¿Cómo re-establecen la polaridad las planarias durante la regeneración?

01/03/2015 0 comentarios
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¿Y qué hago, una cabeza o una cola? ¿Una boca ventral o dorsal?

Durante la regeneración de estructuras complejas como las extremidades de los anfibios o la regeneración de un organismo completo a partir de una pequeña parte del cuerpo, como pasa en las planarias y las hidras de agua dulce, las nuevas partes han de regenerar de manera que se re-establezca la polaridad original. ¿Y qué significa esto? Usemos como ejemplo a las planarias, viejas conocidas de este blog. Si le cortamos la cabeza y la cola a una planaria, ésta regenerará una nueva cabeza y cola en muy pocos días. La nueva cabeza aparecerá siempre donde estaba la original; lo mismo la cola. Es decir que el fragmento de planaria a la que cortamos la cabeza y la cola, de alguna manera sabe dónde tiene que regenerar la cabeza y dónde la cola. A esto precisamente es a lo que nos referimos cuando hablamos de polaridad.

Si pensamos en los principales ejes corporales de los animales bilaterales tenemos un eje antero-posterior (AP) y otro dorso-ventral (DV); también hay un eje de simetría izquierda-derecha. Y estos ejes tienen que re-establecerse de manera correcta durante la regeneración. ¿Y cuáles son los genes responsables del re-establecimiento de la polaridad?

En la regeneración lo que vemos muchas veces es que los animales utilizan muchos de los genes que también se utilizan para hacer las mismas estructuras durante el desarrollo embrionario. Por tanto, cabe preguntarse cómo se establecen los principales ejes corporales durante la embriogénesis. En la gran mayoría de los animales las vías de señalización Wnt/β-catenina y BMP (Bone morphogenetic protein) son las encargadas de determinar la polaridad AP y DV, respectivamente. Las vías de señalización son cascadas génicas donde tenemos una serie de elementos que lo que hacen, básicamente, es responder a señales extracelulares activando o inhibiendo una serie de genes y traduciéndose en un comportamiento específico de la célula. Volviendo a la polaridad, ¿tienen un papel las vías Wnt/β-catenina y BMP en el re-establecimiento de la polaridad AP y DV durante la regeneración de las planarias?

Para estudiar la función de los genes en las planarias se utiliza una técnica llamada RNAi (RNA interference). En ella, lo que se hace es silenciar de manera específica el gen o los genes de interés. En el caso de las planarias el protocolo es muy sencillo: se silencia el gen que nos interesa, se corta la planaria y se espera a ver cómo regenera. Si vemos un defecto en la regeneración podemos suponer que dicho defecto es consecuencia de haber silenciado nuestro gen, y a partir de aquí inferir la función normal del mismo. Por ejemplo, imaginemos que silenciamos el gen X y ahora las planarias regeneran una cabeza normal pero sin ojos. La conclusión que podríamos sacar es que el gen X es necesario para regenerar los ojos.

Volvamos ahora a la polaridad AP y DV. Empecemos con la AP. La proteína β-catenina es un elemento clave de la vía de señalización Wnt/β-catenina. De manera general podemos decir que la activación de esta vía durante la embriogénesis determina la región posterior en muchos animales. Pues bien, si silenciamos la β-catenina en planarias regenerantes el resultado es que las planarias regeneran siempre una cabeza independientemente de la polaridad original del fragmento regenerante. Es decir, y volviendo al ejemplo inicial, si le amputamos la cabeza y la cola a una planaria después de silenciar la expresión del gen de la β-catenina este fragmento regenerará ahora una cabeza en sus dos extremos. Por tanto, la activación de esta vía es necesaria para determinar la región posterior de la planaria. Si la silenciamos el resultado es que dicha parte posterior se transforma en un región anterior.

Este resultado se observa no únicamente durante la regeneración sino también en planarias intactas no regenerantes. Si silenciamos este gen lo que se ve es que a las dos semanas aproximadamente la región posterior (la cola) se transforma en una cabeza con sus ojos y su cerebro. O sea que la vía Wnt/β-catenina no sólo es clave para el re-establecimiento de la polaridad posterior durante la regeneración sino también para su mantenimiento en animales intactos.

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 A) Planaria control que ha regenerado una cabeza (con sus dos ojos) en el extremo anterior (izquierda) y una cola en el posterior. B) Planaria regenerante con el gen de la β-catenina inhibida. En este caso se han formado dos cabezas en los dos extremos. C) Planaria regenerante con la vía BMP inhibida. Se observa la duplicación del eje DV sobre todo en la región posterior, así como ojos ectópicos en la región anterior.

Con el eje DV pasa una cosa similar. En este caso es la vía BMP la que es importante para establecer este eje en muchos animales. En los vertebrados la activación de esta vía determina la parte ventral de los animales; en los invertebrados, en cambio, determina la parte dorsal. ¿Qué pasa entonces si silenciamos esta vía durante la regeneración de las planarias? Pues que la parte dorsal se transforma en una parte ventral. Las planarias tienen un sistema nervioso central formado por unos ganglios cefálicos (cerebro) y dos cordones nerviosos longitudinales que se extienden a lo largo de todo el animal ventralmente. Al silenciar esta vía en los animales tratados se produce una duplicación del sistema nervioso central, apareciendo otro cerebro y cordones en la superficie "dorsal" ahora "ventralizada". También, estos animales tienen una boca en la parte ventral de su cuerpo; al silenciar la vía BMP les aparece otra boca en la parte "dorsal". De hecho el aspecto que tienen estas planarias es como si todo el animal se hubiese duplicado y formado dos planarias siamesas unidas por sus partes dorsales ("espaldas") y con sus partes ventrales ("barrigas") mirando al exterior.

En resumen, estos ejemplos muestran cómo el re-establecimiento de la polaridad AP y DV durante la regeneración de las planarias depende de las mismas vías de señalización que determinan dicha polaridad durante el desarrollo embrionario de la mayoría de los animales. Asimismo, demuestran la utilidad de las planarias para estudiar la función de estas y otras vías de señalización en el contexto de la regeneración de todo el cuerpo.

 

Podéis encontrar más información en:

Molina MD, Saló E, Cebrià F (2007) The BMP pathway is essential for re-specification and maintenance of the dorsoventral axis in regenerating and intact planarians. Developmental Biology 311: 79-94.

Molina MD, Nieto A, Maeso I, Gómez-Skarmeta JL, Saló E, Cebrià F (2011) Noggin and noggin-like genes control dorsoventral axis regeneration in planarians. Current Biology 21:300-305.

Iglesias M, Gómez-Skarmeta JL, Saló E, Adell T (2008). Silencing of Smed-betacatenin1 generates radial-like hypercephalized planarians. Development 135: 1215-1221.