pollo, han llevado a los propios autores del modelo de especificación temprana, a desmentir su modelo en su versión más estricta (Pearse et al., 2007).
Como conclusión se puede decir que, aunque ambos modelos explican con cierta solvencia algunos de los experimentos realizados hasta la fecha, no son capaces de justificar todos y cada uno de estos ensayos. Sin embargo su mayor defecto probablemente no resida en este hecho, sino más bien en la ausencia de marcadores moleculares capaces de reconocer los distintos elementos próximo-distales y que inequívocamente identifiquen la especificación de los mismos a nivel molecular.
Figura 16: Modelos de especificación del eje próximo-distal:
a) Modelo de la zona de progreso: El tiempo que una célula permanece en esta región de células indiferenciadas determina su identidad próximo-distal
b) Modelo de especificación temprana: La identidad próximo-distal de cada célula viene especificada desde etapas muy temprana en el primordio.
c) Modelo de las dos señales: La identidad de las células del primordio viene determinada por la presencia de dos señales provenientes del AER y del tronco del embrión.
2.4.4.4 Otros modelos
Tanto el modelo de la zona de progreso, como el modelo de la especificación temprana otorgan a la señalización originada en el AER un papel meramente permisivo en el establecimiento del eje próximo-distal. En el primer caso, el AER se encargaría de mantener el estado anti-apoptótico de las células en el mesénquima subyacente. De esta manera, el AER provocaría tanto que las células mantengan activo su reloj interno como un aumento del número celular en la zona de progreso causando la salida de las células de esta región y su consecutiva especificación.
En el modelo de especificación temprana, la señalización proveniente de la cresta ectodérmica apical se encargaría también de evitar la muerte celular y promover la proliferación de las células del mesénquima. Sin embargo, la finalidad sería el expandir
C B A
el conjunto de precursores de cada uno de los segmentos preexistentes en el primordio temprano.
Muy recientemente el grupo de Gail Martin ha elaborado un modelo en el cual el AER tendría un papel instructivo en la formación del eje próximo-distal. Este modelo, cimentado en el de especificación temprana, fue propuesto basado en la siguiente observación (Mariani et al., 2008). La eliminación genética de dos Fgfs, Fgf8 y Fgf9 en la cresta ectodérmica apical después de la inducción del AER provoca que el dominio distal del primordio (negativo para el marcador proximal Meis1) adquiera un tamaño inferior que los observados en los individuos control. Además este fenotipo se agrava en mutantes Fgf8/4/9+/-. Este dato sugiere un rol más que permisivo del AER y sus
señales en el patrón próximo-distal de la extremidad. Curiosamente el primordio de estos mutantes muestra una región de muerte celular programada en el mesénquima proximal, resultado muy diferente del observado al eliminar el AER quirúrgicamente. Con estos datos y adoptando el modelo de la especificación temprana como base, este grupo elabora un nuevo modelo al que denominan modelo de las dos señales. Aquí se postula la presencia de una señal proximal procedente del mesodermo del flanco (posiblemente el ácido retinoico) y una señal distal perteneciente al AER (FGFs) que establecen dos dominios en el primordio temprano, uno proximal y otro distal, respectivamente. El segmento intermedio que originaría el zeugopodio se establecería posteriormente en el borde de unión entre estos dos dominios (Fig. 16). Un modelo similar ya había sido previamente propuesto por el grupo de Miguel Torres en el año 2000 (Mercader et al., 2000).
El modelo de las dos señales explicaría por qué en el mutante Fgf8/4/9+/- se observan
elementos del estilopodio y del autopodio pero carece de zeugopodio. Así mismo daría interpretación a los fenotipos observados en los diferentes mutantes de Fgfs en el AER (Boulet et al., 2004; Lewandoski et al., 2000; Moon and Capecchi, 2000; Sun et al., 2002), así como los estudios de marcaje realizados en el primordio de pollo (Sato et al., 2007). Sin embargo, el modelo de las dos señales resulta incapaz de explicar otros resultados y carece de marcadores de los diferentes segmentos o dominios a estadios tempranos, de manera que resulta, al igual que los anteriores, incompleto.