Primera División Mitótica del Cigoto y Etapas Tempranas del Desarrollo Embrionario
Todos los organismos durante su desarrollo establecen polaridad, es decir, crean diferencias entre polos opuestos del embrión. Los mecanismos subyacentes a la formación de estos ejes han sido motivo de estudio con profundidad en la mayoría de los grupos animales. Sin embargo, existe una gran controversia con respecto al momento del inicio de su formación en el embrión y, por lo tanto, en el comienzo de la polaridad embrionaria. Un buen ejemplo es el caso de la localización de los órganos según el eje izquierda-derecha. Indudablemente, la posición del corazón, hígado, intestino e incluso del cerebro se ajusta a este eje con unos órganos situados en un lado y otros en el contrario.
En la mayoría de los invertebrados, los primeros síntomas de polaridad y por lo tanto el establecimiento de los ejes embrionarios ocurre antes de la fecundación. El caso más estudiado es, sin duda, el de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. Este es el caso del RNA mensajero que codifica para la proteína denominada bicoid, un factor de trascripción que regula la expresión de otros genes y que se deposita en un gradiente entre un polo y el opuesto del huevo de la mosca. Las células que posteriormente se originan en la zona del huevo con mayor concentración de bicoid darán lugar a la zona anterior de la mosca (cabeza) y las que derivan del polo opuesto con poca cantidad de bicoid darán lugar a la región posterior del organismo (cola).
El papel del gen bicoid en el establecimiento del eje A-P queda comprobado por la existencia de mutantes defectivos en este gen y que por lo tanto producen huevos de mosca que no poseen bicoid. Este caso no es único, y el número de moléculas que provenientes de la madre actúan en las primeras fases del desarrollo son muy numerosas y reciben en conjunto el nombre de genes o factores maternales. Por lo tanto, la distribución asimétrica de ciertas moléculas entre polos opuestos del huevo se transformará en diferentes destinos celulares porque las células adquieren determinantes distintos dependiendo del citoplasma que hereden durante las divisiones celulares.
Este mecanismo de desarrollo podemos denominarlo mosaicismo y significa que desde el comienzo de la segmentación las células están predestinadas y no son por tanto equivalentes (el embrión es un mosaico de células con composición citoplasmática distinta). Sin embargo, en los anfibios los determinantes maternales especifican un eje que en el desarrollo no se corresponde exactamente con el futuro eje antero-posterior, sino más bien con el futuro eje dorso-ventral y a este eje embrionario inicial se le denomina eje animal-vegetal, con diferencias claras en tamaño y destino futuro de las células entre una zona y otra (formando blastómeras animales y vegetales). En estos casos se asume que tanto el huevo (óvulo) como el embrión durante las primeras divisiones embrionarias, no poseen ningún signo de polaridad.
Posiblemente esta es la idea que se nos ha enseñado a la mayoría de los profesionales que trabajamos en reproducción durante nuestra formación académica. Este mecanismo de desarrollo puede denominarse regulativo (en contrapartida al modelo de mosaico) ya que el destino de las células que se van originando no esta fijado y puede modificarse durante el desarrollo. Parece ser por tanto que durante la evolución los grupos de animales que denominamos superiores, han perdido la capacidad de establecer una polaridad en el huevo o en las fases iniciales del desarrollo y que el proceso de establecimiento de los ejes se produce mediante mecanismos distintos a los que utilizan los denominados vertebrados inferiores y los invertebrados.
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Según este modelo, la visión aceptada del desarrollo inicial en mamíferos y por tanto en la especie humana, es que las células conseguidas durante las primeras etapas del desarrollo embrionario son todas equivalentes y que los primeros signos de polaridad no aparecen hasta la formación del blastocisto (o incluso más adelante). Además, los ejes embrionarios no se establecen hasta el proceso de gastrulación en el epiplasto embrionario derivado de la masa celular interna (MCI) y mediante interacciones celulares complejas. Las evidencias más firmes que siguen soportando este modelo regulativo se basan en la plasticidad o potencialidad que poseen las células de los mamíferos antes de la implantación.
Actualmente, la teoría regulativa es mantenida por muchos investigadores, pero se acumulan evidencias experimentales que sugieren una diferencia (polaridad) entre las distintas zonas del embrión en la etapa de blastocisto, mórula e incluso a partir de la primera división mitótica del cigoto. Si estas evidencias experimentales se van confirmando, implicaría que las blastómeras poseen ya una determinación para producir unas ciertas regiones del futuro embrión. Esta nueva visión obligaría a reevaluar el impacto que algunas técnicas parejas a la fecundación in vitro (FIV), como es el caso del diagnostico genético preimplantacional (DGP), pueden suponer sobre el desarrollo embrionario y el éxito de la reproducción asistida.
A continuación se revisarán las evidencias que ponen de manifiesto la existencia de polaridad en las fases previas a la implantación en los embriones de mamíferos, centrándonos en los roedores como modelo experimental más utilizado y haciendo referencia a los datos conocidos y confirmados en humanos. Como secuencia lógica se utilizará una cronología retrospectiva desde la fase de blastocisto hasta el huevo (óvulo).
Establecimiento de los Ejes Embrionarios y Polaridad Inicial
Como se ha mencionado anteriormente, los tres ejes principales del organismo se establecen después de la implantación embrionaria durante la gastrulación. Indudablemente en la gastrulación se inicia la formación de estructuras equiparables a las del organismo definitivo (sistema nervioso, tubo digestivo, corazón, etc.) y por lo tanto los ejes embrionarios son identificables. No es cuestión de tratar aquí la importancia de la gastrulación pues queda fuera del objeto de este trabajo, pero si que hay que resaltar que cualquier polaridad previa a este momento ha de ser culminada por el embrión durante la gastrulación. De hecho esta fase se considera como el momento en el que la estructura definitiva del organismo se establece y por lo tanto uno de los momentos más transcendentales del desarrollo embrionario.
El blastocisto de mamíferos presenta claramente un eje entre la zona donde se encuentra la masa celular interna (MCI) y la zona opuesta sin MCI. A estas zonas del blastocisto se les denomina polo embrionario (Em) y polo abembrionario (Ab) respectivamente y es claramente el primer eje de polaridad embrionaria que puede distinguirse claramente en el embrión de mamíferos. Este eje divide a las células del trofoectodermo en dos grupos, las cercanas a la MCI (trofoectodermo polar) y las alejadas de la misma (trofoectodermo mural) que tendrán destinos diferentes en el organismo.
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Algunos autores han analizando con más detalle la disposición de la MCI y han descrito que presenta ya una cierta asimetría que la hace asemejarse a un balón de fútbol americano (oval y aplanado). Aunque no existen pruebas concluyentes se ha establecido una correlación entre esta asimetría de la masa celular interna con la formación del futuro eje antero-posterior en el embrión. Además, con respecto a la disposición de las células de la MCI, pueden identificarse células más cercanas a la cavidad o blastocele y otras en contacto o cercanas al trofoectodermo. De nuevo existen evidencias que esta disposición se corresponde con el futuro eje D-V, siendo las células que limitan la cavidad del blastocisto las futuras células endodérmicas (ventrales) del embrión.
Una cuestión importante que puede plantearse con respecto a esta polaridad es si estos ejes observables en el blastocisto se producen de forma aleatoria con respecto a las células de la mórula o si por el contrario están predispuestos desde etapas previas del desarrollo.
Esta disposición ortogonal con tres células en un plano y otra desplazada ha de ser explicada a su vez por una disposición ordenada y secuencial de los planos de división celular que se producen después de la fecundación. Esta orientación particular de los planos de división y la colocación de las blastómeras ha sido muy estudiada en embriones de ratón y humanos. Estos planos de división se producen y definen con respecto a la posición del corpúsculo polar (CP) y por analogía con otros grupos de animales se define a este eje entre el polo del cigoto que posee el corpúsculo y el opuesto como el eje animal-vegetal (AV) del embrión.
Sistemáticamente la primera división se produce de forma meridional y produce dos blastómeras simétricas y equivalentes en su contenido de citoplasma animal y vegetal. La segunda división se produce con el mismo eje en una de las blastómeras (generalmente la primera que se divide) creando de nuevo dos células equivalentes en cuanto a su contenido citoplasmático animal-vegetal, pero la otra blastómera realiza una división ecuatorial creando dos células, una con contenido citoplasmático exclusivamente animal (célula superior) y otra con contenido exclusivamente vegetal.
Después de estas tres divisiones, las células siguen produciéndose de forma ordenada y van disponiéndose en capas internas y externas pero con procedencias distintas. Se acepta que las células que se quedan situadas en la periferia darán lugar al trofoectodermo, mientras que las que quedan en el interior darán lugar a la MCI. Este mecanismo de desarrollo ha sido cuestionado por trabajos en los que se pone de manifiesto que las células están determinadas a formar las zonas del blastocisto más por su origen según las primeras divisiones que por su disposición azarosa en la blástula.
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Estos estudios consisten en analizar la posición final que ocuparán los descendientes de cada una de las células del embrión inicial en el futuro blastocisto e incluso en el embrión post-implantatorio. Como se ha dicho, la forma experimental de comprobar que existe un destino predefinido para las blastómeras ha sido mediante el marcaje celular con sustancias vitales que no interfieren en el desarrollo y que pueden ser seguidas a lo largo del desarrollo. Los análisis de marcaje siempre presentan objeciones técnicas por el abordaje experimental que conlleva, con un gran intervencionismo sobre el embrión (manipulación, introducción de sustancias extrañas, métodos de observación del marcaje como la fluorescencia, etc) y por lo tanto resultan controvertidos.
Quizá debido a esto hay que mencionar que existen publicaciones recientes que abogan por un destino azaroso de las blastómeras sin relación alguna con el eje animal-vegetal del óvulo o el futuro eje embrionario-abembrionario del blastocisto. Esto significaría que existe una predisposición o polaridad desde las etapas más iniciales del desarrollo y el modelo de mosaicismo tiene cada vez más evidencias en embriones de mamíferos.
El destino más sugerido por su correlación ideal con la estructura del blastocisto es que las dos células con contenido animal y vegetal (segunda división meridional) darán lugar mayoritariamente a la MCI, la célula que se origina en el polo animal (célula superior en la segunda división ecuatorial) tiende a formar la mayoría del trofoectodermo y la que mantiene únicamente citoplasma de origen vegetal contribuirá a la línea germinal.
La controversia sobre el destino de las blastómeras iniciales en embriones de mamíferos ha sido parcialmente zanjada por los numerosos y elegantes estudios de linaje celular realizados principalmente por el grupo de Zernika-Goetz en Londres. En sus trabajos se muestra que la disposición de las blastómeras condiciona el destino final de las células, pero que la relación entre el eje animal-vegetal con el eje embrionario-abembrionario del blastocisto es más sutil de lo que se pensaba. Así, la blastómera que se divide meridionalmente va a dar lugar a la mayoría de la MCI y el trofoectodermo polar mientras que la otra (ecuatorial) va a dar lugar al trofoectodermo mural y parte de las células de la MCI, especialmente gran parte de las que limitan la cavidad del blastocisto. Este mapa de destino explica además por qué algunos autores encuentran células descendientes de las 2 o 4 primeras blastómeras en ambas estructuras (MCI y trofoectodermo).
Si desde la primera división mitótica las células tienen un destino prefijado hay que plantear que el cigoto ha de tener ya un grado importante de polaridad que facilite este comportamiento sistemático de las blastómeras y que posiblemente haya heredado a su vez de algún tipo de asimetría en el óvulo. Tanto en el óvulo como en el cigoto, la posición del corpúsculo(s) polar(s) ya denota una polaridad y como se ha mencionado define el eje animal-vegetal. Este eje coincide en la orientación del primer plano de división y finalmente con el destino de las células en el blastocisto.
Como ya se ha mencionado en la introducción, se considera que los mamíferos no dependen de componentes citoplasmáticos y por lo tanto que el óvulo y el cigoto son homogéneos. Sin embargo, es evidente que deben existir diferencias en la membrana plasmática (MP) del óvulo ya que en condiciones fisiológicas el espermatozoide no puede penetrar en las cercanías del corpúsculo polar. Por lo tanto, aunque no es observable en el interior del gameto y del cigoto, ha de existir una polaridad estructural con respecto al futuro eje animal-vegetal.
Por ultimo, llevando la situación al extremo de que la localización del corpúsculo polar viene determinada por los movimientos que el núcleo realiza en la fase de vesícula germinal y que posiblemente estén relacionados con la maduración ovocitaria y con las interacciones entre el ovocito y las células foliculares del ovario.
Con todo lo descrito anteriormente, puede decirse que existe una polaridad embrionaria durante las primeras fases del desarrollo de los mamíferos y que esta polaridad puede tener algunos signos ya en el óvulo antes del proceso de fecundación. Esta polaridad queda confirmada y definida después de la primera división mitótica cuando se forman las dos primeras células, ya que las mismas van a tener destinos diferentes
Etapas de la Fecundación Natural
Aunque el proceso de unión entre óvulo y espermatozoides pueda parecer muy sencillo, lo cierto es que deben darse varios mecanismos y cambios en ambos gametos para que pueda ocurrir la fecundación.A continuación, se detalla paso a paso las distintas etapas de la fecundación en el ser humano:
- Penetración de la corona radiada: El proceso de fecundación se inicia con la penetración de los espermatozoides a través de la capa de células que rodea el óvulo: la corona radiada. Los espermatozoides consiguen atravesar esta capa gracias a la liberación de la enzima hialuronidasa y el movimiento de su flagelo (la cola). Una vez atraviesan esta capa, los espermatozoides se encuentran con una segunda barrera: la zona pelúcida, la capa externa que rodea al óvulo.
- Penetración de la zona pelúcida: Se necesita más de un espermatozoide para lograr degradar la zona pelúcida, aunque finalmente solo uno de ellos podrá entrar en el óvulo. Para poder atravesar esta segunda barrera, la cabeza del espermatozoide establece contacto con el receptor ZP3 de la zona pelúcida del óvulo. Esto desencadena la reacción acrosómica, que consiste en la liberación de enzimas hidrolíticas denominadas espermiolisinas. Dichas enzimas disuelven la zona pelúcida para permitir el paso del espermatozoide. Asimismo, la reacción acrosómica provoca una serie de cambios en el espermatozoide que permiten su capacitación final para poder penetrar en el interior del óvulo fundiendo sus membranas.
- Fusión de membranas: Cuando el espermatozoide entra en contacto con la membrana plasmática del óvulo, se desencadenan 3 procesos distintos en el gameto femenino: La formación del cono de fecundación, la despolarización instantánea de su membrana, la liberación de gránulos corticales al espacio perivitelino. La formación del cono de fecundación permite la fusión de la membrana del óvulo con la del espermatozoide para que la cabeza del espermatozoide pueda entrar. A su vez, gracias a la despolarización de la membrana del óvulo y a la liberación de gránulos corticales, se evita la entrada de otro espermatozoide.
- Fusión de núcleos y formación del cigoto: Con la entrada del espermatozoide, el óvulo se activa para terminar la meiosis, proceso que permite la reducción del número de cromosomas. Así, se libera el segundo corpúsculo polar y los cromosomas se colocan formando una estructura denominada pronúcleo femenino. Los pronúcleos son los núcleos de los gametos, los cuales tienen la particularidad de disponer de la mitad de cromosomas con respecto al resto de células del cuerpo, esto es, 23 cromosomas. Por su parte, el espermatozoide avanza hasta que su cabeza, que contiene el núcleo del espermatozoide, queda junto al pronúcleo femenino. La cola se desprende para terminar degenerando y el núcleo se hincha para formar el pronúcleo masculino. Una vez ambos pronúcleos se encuentran uno junto al otro, ocurre la fusión de ambos. Esto supone que las membranas de ambos pronúcleos desaparezcan para que sus cromosomas puedan juntarse y que la célula restablezca su dotación cromosómica, es decir, 46 cromosomas en total. Todo este proceso de la fecundación culmina con la formación del cigoto humano: primera célula del organismo fruto de la unión del óvulo y el espermatozoide.
Además de todo esto, en la fecundación queda establecido si el futuro bebé será un niño o una niña en función de sus cromosomas sexuales:
- Cigoto masculino: sus cromosomas sexuales son XY y el futuro bebé será un niño.
- Cigoto femenino: sus cromosomas sexuales son XX y el futuro bebé será una niña.
El óvulo siempre es portador del cromosoma X. Por tanto, el sexo del embrión se definirá según si el espermatozoide es portador de un cromosoma X o un cromosoma Y.
Desarrollo del Cigoto y Embrión
El óvulo fecundado constituye una nueva célula denominada cigoto, que empieza a descender por la trompa de Falopio hacia el útero. Durante ese trayecto, el cigoto se divide para dar lugar al embrión de dos células. El término cigoto solamente se utiliza para definir el primer estadio embrionario de una única célula.
A medida que avanza por la trompa, el embrión seguirá dividiéndose para permitir la formación del blastocisto, estructura con muchas células que empiezan a diferenciarse y que tiene la capacidad para implantarse en el útero y dar lugar al embarazo.
El cigoto es el primer estadio de vida y aparece tras la unión del óvulo y el espermatozoide, es decir, después de la fecundación. Consiste solamente en una célula, la primera célula del futuro bebé, y su tamaño es igual al del óvulo.
La fecundación hace referencia a la fusión de los gametos masculino y femenino, ambos con la mitad de material genético que el resto de células de un organismo (46 cromosomas) debido a la reducción cromosómica que han sufrido con la meiosis.
El resultado de esta fusión es el restablecimiento de la dotación genética normal del ser humano, una nueva célula con un núcleo y 46 cromosomas, 23 de origen materno y 23 paterno, que se denomina cigoto.
El cigoto aparece el día 1 de desarrollo embrionario en la trompa de Falopio de la mujer, que es donde tiene lugar la fecundación. Desde aquí, empieza su camino hasta el útero, donde implantará para que pueda producirse el embarazo.
El cigoto, que es una sola célula, comienza su división celular al día siguiente de la fecundación. En este momento, deja de denominarse cigoto y pasa a ser un embrión de día 2 que ya cuenta con unas cuatro células.
La etapa del embrión abarca desde el día 1 de desarrollo embrionario, que aún se denomina cigoto, hasta la octava semana de gestación. Durante este periodo de tiempo, el embrión va aumentando su tamaño, multiplicando sus células y sufre fuertes cambios celulares.
El número de células y el ritmo de división embrionario se denomina morfocinética. Aunque cada embrión es único y puede dividirse de forma más o menos rápida, existen unos patrones determinados de división que marcan si un embrión es de buena calidad.
Después de la primera división mitótica del cigoto, se obtiene un embrión con 2 células y, de este modo, se va dividiendo sucesivamente:
- Día 2 de desarrollo: el embrión suele tener unas cuatro células que deben ser simétricas, es decir, de un tamaño similar.
- Día 3 de desarrollo: el embrión es de excelente calidad si tiene ocho células simétricas y con un núcleo en el interior de cada una.
Todas estas etapas iniciales del desarrollo embrionario tienen lugar en la trompa de Falopio, a medida que el embrión avanza en dirección al útero.
En el día 4 de desarrollo embrionario, es posible encontrar al embrión en estado de mórula. Esta denominación se debe a que adquiere el aspecto de una mora.
Cuando el embrión tiene entre 5 y 6 días de desarrollo, adquiere una forma determinada e inicia la diferenciación celular. Se trata de la anidación del blastocisto en el útero de la mujer, concretamente en la capa interna denominada endometrio.
El blastocisto sale de la membrana que lo protege (zona pelúcida) y empieza a adherirse al endometrio. La implantación termina aproximadamente en el día 14 después de la fecundación, de forma que el endometrio queda invadido por el embrión.
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