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INVESTIGACIÓN
Señalización célula-célula
durante el desarrollo temprano del embrión
vertebrado.
Los distintos tipos celulares que dan forma a un organismo se
originan a partir de una célula única que corresponde al embrión recién fecundado. Entender los mecanismos por
los cuales se generan los distintos tipos celulares durante el desarrollo embrionario representa una de las
preguntas más fascinantes de la Biología del Desarrollo. Las bases de la organización general de un organismo
quedan establecidas muy temprano durante el desarrollo embrionario, tanto en invertebrados como en vertebrados.
Es así como las tres capas germinales (ecto, meso y endodermo) y los ejes de asimetría (antero-posterior,
dorso-ventral e izquierda-derecha) quedan determinados en las primeras etapas del desarrollo. La subdivisión
del embrión y de las capas germinales en territorios celulares que luego darán origen a tejidos específicos
también queda establecida en los inicios del desarrollo (i.e. división del ectodermo en epidermis y tejido
nervioso, o del mesodermo en somitas, riñón, sangre, etc). Se ha establecido que dos mecanismos son
responsables de establecer la organización básica del embrión: la localización de determinantes citoplasmáticos
y la señalización entre células. Nuestro interés es estudiar los mecanismos de señalización célula-célula que
regulan el desarrollo temprano en vertebrados, para esto utilizamos Xenopus laevis como
modelo de estudio. Uno de los modelos clásicos de señalización célula-célula durante el desarrollo es el
Organizador de Spemann. Experimentos clásicos de transplante realizados por Spemann y Mangold en 1925
determinaron que el tejido del labio dorsal del blastoporo (Organizador de Spemann) es capaz de inducir un
embrión completo al ser transplantado al polo ventral de un embrión de salamandra. Además demostraron que el
Organizador tiene un efecto celular no-autónomo sobre las células que lo rodean, es decir, secreta factores que
determinarán el destino de las células vecinas. Actualmente se sabe bastante de cómo se genera el organizador
de Spemann y de sus componentes moleculares.
Un
análisis de las secuencias de las proteínas secretadas por el Organizador (chordin, folistatina, noggin,, sonic
hedhegog, Frzb, cerberus, etc) indica que todas estas contienen sitios putativos de unión a heparina (HBD), lo
que sugiere fuertemente que estas proteínas podrían interactuar con Proteoglicanes de Heparán Sulfato (PGHS).
Nuestra hipótesis es que los PGHS son necesarios para establecer gradientes de los distintos factores
secretados por el Organizador, lo cual permite que se establezca la correcta organización dorso-ventral de las
tres capas germinales. Uno de nuestros objetivos es estudiar la función de PGHS en el Organizador de Spemann,
en particular estudiando su efecto sobre Chordin y Sonic Hedhegog (Shh). Para esto veremos el efecto que tiene
mutar el HBD sobre la actividad de estos genes en el embrión de Xenopus laevis, para lo
cual utilizamos técnicas de microinyección de ARNm sintético y de hibridación in situ.
Además estamos aislando los PGHS que interactúan Chordin y Shh utilizando columnas de afinidad.
Los
avances en la posibilidad de aislar células totipotenciales o troncales, ya sea del embrión, de cordón
umbilical o de tejido adulto, hace que entender los mecanismos que determinan el destino final de los distintos
tipos celulares durante el desarrollo temprano del embrión vertebrado sea cada día más relevante. El entender
como el embrión regula la determinación, compromiso y diferenciación celular nos confiere una “bitácora de
vuelo” que al ser utilizada in vitro nos permitiría modificar el destino final de
células totipotenciales con fines terapéuticos. Nuestro interés es aplicar los mecanismos de acción
aprehendidos del embrión de Xenopus laevis (i.e. el Organizador de Spemann) para
diferenciar células totipotenciales provenientes de cordón umbilical. Esta aproximación experimental además nos
permitiría adentrarnos en la complejidad bioética de estos temas.
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RESEARCH
Cell-cell signaling during early development of
the vertebrate embryo
The embryonic body plan is established very
early during development of the invertebrate and vertebrate embryos. To understand the molecular mechanisms
that regulate the acquirement of different cells fates during early development is one of the most fascinating
questions in Developmental Biology. The embryonic body plan is established during early development. The
formation and patterning of three germ layers (ecto-, endo-, and mesoderm) and the generation of the asymmetric
axis (dorso-ventral, antero-posterior and left-right) starts in the very same oocyte and are established before
the end of gastrulation. Two main mechanisms are involved in all these processes: localization of cytoplasmatic
determinants, and signaling between cells. Our main interest is to study cell-cell signaling during the early
development of the vertebrate embryo. We use Xenopus laevis embryos as a model of study.
Spemann s Organizer is one of the most classical models of cell-cell signaling regulation during early
development. In 1925, Spemann and Mangold transplanted the dorsal lip blastopore form newt embryos to a host
embryo, and found that this tissue was able to induce a secondary embryo with a normal patterning. They also
found that the Organizer has a non- cell autonomous effect because is able to induce and change the fate of the
cells from the host tissue. Since this fundamental discovery many of the molecules specific of the Organizer
have been isolated.
After an analysis of the amino-acidic sequences of the factors secreted by the Organizer
(Chordin, Follistatin, Sonic hedgehog, Cerberus, Noggin, etc) we found that all contain a putative heparin
binding domain (HBD), indicating that all these molecules probably interact with Heparan sulphate Proteoglycans
(HSPG). Our hypothesis is that HSPG are necessary to establish an extracellular gradient of the different
antagonists or growth factors secreted by the Organizer. We propose that this function of HSPG is fundamental
for the correct establishment of dorso-ventral patterning of the three germ layers. To understand the role of
HSPG in Organizer function we are currently studying their function in the activity of two Spemann s Organizer
molecules: Chordin and Sonic Hedgehog (Shh). For these we are studying the effect of point mutations in the
putative HBD of Chordin and Shh, we are testing the activity of the mutants by microinjection of synthetic mRNA
in Xenopus laevis embryos. We are also trying to identify the specific Chordin and Shh
interacting HSPG using affinity columns.
The understanding of the cell-cell signaling pathways that regulate the early development of the
vertebrate embryo are each day more important in view of the progress on the isolation of stem cells from
embryos and adult tissues. Unravelling the mechanism used by the embryo to determine the different cell fates
will provide us with a very valuable information that can be used for the in vitro
differentiation of stem cells for therapeutic uses. We would like to apply what we have learned from Spemann s
Organizer in the manipulation of pluripotential cells isolated from umbilical cords. This experimental approach
will allow us to study the bioethics implications of our research.
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