Las extremidades de los tetrápodos presentan un diseño muy similar, lo que evidencia un ancestro común. Del tronco a la punta de los dedos están compuestas por tres segmentos siendo el segmento más distal, correspondiente a la mano/pie, el único que presenta una considerable variación evolutiva, reflejo de su adaptación a funciones tan diversas como correr, nadar o volar. Este segmento distal, llamado autopodio, se caracteriza por la presencia de los dedos cuyas variaciones de morfología, número y posición determinan las características funcionales de la extremidad.
Las extremidades comienzan como pequeños abultamientos en la pared lateral del cuerpo embrionario. Al crecer, el extremo distal se aplana y ensancha formando la paleta digital, con forma de abanico y donde los dedos rápidamente se distinguen como engrosamientos longitudinales (varillas del abanico) separados por espacios interdigitales aplanados. El destino celular no puede ser más diferente según su posición: mientras que las células de las condensaciones forman el componente esquelético del dedo, las células de los espacios interdigitales mueren por apoptosis contribuyendo a la separación de los mismos.
Numerosos estudios en las décadas pasadas han establecido que los principales factores que controlan la formación de los dedos son la señalización de Sonic hedgehog (Shh)y los genes Hox. Mi grupo siempre ha estado interesado en averiguar qué factores controlan su morfología y número de dedos incluyendo los mecanismos que condujeron a la pentadactilia durante la evolución.
Shh es una potente molécula señalizadora con importantes funciones durante el desarrollo y homeostasis (1). Se produce en un pequeño grupo de células del borde posterior del esbozo de extremidad, la zona de actividad polarizadora (ZPA), desde donde difunde formando un gradiente antero-posterior del que depende tanto el crecimiento antero-posterior de la paleta como las asimetrías entre los dedos (polaridad). El principal transductor de la señalización de Shh en la extremidad es Gli3, un miembro de la familia Gli de factores de transcripción con dedos de Zinc, que en ausencia de Shh se procesa a una forma truncada (Gli3R) que es un fuerte represor transcripcional (2).
Los genes Hox son una importante familia de genes maestros que controlan el plan corporal básico (3). La mayoría de los vertebrados tienen 39 genes Hox organizados en cuatro grupos (HoxA, HoxB, HoxC y HoxD) cada uno en un cromosoma diferente. Los grupos HoxA y HoxD muestran dos fases de expresión secuenciales durante el desarrollo de la extremidad. La segunda de estas fases implica a los miembros más 5’ y tiene lugar en la paleta digital, y es absolutamente necesaria para la formación de los dedos.
Los genes Hox y la señalización Shh/Gli3 están fuertemente interconectados. La transcripción de Shh requiere de los genes HoxD y viceversa, siendo Gli3R un importante represor de la expresión de los genes 5’ HoxD. Además, hay un nivel adicional de complejidad que viene dado por la interacción proteína-proteína entre Gli3R y varias proteínas Hox, ya que atenúa la actividad de Gli3R (4). Todas estas interacciones son las que subyacen en la morfogénesis de los dedos que, con una visión didáctica, podemos considerar consta de tres etapas. Primero, el control del crecimiento por Shh/Gli3 define el tamaño de la paleta digital, un parámetro decisivo en el número de dedos. Segundo, un mecanismo auto-organizativo tipo Turing establece un patrón básico iterativo dedo/no-dedo en el que los genes Hox juegan un papel importante. Finalmente, un pequeño centro organizador en la punta de cada dedo controla su elongación definiendo la morfología específica de cada dedo.
La mejor evidencia de que un mecanismo tipo Turing controla el patrón dedo/no dedo deriva de experimentos genéticos en los que, en ausencia de Gli3, se reduce la dosis de genes 5’ Hox (5). En estos casos el número de dedos aumenta progresivamente, en correlación con la disminución de genes Hox, sin incrementarse el tamaño de la paleta (ver Figura). Esto es debido a que los dedos son más delgados y están más juntos, morfologías similares a las que generan mecanismos de auto-organización o de reacción-difusión tipo Turing, así llamados porque fueron ideados por el brillante matemático británico Alan Turing. Estos modelos asumen la existencia de dos sustancias químicas, las cuales reaccionan entre sí a la vez que difunden para acabar generando un patrón espacial estático del activador, caracterizado por la longitud de onda y que prefigura la morfogénesis posterior. Los genes Hox modulan la longitud de onda, es decir el grosor de los dedos, y por tanto el número de dedos en un espacio dado (5).
Una vez establecido el nivel binario básico de dedo/no-dedo, los dedos continúan su elongación diferenciándose las falanges y articulaciones y finalmente adquiriendo su identidad. Para ello cuentan con un pequeño centro organizador en la punta de cada dedo llamado la región formadora de falanges (6) y que, curiosamente, está controlado por señalización proveniente del espacio interdigital.
Referencias:
- TICKLE, C. and TOWERS, M. (2017). Sonic Hedgehog Signaling in Limb Development. Front Cell Dev Biol 5: 14.
- TE WELSCHER, P., ZUNIGA, A., KUIJPER, S., DRENTH, T., GOEDEMANS, H.J., MEIJLINK, F. and ZELLER, R. (2002). Progression of vertebrate limb development through SHH-mediated counteraction of GLI3. Science 298: 827-30.
- MONTAVON, T., SOSHNIKOVA, N., MASCREZ, B., JOYE, E., THEVENET, L., SPLINTER, E., DE LAAT, W., SPITZ, F. and DUBOULE, D. (2011). A regulatory archipelago controls Hox genes transcription in digits. Cell 147: 1132-45.
- CHEN, Y., KNEZEVIC, V., ERVIN, V., HUTSON, R., WARD, Y. and MACKEM, S. (2004b). Direct interaction with Hoxd proteins reverses Gli3-repressor function to promote digit formation downstream of Shh. Development 131: 2339-47.
- SHETH, R., MARCON, L., BASTIDA, M.F., JUNCO, M., QUINTANA, L., DAHN, R., KMITA, M., SHARPE, J. and ROS, M.A. (2012). Hox genes regulate digit patterning by controlling the wavelength of a Turing-type mechanism. Science 338: 1476-80.
- SUZUKI, T., HASSO, S.M. and FALLON, J.F. (2008). Unique SMAD1/5/8 activity at the phalanx-forming region determines digit identity. Proc Natl Acad Sci U S A 105: 4185-90.