Desarrollo de las extremidades, huesos y articulaciones en embriología

Desarrollo de las extremidades

TEMA A) DESARROLLO MIEMBROS. Desarrollo de las extremidades Tubo neural Cresta neural Notocorda Aorta dorsal Dermatomo Vena cardinal posterior D Esbozo del miembro Celoma Hígado Esbozo pancreático dorsal Vena umbilical derecha Vena umbilical izquierda Duodeno

Fig. 10.1 Sección transversal del tronco durante un estadio precoz en el desarrollo de la yema del miembro, que muestra la posición de dicha yema en relación a la del somito (dermatomo) y otras estructuras principales. El esbozo del miembro es una excrecencia de la pared corporal (mesodermo de la placa lateral).

Fig. 10.3 Amelia de la extremidad inferior derecha en un lactante. A pesar de la ausencia del pie, la extremidad inferior izquierda se divide en dos segmentos. (De Connor JM, Ferguson-Smith MA. Essential Medical >netics. 3.ª ed., Oxford: Blackwell Scientific; 1991.)Los esbozos de la extremidades se forman por interacción de AR(somitos) y genes Hox (información posicional) Mesodermo de la placa lateral Mesodermo paraaxial Anterior Hox-4/5 Gli 3 Ectodermc 1 m.sup. Tbx-5 -> FGF-10 EGF-8 Hand 2 Tbx4-Pitx-2 HoxC-8, -9, -10 A m.inf. Bs Prx1-Cre

Fig. 10.2 (A) Interacciones moleculares relacionadas con el inicio del desarrollo de la extremidad. (B) Ausencia de formación del miembro superior después de la deleción de Tbx-5 en los miembros. FGF, factor de crecimiento fibroblástico. (B de Minguillon C, Del Buono J, Logan MP. Dev Cell 2005;8:75-84.)

Inicio del desarrollo de las extremidades

La formación comienza relativamente tarde dentro del desarro- llo embrionario (al final de la cuarta semana en el ser humano) (fig. 10.1). Uno de los primeros pasos en el inicio de la formación de la extremidad es la expresión de una matriz lineal de genes Hox en el mesodermo lateral. En el nivel donde se formarán las extremidades anteriores, los miembros de los grupos paralógicos Hox-4, -5 estimulan la expresión del factor de transcripción T- box, Tbx-5 (fig. 10.2A). Más adelante, las expresiones de Hoxc-8, -9, -10 se verán involucradas en la formación de las extremidades posteriores. Estos genes Hox posteriores reprimen activamente la transcripción de Tbx-5, por lo que el margen de expresión anterior de estos genes marca el límite posterior del campo de la extremidad anterior. Tbx5 en el área del futuro miembro anterior y Tbx4 (junto con Pitx-1) en el del posterior estimulan la expresión y secreción del factor de crecimiento fibroblástico 10 (FGF-10) por las células mesodérmicas locales (fig. 10.2A). FGF-10 estimula el ectodermo suprayacente que produce FGF-8. Poco después se establece un sistema de retroalimentación que envuelve a FGF-10 y a FGF-8 y comienza el desarrollo del miembro.

A axial lateral B C PSM LPM somite LPM Raldh2 x Retinal RA Raldh2 RA ? Tbx5 Wnt Tbx5 Fgf10 -- > Fgf10 Fgf8 RA Hox B-catenin/ LEF/TCF induction initiation outgrowth coherent feedforward loop positive feedback loop- D + Tbx4+Ptx1 (posterior) + Tbx5 (anterior)+ Fgf10 Fgf8 RA + + SOBRE-EXPRESANDO FGF10 APARECE UN MIEMBRO SUPERNUMERARIO

(A) (B) The Molecular Mechanisms of Limb Bud Formation (A) During limb induction, an axial signal is required for Raldh2 expression in the LPM, which produces RA locally. RA, b- catenin/TCF/LEF, and Hox genes act cooperatively to induce Tbx5 in the LPM. (B) Subsequently, RA from the somite functions cooperatively with Tbx5 to induce Fgf10 expression. Thus, RA and Tbx transcription factors act in a coherent feed-forward loop (D). (C and D) Fgf10 in limb bud mesenchyme induces Fgf8 expression (C) in the overlying ectoderm to establish an Fgf10-Fgf8 positive feedback loop required for outgrowth (D).

Tubo neural Posterior 7PROPIEDADES REGULADORAS Y DETERMINACIÓN AXIAL

Propiedades reguladoras y determinación axial

El primordio inicial de las extremidades es un sistema dotado de una gran regulación, con propiedades parecidas a las descritas en el embrión en segmentación (v. pág. 57). Estas propiedades pueden resumirse con los siguientes experimentos (fig. 10.4):

1. Si se elimina parte del primordio de un miembro, el resto se reorganiza para formar un miembro completo.
2. Si el primordio de un miembro se divide en dos y se evita que ambas partes se fusionen, cada mitad dará lugar a un miembro completo (fenómeno de duplicación).
3. Si se unen dos mitades iguales del primordio de un miembro, se forma una sola extremidad completa.
4. Si se superponen dos discos de miembros equivalentes, se reor- ganizan para constituir una única extremidad (v. apartado sobre los embriones tetraparentales [pág. 58]).
5. En algunas especies el mesodermo disgregado de un miembro puede reorganizarse y formar una extremidad completa.

La organización del miembro suele referirse al sistema de coor- denadas cartesianas. El eje anteroposterior* discurre desde el primer dedo (anterior) hasta el quinto (posterior). Las palmas y las plantas son ventrales y las partes opuestas de las manos y los pies son dorsales. El eje proximodistal se extiende desde la base del miembro hasta las puntas de los dedos.

Regulación de la morfogénesis de las extremidades

Fig. 10.4 Experimentos que muestran las propiedades reguladoras de los discos de los miembros en embriones de anfibios. (A) Después de varios tipos de extracción de tejido, el tejido de la extremidad restante se regula para formar una extremidad normal. (B) La separación de dos mitades de un disco de extremidad por una barrera hace que cada mitad forme una extremidad normal de la misma polaridad. (C) La combinación de dos discos idénticos de extremidades a la mitad produce una sola extremidad. (D) La combinación de dos discos da como resultado la formación de una sola extremidad normal. (E) La interrupción mecánica de un disco de extremidad es seguida por la reorganización de las piezas y la formación de una extremidad normal. A, anterior; D, dorsal; P, posterior; V, ventral. (Datos de Harrison RG. J Exp Zool 1921;32:1-136; y Swett FH. Q Rev Biol 1937;12:322-339.)

(PRIMORDIO) D D D Somitos Disco del miembro P A PA V V V Primordios branquiales 1 D P A A V Ojo D D D P A P A D V IV 1 1 - 1 B C D E P AESBOZOS DE LOS MIEMBROS

Esbozos de los miembros

Stage 14 32 day 35 somite optic placode frontonasal prominence nasal placode maxillary 1 mandibular heart 2 liver 3 distal posterior 4 dorsal ventral anterior proximal upper limb bud somites UNSW Embryology Limb buds · Initial positioning looks caudal to final position due to the exaggeration of cranial structures during embryogenesis . Forelimb - develops at the level of C5 to C8 . Hindlimb - develops at the level of L3 to L5

(A) Epaxial myotome bud Central dermatome Myotome Hypaxial myotome bud Sclerotome Limb muscle precursors Spinal cord Limb bud Notochord Pronephron derived from lateral plate (somatic) & paraxial (myotome) Limb skeletal precursors Endoderm somatic splacnic Lateral plate mesoderm Tubo neural Cresta neural Somito Axones sensitivos y células de Schwann de la cresta neural Axones motores del tubo neural Precursores de células endoteliales y mioblastos derivados de los somitos Mesodermo de la placa lateral Células endoteliales de los vasos del tronco Células pigmentarias de la cresta neural · Mesodermo lateral 10.10 Diferentes tipos de células que entran en la yema niembro. DEVELOPMENTAL BIOLOGY, Seventh Edition, Figure 16.5 (Part 1) Sinauer Associates, Inc. · 2003 All rights reservedOrganizador ectodémico del miembro: Cresta Ectodérmica Apical (CEA)

Cresta Ectodérmica Apical (CEA)

La yema inicial del miembro comienza a formarse antes de que aparezca la CEA, aunque enseguida se observa una CEA gruesa a lo largo del borde que separa los ectodermos dorsal y ventral de la extremidad. Los estudios moleculares han demostrado que la localización de la CEA corresponde exactamente a este borde situado entre el ectodermo dorsal, que expresa la molécula de señal radical fringe, y el ectodermo ventral, que expresa el factor de trans- cripción Engrailed-1 (En-1) (v. fig. 10.17A).

Fig. 10.5 Microfotografía electrónica de barrido que muestra un embrión humano de 4 semanas (5 mm), con 34 pares de somitos. En la parte inferior izquierda, la yema del miembro superior derecho sobresale del cuerpo. (De Jirásek JE. Atlas of Human Prenatal Morphogenesis. Amsterdam: Martinus Nijhoff; 1983.)

C U- Fig. 10.7 Microfotografía electrónica de barrido que muestra un embrión humano de 5 semanas (10 mm). Los esbozos de los miembros superior e inferior (asteriscos) se encuentran en el estadio de aleta aplanada. C, corazón; U, cordón umbilical; 1, 2, arcos faríngeos 1 y 2. (De Jirásek JE. Atlas of Human Prenatal Morphogenesis. Ámsterdam: Martinus Nijhoff; 1983.)

Wnt-7a Dorsal A r-Fng Lmx-1 En-1 Fig. 10.6 Microfotografía electrónica de barrido que muestra la yema aplanada de un miembro en un embrión humano, con la sobresaliente cresta ectodérmica apical que cruza su borde apical. (De Kelley RO, Fallon JF. Dev Biol 1976;51:241-256.)

T Ventral Fig. 10.8 En las tres imágenes superiores, efecto de eliminar la cresta ectodérmica apical en etapas cada vez más tardías durante el desarrollo de una yema del ala aviar. Cuanto más madura es la yema, más elementos esqueléticos se forman tras la exéresis de la cresta apical. Las estructuras ausentes se muestran en un tono más claro. Imagen inferior, desarrollo normal de la yema intacta de un ala. (Basada en Saunders JW. J Exp Zool 1948;108:363-403.)Señales moleculares en el desarrollo de las extremidades

Señales moleculares en el desarrollo de las extremidades

Como se ha discutido anteriormente, el desarrollo inicial de las extre- midades se relaciona con el establecimiento en los miembros de campos de acción para el efecto del código combinatorio de los genes Hox, que a través de señales axiales, aún no identificadas, estimulan la expresión de Tbx-5 en el área del futuro miembro anterior y de Tbx-4 en el pos- terior. Del mismo modo, en el desarrollo tardío, Tbx-5 se expresa de forma exclusiva en los miembros anteriores, mientras que Tbx-4 lo hace solo en las extremidades posteriores (fig. 10.15). Esta exclusividad en la expresión regional hizo pensar que estos dos genes determinaban la identidad de ambas extremidades, anterior y posterior. Investigaciones más recientes han determinado que no es así. Las funciones principales de Tbx-4 y Tbx-5 parecen ser el inicio del desarrollo de una manera específica para cada miembro. Pitx-1, que también se expresa en la extremidad posterior, puede desempeñar un papel más importante que Tbx-4 en la determinación de la identidad de la misma.

Tbx-4 Tbx-5 Estadio 29 Fig. 10.15 Preparaciones de hibridación in situ de muestras enteras que contienen embriones de pollo en el estadio 29; en ellas se observa la expresión localizada de ARNm de Tbx-4 en la extremidad posterior y de Tbx-5 en la anterior. (Cortesía de H .- G. Simon, Northwestern University Medical School, Chicago.)

Hoxa, Hoxd 9 10 11 12 13 Ácido retinoico FGF Wnt FGF y Wnt Ácido retinoico B Meis-1 Estilopodio Hoxa-11 Zeugopodio Hoxa-13 Autopodio Fig. 10.19 Niveles de expresión del gen Hox en relación a los componentes esqueléticos del miembro. Los datos moleculares del ratón están superpuestos al esqueleto del miembro humano.

Fig. 10.13 (A) Control de la segmentación proximodistal de la extremidad del embrión de pollo por gradientes opuestos del ácido retinoico (púrpura) a nivel proximal y de los factores de crecimiento fibroblástico (FGF) y Wnt (verde) a nivel distal. (B) Las células expuestas a altas concentraciones de ácido retinoico con respecto a FGF (zona roja en A) se diferencian en el estilopodio, caracterizado por la expresión de Meis-1; las células expuestas a tasas intermedias de ambos tipos de factores (zona blanca) se diferencian en el zeugopodio, caracterizado por la expresión de Hoxa-1, y aquellas células expuestas a bajas concentraciones de ácido retinoico con respecto a FGF se diferencian en el autopodio (zona azul) (expresión de Hoxa-13).

Crecimiento del miembro

Señal de Fgf desde la CEA A (somitos) Fig. 10.16 Preparación de doble hibridación in situ que contiene una muestra entera de la yema tardía de la extremidad de un embrión de pollo; se observa la expresión del factor de crecimiento fibroblástico 8 en la cresta ectodérmica apical (flecha) y Sonic hedgehog (asterisco) en la zona de actividad polarizante, que se ha desplazado distalmente a medida que se ha producido el crecimiento del miembro. (Cortesía de E. McGinny C. Tabin, Boston.)