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7.3: Inhibición lateral en los patrones del sistema nervioso - Biología

7.3: Inhibición lateral en los patrones del sistema nervioso - Biología


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No todas las células de un sistema nervioso pueden ser neuronas. De hecho, en nuestro propio sistema nervioso central alrededor de la mitad a 3/4 de las células son células gliales.3. En Drosophila, las células progenitoras neurales (neuroblastos) son solo una parte de todas las células del neurectodermo. Estos neuroblastos expresan factores de transcripción de bHLH proneurales que incluyen genes del complejo Achaete-Scute. El complejo Achaete-Scute (Ac-Sc) es un grupo de 4 genes bHLH cuyos productos proteicos forman homo y heterodímeros para regular la transcripción de genes neuronales. Las células que expresan Ac-Sc se deslaminan de la hoja del neurectodermo y finalmente dan lugar a neuronas.4. Antes de resumir el mecanismo similar al patrón de Turing para la especificación de neuroblastos, primero quiero mencionar que la formación de neuroblastos de Drosophila difiere en una forma muy importante de un patrón de Turing tradicional: cada neuroblasto surge aislado de otros neuroblastos. Este patrón no se aplica a un tejido completo, sino que es súper local, y se produce solo en un grupo de 6-7 células con solo una célula que se convierte en neurona (Figura 5).5.

Después de la especificación del grupo proneural, se producen oscilaciones aleatorias de los componentes de la vía de señalización de Notch hasta que una célula expresa aleatoriamente niveles más altos de Delta, el ligando de Notch. Esto activa la señalización Notch en las células vecinas. La activación de la vía de señalización Notch provoca la expresión del gen Hes Enhancer-of-split, que es un represor del complejo AcSc. AcSc normalmente aumenta la expresión de Delta, pero en estas células positivas para Notch donde AcSc está fuera de Delta, los niveles comienzan a disminuir. En la celda Delta positiva vecina, no hay señalización de Notch para apagar AcSc (debido a la falta de Delta en todas las celdas vecinas) y los niveles de Delta permanecen altos. De esta manera, una célula del grupo proneural es positiva para Delta / AcSc y las células vecinas son positivas para Notch / Hes.6 (Figura 3). Este sistema crea una célula Delta positiva en un campo mediante inhibición lateral. En el modelo de Turing, Delta sería el activador local y Notch sería el represor. Delta activa su propia expresión al no apagar AcSc y activa Notch en las celdas vecinas. A diferencia del modelo de Turing, Notch y Delta no necesitan difundirse para que esto funcione, sino que la señal en sí se propaga mediante la señalización célula-célula.

Los morfógenos graduados, la reacción-difusión y la inhibición lateral son todas formas de generar patrones que se repiten (como manchas y rayas) o polarizan un tejido. Si alguna vez ha estado en la playa o ha tomado un curso de física, sabe que otra forma de generar un patrón repetitivo es con un oscilador que emite una función de onda. Si no ha estudiado física (o está oxidado), la forma más fácil de pensar en ondas y osciladores es imaginarse sosteniendo una cuerda atada a un poste. A medida que mueve el brazo hacia arriba y hacia abajo, actúa como oscilador, pasando de la posición alta a la baja. El rango de movimiento de su brazo determina la altura de la ola. Puede hacer que las ondas se muevan más rápido (con mayor frecuencia) moviendo su brazo más rápidamente. La velocidad del oscilador determina la velocidad a la que se mueven las ondas. Si su brazo se mueve demasiado lento, la ola se desintegra rápidamente y nunca llega a la pared.

Las ondas y los osciladores también ocurren en los sistemas biológicos. Uno de ellos es el oscilador de segmentación en vertebrados. En este caso, la expresión génica de los genes de la vía Notch actúa como oscilador. Se ha propuesto un modelo de "reloj y frente de onda" para describir el patrón segmentario en vertebrados. La segmentación del mesodermo que rodea a la notocorda (los somitas) se produce de forma anterior a posterior, y los somitas brotan de una zona posterior del mesodermo no segmentado. A medida que brotan nuevos somitas, los viejos se empujan hacia delante, de modo que los somitas más anteriores broten primero. El "reloj de segmentación" es el oscilador en el mesodermo pre-somitc en la parte posterior del animal. Una "ola" de expresión génica de la clase hes viaja a través del mesodermo presomítico (PSM). Cuando alcanza el punto más anterior del mesodermo presomítico, se detiene y el tejido se desprende del PSM. El marcador que indica a los tejidos cuándo están lo suficientemente anteriores son gradientes opuestos de ácido retinoico (RA) en la parte anterior y FGF en la parte posterior. Cuando una ola de expresión de hes alcanza niveles bajos / moderados de cada molécula de gradiente, esto indica al tejido que se someta a somitogénesis (brotación somita).7.

En el video de arriba, la expresión del gen Hes en el PSM está en azul y en los somitas es rojo. Entonces, la pregunta que podría estar haciendo ahora es "¿Cómo actúa Hes como un oscilador pero también viaja en una onda?" La onda que está viendo en el video de arriba es una onda de expresión genética. Las propias células se mueven muy poco. Imagínese un estadio lleno de gente haciendo "la ola". Si la ola tarda 1 minuto en recorrer el estadio, una audiencia coordinada puede proponerla si cada persona levanta la mano durante 1 segundo cada minuto.

La gente misma no está corriendo por el estadio, sino que está "oscilando" entre los brazos hacia arriba y hacia abajo. De manera similar, en el PSM cada celda oscila entre Hes encendido y Hes apagado. Al igual que una ola de estadio, las células están probando su entorno local para coordinarse con las células cercanas. Cuando la onda llega a niveles bajos de FGF y niveles más altos de RA, se detiene, al igual que una ola que golpea una pared, y las células con patrones de expresión coincidentes brotan del PSM como un somita (Figura 6).

¿Cómo actúa Hes como oscilador y cómo se coordinan las células entre sí? No sabemos al 100% la respuesta a esto, pero hay mucha evidencia de que Hes es un oscilador intrínseco de la célula y la vía Notch (que controla la expresión de Hes) ayuda a coordinar las células vecinas. Los genes Hes son factores de transcripción y algunos genes Hes inhiben su propia expresión. Cuando los niveles de proteína de Hes son lo suficientemente altos, los niveles de transcripción disminuyen. Estos ARNm y proteínas de Hes también tienen una vida media corta, por lo que cuando los niveles de transcripción bajan, no permanecen bajos por mucho tiempo. A medida que el ARNm y las proteínas se degradan, se libera la represión de la expresión de Hes y se vuelve a producir ARNm. Por supuesto, esto eleva el nivel de la proteína Hes, que reprime la expresión de Hes. De esta manera, la expresión de Hes actúa como un oscilador, siempre que mantenga al menos un nivel bajo de expresión y se degrade rápidamente. En los ratones, la degradación de las proteínas se produce en 20 minutos. Los mutantes estables que duran 30 minutos tienen un comportamiento oscilatorio amortiguado, al igual que levantar y bajar el brazo demasiado lentamente al hacer ondas de cuerda.7. La oscilación es una propiedad intrínseca de las células, puede ocurrir en cultivos celulares después del tratamiento con suero, pero esta oscilación no está coordinada entre las células; después de unos pocos ciclos en los que todas las células muestran la misma periodicidad de oscilación, comienzan a perder coordinación y a oscilar en su propia longitud de onda8,9.

Como puede ver en el video de arriba, las células en el mesodermo presomítico tienden a tener el mismo estado de oscilación de Hes que sus vecinas. Es probable que esto esté coordinado a través de la vía de señalización Notch. Como ya hemos visto, la vía Notch es una vía de señalización yuxtacrina con células contiguas que se comunican a través de receptores de membrana celular. Una vez activado, Notch sufre una división intramembrana y la mitad citoplasmática viaja al núcleo donde libera la represión de los factores de transcripción de la clase Su (H) para activar la expresión génica de efectores como los genes Hes (peludo / potenciador de genes divididos también llamados genes Her). Al enviarse señales entre sí, las células de PSM pueden ejercer una retroalimentación positiva sobre sus vecinas, de modo que las células positivas para Notch induzcan la señalización de Notch en las células contiguas.10.


Ver el vídeo: Sistema nervioso, cerebro y nervios - Qué hacen y cómo funcionan (Febrero 2023).