El hecho de que los dedos de nuestras manos sean distinguibles unos de otros demuestra la existencia de un patrón antero-posterior durante el desarrollo embrionario. Esta evidencia resulta aún más incuestionable si observamos las extremidades de otros organismos como por ejemplo las aves. Asimismo existen alteraciones genéticas en humanos que provocan la aparición o desaparición de uno o más dedos. Todos estos datos sugieren la existencia de un dispositivo genético capaz de controlar tanto el número como la identidad de los dedos (Bastida and Ros, 2008; McGlinn and Tabin, 2006; Tickle, 2006; Zeller, 2004).
La identidad de los dedos se puede definir como las características morfológicas que hacen de un dedo diferente al resto, en relación a la posición que ocupan dentro del autopodio. El tamaño del dígito, el número de falanges y la morfología de las mismas son las características utilizadas normalmente para diferenciar un dedo de los demás. La extremidad de ratón, al igual que la humana, presenta un autopodio pentadáctilo formado por dedos que se enumeran del uno al cinco de anterior a posterior. En el pollo, el ala se compone de tres dedos, denominados 2, 3 y 4 y la pata, de cuatro cuya numeración es 1, 2, 3, 4, siempre empezado de anterior a posterior.
La primera evidencia de un centro de señalización capaz de controlar el eje antero- posterior fue, en 1968, cuando Saunders y Gasseling advirtieron que el transplante de un fragmento de tejido mesenquimal posterior procedente de un primordio, a la región anterior de otro primordio, producía una duplicación en el número de dedos. Además observaron que el nuevo set de dígitos mostraba una simetría especular con respecto a los procedentes del espécimen receptor (Saunders JW, 1968). A este conjunto de células con actividad polarizante se le denomino zona de actividad polarizante o ZPA.
Por otro lado, en este tipo de ensayos se determinó que las células que formaban los nuevos dedos procedían del mesénquima del organismo receptor y no del donante, sugiriendo que la zona de actividad polarizante no constituía estos dígitos sino que instruía al mesénquima adyacente (Saunders JW, 1968). Este hecho se confirmó con los experimentos resumidos en la figura 17.
Resultados obtenidos en el embrión de pollo mediante transplantes de ZPA bajo diversas condiciones apuntaron que las células que conformaban este centro de señalización podrían producir una señal morfogenética. Según esta hipótesis, esta señal difundiría desde la región posterior del primordio estableciendo un gradiente espacial con concentraciones crecientes de posterior a anterior. Las células del mesénquima encargadas de generar los dígitos, responderían de manera dependiente a la proximidad de la fuente, especificando la identidad de los dedos (Wolpert and Hornbruch, 1987).
Pasaron varios años hasta que se identificó una molécula candidata a ser la señal morfogenética endógena de la ZPA. La proteína SONIC HEDGEHOG (SHH) es una molécula difusible cuyo mRNA se localiza en las células de la zona de actividad polarizante del primordio de la extremidad de ratón y pollo (Riddle et al., 1993). La colocación en la parte anterior del primordio de grupos de células que sobreexpresan
Shh o de microesferas impregnadas en esta proteína, provoca resultados similares al
observado al transplantar regiones de ZPA (Riddle et al., 1993; Yang et al., 1997). Además el mutante de falta de función de Shh carece de todos los dígitos a excepción del dedo 1.
Posteriormente se estudió el papel de los factores de transcripción GLI, componentes determinantes en la vía de Hedgehog y efectores transcripcionales de la señalización por Shh (Hooper and Scott, 2005). Las proteínas GLI2 y GLI3, en ausencia de SHH, se encuentran en una variante procesada con actividad represora, impidiendo la transcripción de genes diana de esta vía de señalización. A la llegada de SHH, las proteínas GLI se mantienen en su estado nativo y son capaces de activar dichos genes, entre los que se encuentra Gli1. Mientras que los mutantes de falta de función de Gli1 y
de dígitos sin ningún tipo de patrón. La relación entre Shh y Gli3 quedó evidenciada tras la generación del doble mutante Shh-/-/Gli3-/-, el cual exhibía un fenotipo idéntico al
producido por la ausencia de únicamente Gli3. Se estableció que Shh, en la región posterior, regulaba el procesamiento proteolítico de GLI3, promoviendo su conformación transcripcionalmente activa, mientras que en la región anterior, GLI3 se mantenía como represor transcripcional. De esta manera, se producía un gradiente de la forma represora de GLI3, encargado de controlar el número de dedos así como principal responsable del correcto establecimiento del patrón antero-posterior (Fig. 18).
Recientemente, estudios en los que se marcan genéticamente las células que han expresado en algún momento Shh, han demostrado la contribución de éstas a los dedos 3, 4 y 5 del primordio (Harfe et al., 2004). La aportación, por parte de las células de la ZPA, a la mayoría del autopodio ha probado que la región posterior de este
Figura 17: Resumen de los ensayos que demostraron la actividad polarizante de la ZPA, así como su
papel instructivo en el mesénquima. A) Actividad de la ZPA en el primordio del embrión de pollo. B) El transplante de una ZPA a la región anterior de un primordio en desarrollo provoca una duplicación de los dígitos. C) En experimentos similares a los anteriores, la colocación de un mesénquima procedente de la pata en las inmediaciones de la ZPA transplantada produce una duplicación parcial que incluye dedos pertenecientes a la pata. D) El transplante de una ZPA de ratón a la parte anterior de un primordio de pollo produce duplicaciones en las que los dedos formados pertenecen al receptor.
Zona de actividad Polarizante (ZPA)
Primordio de ala de pollo
Primordio de pata de pollo
Primordio de ratón
A
B
C
segmento del primordio se extiende en gran medida para formar la placa digital, posibilidad que ya sugirieron ensayos realizados en pollo (Vargesson et al., 1997). Por otro lado, el marcaje genético de las células que alguna vez han recibido señal de SHH sugiere que todos los dedos responden a esta señalización a excepción del dedo 1 que es independiente (Ahn and Joyner, 2004). Los resultados de estos grupos han provocado que en los últimos años se haya cuestionado el modelo de gradiente morfogenético aplicado a la ZPA y a su molécula SHH. Estos datos indican que existen dos mecanismos por los que Shh imprime la identidad de los dígitos, uno dependiente del gradiente de concentración, por el que queda especificado el dedo 2 y otro que incluiría el tiempo de exposición a SHH, el cual especificaría los tres dedos posteriores. Un dígito se especificaría como 5 al recibir, durante más tiempo, concentraciones elevadas de SHH; mientras que un dedo se especificaría como 3 al estar expuesto un menor tiempo (Fig. 18).
En este último año se ha propuesto un nuevo modelo basado en sorprendentes resultados obtenidos mediante la eliminación genética condicional de Shh en el
Figura 18: Modelos que tratan de explicar el mecanismo por el cual Shh controla el número e
identidad de los dedos. (A) En el modelo morfogenético la concentración de SHH y de la forma represora de GLI3 controlan la identidad de los dedos. (B) En el modelo propuesto por Harfe en 2004 el dedo 2 se especificaría por gradiente de concentración de SHH y los dedos más posteriores por el tiempo de exposición a este factor. (C) Orden de aparición de los primordios digitales en el embrión de ratón. Resultados recientes (Zhu et al 2008 y Towers et al. 2008) han sugerido una función dual, perfectamente separable, en la que Shh especificaría la identidad de los dedos y, a continuación, incrementaría los precursores que los constituyen.
embrión de ratón (Zhu et al., 2008) y ensayos con ciclopamina, un inhibidor de la vía de Hedgehog, en el embrión de pollo (Towers et al., 2008). En estos recientes ensayos de pérdida de función en ratón, se eliminaba a diferentes tiempos Shh de la ZPA y se analizaba el orden de desaparición de los dedos. Éste resultó ser D3, D5, D2, D4 (el dedo 1 es independiente de la señalización por Shh) (Fig. 18). Dicha secuencia es impredecible desde cualquiera de los modelos previamente expuestos. Estos experimentos, complementados con una descripción de la aparición temprana de las condensaciones mesenquimales, con un examen de la identidad de los dedos y con un estudio de muerte/proliferación, dieron lugar a un modelo en el que Shh mostraba una función dual. Por un lado, en una fase muy temprana, Shh especificaría la identidad de los dígitos y posteriormente incrementaría el número de precursores mesenquimales que dan lugar a cada dedo. La similitud en las conclusiones obtenidas en los ensayos realizados en pollo, han validado este modelo de función dual para Shh (Towers et al., 2008).