Sistemas celulares de invaginación epitelial

La invaginación epitelial como mecanismo multicelular

En el desarrollo animal, desde los primeros estadios de blastocisto o blastodermo hasta los últimos estadios de organogénesis, los embriones se organizan en capas epiteliales. La definición de epitelio es amplia. Puede ser una lámina de células cuboidales, columnares o escamosas (aplanadas), o contener una mezcla de formas celulares de altura variable para dar la apariencia de múltiples capas (pseudoestratificación), o incluso consistir en cualquiera de las anteriores en múltiples capas y estar verdaderamente estratificado. Sin embargo, en todos los estadios y en todos los tipos epiteliales, la elaboración de la anatomía se basa en la capacidad de autodoblamiento de los epitelios en pliegues, crestas, fosas y tubos. Como bloque de construcción de la morfogénesis, la flexión epitelial crea casi todos los órganos, desde el tubo intestinal primitivo que forma el eje corporal primario durante la gastrulación hasta los poros más finos que son los folículos pilosos de la piel. La flexión epitelial es evidentemente un proceso multicelular en el que múltiples células conectadas coordinan sus comportamientos para cambiar la forma del tejido. Dicho de otro modo, la flexión epitelial es una propiedad emergente de un sistema de células cuyas acciones no pueden describirse a niveles inferiores: las redes de genes y la biología celular clásica (en gran medida subcelular) no pueden captar plenamente el proceso de flexión epitelial. Sorprendentemente, a pesar de ser un proceso muy extendido, nuestras descripciones detalladas y nuestra comprensión mecánica de la flexión epitelial se limitan a unos pocos casos y tipos.

Los aspectos de la flexión epitelial que conducen tanto a la invaginación (plegado hacia dentro) como a la evaginación (plegado hacia fuera) han sido revisados previamente. Esta revisión se centra en la flexión que da lugar a la invaginación del epitelio, desde el punto de vista de los comportamientos celulares. Comenzamos nuestro resumen desde la constricción apical, bastante bien descrita, pasando por el pandeo apical impulsado por cables, el acortamiento celular por otros mecanismos y el acuñamiento basal, hasta el agrupamiento apical/basal y el telescopaje vertical, hasta la intercalación suprabasal, relativamente novedosa y poco caracterizada. Este orden refleja la jerarquía de la complejidad epitelial desde una monocapa hasta una estructura pseudoestratificada y, finalmente, estratificada. También refleja una jerarquía de complejidad en los procesos celulares implicados.

La constricción apical

La constricción apical se define como un mecanismo en el que las células epiteliales sufren una contracción apical mientras mantienen un volumen más o menos constante . Recientemente se han publicado varias buenas revisiones sobre la constricción apical, a las que se remite el lector para un análisis exhaustivo. En este artículo describiremos algunos aspectos destacados.

Los primeros modelos físicos bidimensionales realizados con varillas de acero y tubos de goma demostraron que la tensión diferencial entre las superficies apical y basal de las células epiteliales daría lugar a epitelios doblados, siempre que se mantuvieran el volumen y la altura de las células . Además, las primeras observaciones de la flexión epitelial en una serie de órganos y organismos demostraron que las células del tejido que se dobla en forma de cuña tienen una capa de gel superficial en el lado cóncavo de la curvatura . Más tarde se descubrió que esta capa de gel que se contrae está formada por filamentos de actina , que actúan conjuntamente con la proteína motora miosina II para doblar el epitelio (figura 1). El enriquecimiento y la contractilidad de la actomiosina apical se han convertido en características definitorias de la constricción apical . La regulación del citoesqueleto de actomiosina es compleja, pero entre los numerosos reguladores, el reclutamiento de esta maquinaria contráctil está notablemente promovido por Rock y Shroom . Otros estudios han demostrado que, si bien Shroom es necesario y suficiente para la distribución apical de la red contráctil de actomiosina, otras moléculas funcionan muy a menudo en el posicionamiento de distintos componentes de la maquinaria en el lugar correcto. Por ejemplo, la Rho GTPasa y la p120 catenina son necesarias para localizar la miosina II apicalmente en la célula. La BMP, que actúa antes de Rock en la invaginación de la placoda ótica (neuroepitelial) del pollo, parece ser necesaria para la localización apical de la actina independientemente de su papel en la especificación del tipo de célula.

Las imágenes en vivo de los tejidos en invaginación han proporcionado una imagen cada vez más sofisticada de cómo se produce la constricción apical. Por ejemplo, durante mucho tiempo se asumió que las células sufrían la constricción apical mediante una contracción de las fibras de actina alrededor de la circunferencia de la superficie apical. Las imágenes en vivo de la gastrulación de Drosophila revelaron que, en lugar de fibras circunferenciales, una malla apical de fibras diametrales desempeña en realidad el papel predominante en la constricción de la zona apical (aunque actualmente no hay pruebas equivalentes en los vertebrados). El proceso de contracción también es menos sencillo de lo que se pensaba. En lugar de una contracción suave y sincrónica, se ha demostrado recientemente que las células individuales experimentan pulsos transitorios de constricción tipo trinquete de forma asincrónica con sus vecinas. Una vez iniciadas las contracciones, el estado de contracción se estabiliza entre los pulsos, de modo que el resultado neto es una disminución del área del extremo apical de la célula . La tensión de estas contracciones individuales se transmite probablemente apicobasalmente por desplazamiento citoplasmático, al menos como se observa en el mesodermo de Drosophila ; simultáneamente, la tensión se transmite en el plano del tejido a través de la red de actomiosina, que se ensambla en las células individuales y se conecta intercelularmente por uniones adherentes , para doblar todo el tejido.

Relajación basal

Si se quiere conservar el volumen celular, la constricción apical debe ir acompañada de una expansión basal o de un aumento de la altura (o de ambos). Se ha observado un aumento de la altura en las placodas traqueales y de las glándulas salivales antes de la invaginación en embriones de mosca , y lo que aquí llamamos «relajación basal», en la que la red basal de actina o miosina se desensambla activamente (figura 2), se ha informado de que está implicada en la invaginación de la placoda ótica del pollo y en la formación del surco ventral de Drosophila en la gastrulación . En la vesícula ótica del pollo, la relajación basal precede a la constricción apical y depende de las señales de FGF presentadas basalmente, por lo que no parece estar necesariamente acoplada a los acontecimientos apicales, incluida la constricción posterior. Sin embargo, en la gastrulación de Drosophila, la reducción de la intensidad de la miosina basal y, a su vez, la rigidez basal acompaña a la constricción apical y expande la superficie basal, una fase que muy probablemente inicia la transición de la columnización celular al acortamiento e invaginación celular . Un trabajo reciente de Lomakin et al. ha sugerido que la acumulación de actomiosina en una parte de la célula durante la migración provoca su agotamiento en otra. Esta podría ser una forma en la que la relajación basal podría desencadenar o ser necesaria para la posterior constricción apical durante la invaginación. Una modelización informática no publicada del plegado epitelial en el epitelio del disco alar ha sugerido que la relajación basal en ese contexto puede ser, de hecho, mecánicamente más importante que la constricción apical (Guillaume Salbreux 2016, comunicación personal).

Doblado típico impulsado por cables

En varios contextos, la contractilidad de múltiples células se coordina mediante «cables» de actomiosina . Los cables de actomiosina son estructuras supracelulares contenidas dentro de las células individuales que se alinean entre las células adyacentes y probablemente están conectadas a través de uniones específicas, aunque todavía se desconoce cómo están conectadas a nivel molecular. Estas estructuras supracelulares se han observado no sólo durante la invaginación , sino también en otros procesos, para coordinar la contracción.

Un ejemplo de invaginación impulsada por cables de actomiosina es el cierre del tubo neural del pollo, en el que los cables de miosina orientados mediolateralmente recorren varias longitudes celulares, promoviendo la intercalación celular mediolateralmente tanto para alargar el tubo neural (extensión convergente) como para doblar el neuroepitelio mediolateralmente . Esta contracción planar-polarizada de los cables de actomiosina es promovida por la señalización PCP aguas arriba y también por la distribución polarizada de Celsr1 y ROCK .

El epitelio de la Drosophila en desarrollo utiliza la constricción junto con el reordenamiento celular y el redondeo de las células para lograr la invaginación de múltiples fosas traqueales, que posteriormente formarán la red traqueal a través de la cual se difunde el oxígeno hacia los tejidos de la mosca . Antes del inicio de la invaginación, las células del placo entran en quiescencia mitótica. Se forman transitoriamente arcos cortos de cables de actomiosina alineados circunferencialmente a medida que grupos de unas pocas células se intercalan (también circunferencialmente) alrededor de la fosa en formación . A continuación se produce una fuerte constricción apical de las células en el centro del placodo y ápices menos estrechos en las células inmediatamente circundantes, formando una fosa traqueal poco profunda. Las células invaginantes del centro sufren un redondeo celular mitótico que acelera el proceso provocando un rápido descenso de la altura celular, terminando la invaginación en una fase rápida . Se demostró que es el redondeo de las células mitóticas y no la división celular lo que impulsa la fase rápida de invaginación. Se puede especular que las células redondeadas hacen que el epitelio sea estructuralmente más débil. Tienen un citoesqueleto cortical menos rígido, una forma menos columnar (adelgazando el epitelio) y posiblemente uniones más débiles con sus vecinos. Por lo tanto, podrían actuar como puntos de pandeo en los que el epitelio se dobla con menos resistencia a la tensión mantenida por los cables circunferenciales en las células circundantes que no se dividen (figura 3).

Acortamiento celular

El plegado del epitelio de la pata de Drosophila para hacer uniones entre segmentos representa otra variación de la constricción celular, que en este caso es la contracción de la célula entera unida a la apoptosis . Durante la morfogénesis del epitelio de la pata de Drosophila, la apoptosis es necesaria, pero no suficiente, para que se produzca la constricción apical, y un informe relativamente reciente describe un «cable» de actomiosina apicobasal que atraviesa verticalmente el centro de la célula en el plácido de plegado (figura 4) y que parece que podría ejercer una fuerza de tracción vertical hacia abajo en la superficie apical de las células vecinas . Estos «cables» verticales no deben confundirse con los arcos planares de cables de actomiosina a los que se hace referencia en §4 y son estructuras unicelulares totalmente novedosas cuya estructura y dinámica quedan por investigar. Al igual que ocurre con las células que se redondean mitóticamente, una célula apoptótica sería presumiblemente más débil desde el punto de vista estructural que sus vecinas no apoptóticas y, por lo tanto, podría servir de punto de flexión; sin embargo, el «cable» apicobasal apunta a un mecanismo más activo, al igual que el hecho de que la célula apoptótica no sea extruida. Parece probable que el cable de actomiosina tenga un papel activo en el pandeo impulsado por la apoptosis.

El acortamiento celular también se ha observado en otros casos de invaginación epitelial. En la gastrulación de las ascidias, Sherrard et al. demostraron que la constricción apical de las células endodérmicas en realidad no impulsa el proceso de invaginación; más bien, una acumulación basolateral de miosina conduce al acortamiento apicobasal de las células e inicia la invaginación. En otro mecanismo, los pliegues dorsales en el embrión temprano de Drosophila al comienzo de la gastrulación se inician por un desplazamiento basal de las uniones de adherencia de las células invaginantes, lo que conduce a un desajuste en el posicionamiento de las uniones con las células vecinas que ayuda a impulsar el pandeo del tejido. Aunque se ha demostrado que las posiciones de las uniones adherentes están reguladas por las proteínas de polaridad Par1 y Bazooka, el mecanismo físico sigue sin investigarse.

El acuñamiento basal

Las células en forma de cuña en un tejido invaginante son una consecuencia inevitable de la geometría del tejido y no indican necesariamente una constricción apical. Durante el desarrollo del tubo neural, entra en juego un proceso denominado acuñamiento basal en el que se produce una cuña muy distinta a la constricción apical. En la línea media de gran parte del tubo neural amniótico en formación, el epitelio se dobla bruscamente para formar lo que se conoce como punto de bisagra medio (MHP) . Las células situadas en estas posiciones de bisagra tienen casi todas forma de cuña, mientras que sus vecinas son una mezcla de formas, en su mayoría fusiformes, lo que refleja la naturaleza pseudoestratificada de este epitelio (figura 5). Es importante destacar que las células están muy apretadas en el plano del epitelio, y son tan estrechas que cada célula sobresale alrededor de su núcleo. La forma de cuña de las células de la punta de la bisagra es, al menos sustancialmente, el resultado de la localización basal de los núcleos. Esto parece estar relacionado con la migración nuclear intercinética, que es el movimiento apicobasal del núcleo a medida que avanza el ciclo celular: las células se dividen apicalmente y cuando están en fase S el núcleo reside basalmente y, en consonancia con esto, las células de la bisagra pasan más tiempo en fase S . El ciclo de división celular ha sido implicado de forma similar en la morfogénesis de la copa óptica. Sin embargo, si el control del ciclo celular es el único o necesario impulsor de la posición nuclear apicobasal sigue siendo una cuestión abierta. Es importante destacar que el acuñamiento basal se distinguió experimentalmente de la constricción apical por el hallazgo de que la inhibición de la polimerización de la actina, al tiempo que provocaba la apertura de la mayor parte del tubo neural y la expansión de las superficies apicales en toda la placa neural, no pudo abolir la flexión en el punto de la bisagra mediana. Esto también demuestra que la flexión de la bisagra mediana es intrínseca, ya que la relajación del epitelio que la flanquea desacopla la bisagra mediana de las fuerzas extrínsecas y que el acuñamiento basal se produce de forma diferente a la constricción apical.

Telescopado vertical y amontonamiento apical/basal

Intrigantemente, en ciertas regiones anteroposteriores del tubo neural también hay puntos de bisagra dorsolaterales que no implican ni cuña basal ni constricción apical (sensible a la citocalasina) . Aunque se ha sugerido que la fuerza de empuje extrínseca del ectodermo flanqueante es un mecanismo de plegado, pruebas más recientes han argumentado en contra y han sugerido que el empaquetamiento celular diferencial generado por la proliferación y translocación celular en el tubo neural del ratón conduce al plegado de la estructura.

En relación con esto, en 1986 Jacobson, Oster et al. describieron en ranas Xenopus un comportamiento celular para la elevación del pliegue neural (el comienzo lateral de la neurulación) que denominaron ‘tractoring’. El término «tractoring» fue recogido y utilizado de nuevo en el contexto de la flexión epitelial en la gastrulación del erizo de mar en otros dos trabajos. Merece la pena considerar en detalle lo que abordan estos tres trabajos (véase el siguiente párrafo). Lamentablemente, el término «tractoring» también se utilizó en el mismo artículo de 1986 para describir no sólo los comportamientos celulares como tales, sino también un mecanismo subcelular especulativo que podría impulsarlos. En este uso especulativo del término «tractoring», la corteza celular fluye como una oruga alrededor de la célula para moverla con respecto a sus vecinas. Es difícil imaginar la tracción cortical en epitelios con uniones estrechas, que impedirían el movimiento cortical, y la idea nunca se ha seguido (aunque los epitelios embrionarios, especialmente en los embriones de mamíferos, a menudo carecen de uniones estrechas y pueden tener una adhesión más lábil). Un artículo reciente ha reavivado la idea de la tracción cortical para las células aisladas que migran en espacios reducidos. Para evitar confusiones, abandonaremos por completo el término «tractoring» (excepto entre comillas, donde lo utilizaron esos autores). En su lugar, ofreceremos dos nuevos términos -ya que, de hecho, hay dos comportamientos celulares implicados-: telescopaje vertical y agrupamiento basal (o apical).

Un efecto descrito por Jacobsen et al. que se produce durante la flexión de la placa neural es que las células se deslizan verticalmente unas junto a otras, de forma similar a como lo hacen los peldaños de una escalera mecánica ascendente, para crear una pendiente o curva. Otra forma útil de describir esto es que el epitelio se extiende hacia abajo por desplazamiento vertical, efectivamente cizallamiento, entre sus células organizadas alrededor del centro de la invaginación, de forma muy parecida a como se extiende un telescopio por el deslizamiento de sus secciones (figura 6a). Sugerimos el término «telescopio vertical» para este proceso, con el fin de captar no sólo la idea de «cizallamiento» vertical, sino también su disposición concéntrica. Es poco probable que se produzca un cizallamiento real entre las células: es mucho más probable que el movimiento vertical de las células se asemeje a la migración celular clásica, en la que las células se arrastran o ruedan sobre puntos de adhesión fijos, efectuándose el movimiento mediante la extensión de protuberancias basales o apicales (figura 6b,c). Tenemos algunas pruebas preliminares de que el telescopaje vertical se produce en la morfogénesis de los dientes y la invaginación de las glándulas salivales (E. Panousopoulou, J.Li y J.B.A. Green 2016, datos no publicados). Las observaciones en el tubo neural lateral del ratón mencionadas anteriormente son consistentes con este tipo de mecanismo, pero el movimiento vertical tipo cizalla queda por observar directamente.

Un mecanismo diferente que se ha descrito con el término «tractoring» se da en la gastrulación del erizo de mar y consiste en que las protuberancias apicales de las células se «arrastran» centrípetamente, forzando a las células a orientarse centrípetamente y, en consecuencia, a doblar el epitelio (figura 6d) . Este proceso se modela más explícitamente como extensiones celulares apicales contráctiles en un segundo artículo que utiliza el término «tractoring», y aquí renombramos este proceso como «apical bunching» (figura 6d), con la palabra «bunching» que transmite la idea de reunión (de los ápices celulares) por apretar desde el exterior (por las protuberancias apicales de las células vecinas extendidas lateralmente). El bunching apical se diferencia del telescopaje vertical en que el bunching provoca un cambio de forma sin desplazamiento vertical, mientras que el telescopaje vertical se define, por el contrario, como un cizallamiento vertical sin cambio de forma. Sin embargo, estas definiciones son teóricas: en la práctica, el arrastre lateral de las protuberancias apicales podría deformar y deprimir simultáneamente las células vecinas (figura 6d). El amontonamiento apical también difiere de la constricción apical porque en el amontonamiento la fuerza es extrínseca a la célula deformada, mientras que en la constricción es intrínseca.

Jacobson et al. también habían sugerido que las protuberancias basales de las células de la placa neural avanzaban lateralmente a lo largo de la lámina basal, llegando por debajo de sus vecinas. Uno de los efectos de esto parece ser la compresión lateral de estas células en sus bases, lo que lleva al pliegue neural a evaginarse (creando una curvatura cóncava similar a la invaginación en la parte adyacente de la placa neural de forma pasiva). Esto podría describirse como «bunching basal» en contraposición al bunching apical, aunque todavía no hay observaciones claras en vivo de este fenómeno experimentalmente para confirmar su existencia.

Intercalación suprabasal: doblar un epitelio multicapa

La mayoría de los mecanismos anteriores se refieren a monocapas o a epitelios pseudoestratificados; por lo tanto, un misterio que persiste es cómo un epitelio estratificado, que aparece muy a menudo en la organogénesis temprana, como en el placode del diente, el folículo piloso y la glándula mamaria, se dobla en un primordio de órgano en forma de yema o tubo. Un estudio reciente ha demostrado que, en estos epitelios que se doblan, la actina y la miosina fosforilada no están enriquecidas apicalmente en las células de la capa basal en forma de cuña, y los núcleos no están localizados predominantemente de forma basal . Por lo tanto, ni la constricción apical ni el acuñamiento basal parecen estar implicados en este proceso.

Teóricamente, se ha propuesto que la proliferación localmente elevada, y más específicamente la estratificación, de las células por encima de la capa basal es suficiente para impulsar el «crecimiento hacia abajo» de un epitelio (figura 7) ; de hecho, el examen de la orientación del huso en el diente molar, uno de los mayores placodos de órganos epiteliales, mostró que la división celular en el placodo se produce perpendicularmente al plano del tejido, creando las células suprabasales (figura 7b) . Sin embargo, a priori, se esperaría que la estratificación engrosara un epitelio tanto hacia arriba como hacia abajo, o incluso sólo hacia arriba si el tejido subyacente (mesenquimal) fuera rígido. Además, en el mismo trabajo se descubrió experimentalmente que la estratificación por sí sola no es suficiente para impulsar la invaginación y que la inhibición de la proliferación no inhibe la invaginación. En otras palabras, el «crecimiento descendente» es una descripción inadecuada para la invaginación temprana de las placodas. En cambio, se descubrió que las células suprabasales generan la tensión de flexión esencial, tal y como revela la observación de la actina y la fosfomiosina elevadas, los movimientos de intercalación celular y el retroceso al corte físico . Se demostró que la tensión planar creada en las capas suprabasales por la intercalación celular planar es transmitida a la lámina basal por las células de la capa basal que están ancladas basalmente pero que simultáneamente extienden protuberancias apicales orientadas centrípetamente que participan en la intercalación (figura 7c) . La capa basal resiste la compresión lateral, por lo que debe doblarse en respuesta a la contracción suprabasal. Topológicamente, las células suprabasales de las placodas ectodérmicas adoptan el papel de los cables apicales de actomiosina, pero a una escala mucho mayor.

Conclusión

Como se especifica en §1, hemos intentado aquí ofrecer un resumen breve y actualizado de los principales mecanismos que se cree que intervienen en la invaginación epitelial. Cabe mencionar que los diferentes mecanismos aquí discutidos no son necesariamente excluyentes entre sí. Por ejemplo, la proliferación es una condición necesaria para la intercalación suprabasal en el epitelio estratificado, la relajación basal normalmente precede a la constricción apical, y el agrupamiento apical o basal puede actuar conjuntamente con la constricción apical o el acuñamiento basal. La jerarquía de los mecanismos discutidos también representa las limitaciones de nuestros conocimientos. La constricción apical se supone, tal vez, común sobre todo por su obviedad en el desarrollo temprano de los organismos modelo de laboratorio. Los demás mecanismos son progresivamente menos apreciados, pero merecen ser considerados en un plano de igualdad, ya que podrían ser más comunes e importantes en el desarrollo posterior y en diversas especies de lo que se ha apreciado hasta ahora. La invaginación es sólo un tipo de flexión epitelial. Hemos omitido, por razones de espacio, la discusión del proceso morfogenético más obviamente relacionado, a saber, la evaginación, por ejemplo por constricción basal, que conduce a un plegamiento del tejido hacia fuera . También hemos limitado esta revisión centrándonos en la flexión impulsada por fuerzas intrínsecas. Por «intrínsecas» nos referimos a las fuerzas generadas dentro del propio epitelio (aunque no necesariamente sólo en el punto de flexión, como se ejemplifica en el pandeo impulsado por cables). Además de las fuerzas intrínsecas, la flexión de tubos como el intestino o el corazón puede ser impulsada por fuerzas extrínsecas al epitelio, como las fuerzas de resistencia generadas en el tejido inelástico adjunto o envolvente a medida que el propio epitelio crece .

En lugar de centrarnos, por ejemplo, en los aspectos biomecánicos de la flexión epitelial o de revisar exhaustivamente la morfogénesis epitelial en su conjunto , hemos proporcionado un esbozo de una variedad de sistemas celulares que mediante comportamientos de conjunto coordinados generan la anatomía requerida. Para algunos de ellos, existe una cierta comprensión de los mecanismos moleculares, pero para la mayoría, la conexión entre los procesos moleculares subcelulares y los resultados a nivel de tejido supracelular sigue siendo burda. Sin embargo, lo que está claro es que resulta esclarecedor considerar el mecanismo a escala supracelular o multicelular. Al considerar las invaginaciones epiteliales de este modo como sistemas de células, la deslumbrante variedad de acontecimientos del desarrollo puede reducirse a un pequeño número de motivos manejables. Identificar y caracterizar estos motivos (incluso con variaciones) se convierte así en una agenda factible para el progreso experimental y teórico.

Contribuciones de los autores

Todos los autores contribuyeron a la concepción, redacción, figuras y edición del manuscrito.

Intereses en competencia

No tenemos intereses en competencia.

Financiación

Este trabajo fue financiado por la subvención BBSRC no. BB/L002965/1 a J.B.A.G.

Footnotes

Una contribución de 13 a un número temático ‘Systems morphodynamics: understanding the development of tissue hardware’.