Invaginación

La constricción apical es un proceso activo que resulta en la reducción del lado apical de la célula. Esto provoca que la forma celular cambie de una columna o cubo a una forma de cuña. La constricción apical es impulsada por la actividad de las proteínas actina y miosina, que interactúan en una red compleja conocida como citoesqueleto de actina-miosina. La miosina, una proteína motora , genera fuerza al unir los filamentos de actina. La actividad de la miosina está regulada por la fosforilación de una de sus subunidades , la cadena ligera reguladora de la miosina . Por lo tanto, las quinasas como la quinasa de hélice enrollada asociada a Rho (ROCK), que fosforila la miosina, así como las fosfatasas , que la desfosforila , son reguladoras de la contracción de actomiosina en las células. ^{[ 7 ]}

La disposición de la actina y la miosina en la corteza celular y la forma en que generan fuerza pueden variar según el contexto. Los modelos clásicos de constricción apical en embriones y epitelios en cultivo celular mostraron que los haces de actina-miosina se ensamblan alrededor de la circunferencia de la célula en asociación con uniones adherentes entre células. La contracción de los haces de actina-miosina produce una constricción de la superficie apical en un proceso que se ha comparado con el ajuste de una cuerda de monedero. ^{[ 7 ]} Más recientemente, en el contexto de un epitelio cultivado derivado del órgano de Corti del ratón , también se ha demostrado que la disposición de la actina y la miosina alrededor de la circunferencia celular es similar a la de un sarcómero muscular , donde hay unidades repetitivas de miosina conectadas a haces de actina antiparalelos. ^{[ 8 ]} En otras células, una red de miosina y actina en el centro de la superficie apical también puede generar constricción apical. Por ejemplo, en las células del surco ventral de Drosophila , la organización de la actina y la miosina es análoga a la de un sarcómero muscular dispuesto radialmente. ^{[ 9 ] [ 10 ]} En algunos contextos, un “flujo cortical” de actina y miosina menos claramente organizado también puede generar contracción de la superficie apical. ^{[ 8 ]}

Para mantener un volumen celular constante durante la constricción apical, las células deben cambiar su altura o expandir su superficie basal. Si bien el proceso de relajación basal se ha estudiado con menos profundidad, en algunos casos se ha observado directamente que la constricción apical ocurre junto con un desensamblaje activo de la red de actina-miosina en la superficie basal de la célula, lo que permite la expansión de dicha superficie. Por ejemplo, esto se ha observado en la invaginación del surco ventral de Drosophila ^{[ 11 ] [ 12 ]} y en la formación de la placoda ótica en el pollo ^{[ 13 ] [ 14 ] .}

La invaginación también suele implicar, y puede ser impulsada por, cambios en la altura celular. Cuando se produce una constricción apical, esto puede conducir a la elongación de las células para mantener un volumen celular constante y, en consecuencia, a un engrosamiento del epitelio. Sin embargo, el acortamiento de las células a lo largo del eje apical-basal también puede ayudar a profundizar la fosa formada durante la invaginación. ^{[ 15 ]} Se ha demostrado que los cambios activos en la forma celular que causan el acortamiento celular contribuyen a la invaginación en algunos casos. Por ejemplo, en el epitelio de la pata de Drosophila , las células apoptóticas se encogen y tiran de la superficie apical del epitelio a través de un cable apical-basal compuesto de actina y miosina. ^{[ 16 ]} En la invaginación que ocurre en la gastrulación de las ascidias , las células primero experimentan una constricción apical y luego cambian su forma para volverse más redondeadas —y por lo tanto más cortas a lo largo del eje apical-basal— lo que es responsable de la finalización del movimiento de invaginación. ^{[ 17 ]} Durante la división celular , las células también adoptan naturalmente una morfología redondeada. La rápida disminución de la altura celular causada por el redondeamiento de las células durante la mitosis también se ha relacionado con la invaginación de la placoda traqueal de Drosophila . ^{[ 18 ]}

Los cables supracelulares de actomiosina son estructuras de actina y miosina que se alinean entre células adyacentes y están conectadas por uniones celulares. ^{[ 12 ]} Estos cables desempeñan muchas funciones en la morfogénesis durante el desarrollo embrionario, incluida la invaginación. ^{[ 19 ]} En lugar de depender únicamente de la constricción apical de células individuales, la invaginación puede ser impulsada por fuerzas compresivas de este cable que se contrae alrededor del sitio de invaginación, como en el caso de la invaginación de la glándula salival en Drosophila . ^{[ 20 ] [ 21 ]} En la formación del tubo neural en el embrión de pollo, filas de cables supracelulares que se extienden a través del sitio de invaginación ayudan a unir el tejido para facilitar su curvatura en un tubo. ^{[ 19 ] [ 22 ] [ 23 ]}

Uno de los modelos de invaginación mejor estudiados es el surco ventral en Drosophila melanogaster . La formación de esta estructura es uno de los primeros movimientos celulares importantes en la gastrulación de Drosophila . En este proceso, el mesodermo prospectivo —la región de células a lo largo de la línea media ventral del embrión— se pliega hacia adentro para formar el surco ventral. Este surco finalmente se desprende y se convierte en un tubo dentro del embrión, para luego aplanarse y formar una capa de tejido debajo de la superficie ventral. ^{[ 24 ]}

La formación del surco ventral es impulsada por la constricción apical de las futuras células del mesodermo, que primero se aplanan a lo largo de la superficie apical y luego contraen sus membranas apicales. Los modelos clásicos sobre cómo funcionaba la constricción apical en este contexto se basaban en el mecanismo de "corbata", donde una banda de actina-miosina alrededor de la circunferencia de la superficie celular apical se contrae. ^{[ 25 ]} Sin embargo, investigaciones más recientes han revelado que, si bien hay una banda circunferencial de actina asociada con las uniones celulares en el lateral de las células, en realidad es una red de actina-miosina dispuesta radialmente a través de la superficie apical la que impulsa la constricción apical. ^{[ 26 ]} Esta estructura actúa como una versión radial de un sarcómero muscular. ^{[ 10 ]} La fuerza generada por la miosina resulta en la contracción hacia el centro de la célula. Las células no se contraen continuamente, sino que tienen contracciones pulsátiles. Entre las contracciones, la red de actina alrededor de la circunferencia de la célula ayuda a estabilizar el tamaño reducido de la célula, lo que permite una disminución progresiva del tamaño de la superficie apical. ^{[ 26 ]} Además de la constricción apical, la adhesión entre células a través de uniones adherentes es fundamental para transformar estas contracciones individuales a nivel celular en una deformación de todo un tejido.

Genéticamente, la formación del surco ventral depende de la actividad de los factores de transcripción twist y snail , que se expresan en el mesodermo ventral prospectivo antes de la formación del surco. ^{[ 25 ]} Aguas abajo de twist se encuentra la vía de señalización Fog, que controla los cambios que ocurren en el dominio apical de las células. ^{[ 27 ]}

Los científicos han estudiado el proceso de formación del tubo neural en embriones de vertebrados desde finales del siglo XIX. ^{[ 2 ]} En todos los grupos de vertebrados, incluidos anfibios , reptiles , aves y mamíferos , el tubo neural (el precursor embrionario de la médula espinal ) se forma a través de la invaginación de la placa neural en un tubo, conocido como neurulación primaria. En los peces (y en algunos contextos en otros vertebrados), el tubo neural también puede formarse mediante un proceso no mediado por invaginación conocido como neurulación secundaria. ^{[ 24 ]} Si bien existen algunas diferencias en el mecanismo de la neurulación primaria entre las especies de vertebrados, el proceso general es similar. La neurulación implica la formación de un punto de bisagra medial en el centro de la placa neural, que es donde se inicia la flexión del tejido. Las células en el punto de bisagra medial se vuelven en forma de cuña. En algunos contextos, como en los embriones de rana Xenopus , este cambio en la forma celular parece deberse a una constricción apical. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Sin embargo, en pollos y ratones, la flexión en este punto de bisagra está mediada por un proceso llamado acuñamiento basal, en lugar de constricción apical. ^{[ 12 ] [ 30 ] [ 31 ]} En este caso, las células son tan delgadas que el movimiento del núcleo hacia el lado basal de la célula causa una protuberancia en la parte basal de la célula. Este proceso puede estar regulado por cómo se producen las divisiones celulares. Las contracciones de los cables de actina-miosina también son importantes para la invaginación de la placa neural. Los cables de actina supracelulares que se extienden a través de la placa neural ayudan a unir el tejido (véase §  Cables supracelulares ). Además, las fuerzas que empujan hacia la placa neural desde el tejido adyacente también pueden desempeñar un papel en el plegamiento de la placa neural. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

La gastrulación del erizo de mar es otro modelo clásico de invaginación en embriología. Uno de los primeros movimientos de gastrulación en los erizos de mar es la invaginación de una región de células en el lado vegetal del embrión (placa vegetal) para formar el arquénteron , o futuro tubo digestivo. Existen múltiples etapas de invaginación del arquénteron: una primera etapa donde ocurre el plegamiento inicial del tejido, una segunda etapa donde el arquénteron se alarga y, en algunas especies, una tercera etapa donde el arquénteron contacta con el otro lado de la cavidad celular y finaliza su elongación. ^{[ 24 ]}

La constricción apical ocurre en la invaginación del arquénteron, con un anillo de células llamadas "células de botella" en el centro de la placa vegetal que se vuelve en forma de cuña. ^{[ 35 ]} Sin embargo, la invaginación no parece estar impulsada únicamente por la constricción apical de las células de botella, ya que la inhibición de la polimerización de actina ^{[ 36 ]} o la eliminación de las células de botella no bloquea completamente la invaginación. ^{[ 35 ]} Se han propuesto varios otros mecanismos involucrados en el proceso, incluyendo un papel para la matriz extracelular extraembrionaria . ^{[ 37 ]} En este modelo, hay dos capas de matriz extracelular en la superficie apical de las células hechas de diferentes proteínas. Cuando las células de la placa vegetal secretan una molécula ( proteoglicano de sulfato de condroitina ) que es altamente absorbente de agua en la capa interna, esto hace que la capa se hinche, haciendo que el tejido se pliegue hacia adentro. ^{[ 36 ]} Varias vías genéticas han sido implicadas en este proceso. Se ha demostrado que la señalización Wnt a través de la vía de polaridad celular planar no canónica es importante, siendo uno de sus objetivos posteriores la pequeña GTPasa RhoA . La señalización FGF también desempeña un papel en la invaginación. ^{[ 38 ]}

La invaginación en el anfioxo es el primer movimiento celular de la gastrulación. Este proceso fue descrito por primera vez por Conklin . Durante la gastrulación, la blástula se transforma mediante la invaginación. El endodermo se pliega hacia la parte interna y, por lo tanto, el blastocele se transforma en una estructura en forma de copa con una doble pared. La pared interna se denomina ahora arquénteron ; el intestino primitivo. El arquénteron se abre al exterior a través del blastoporo . La pared externa se convierte en el ectodermo , que posteriormente forma la epidermis y el sistema nervioso . ^{[ 39 ]}

En los tunicados , la invaginación es el primer mecanismo que tiene lugar durante la gastrulación. Las cuatro células más grandes del endodermo inducen el proceso de invaginación. La invaginación consiste en los movimientos internos de una lámina de células (el endodermo) basados ​​en cambios en su forma. La blástula de los tunicados se aplana ligeramente en el polo vegetal , cambiando su forma de columnar a cuña. Una vez invaginadas, las células del endodermo continúan moviéndose bajo el ectodermo. Posteriormente, se forma el blastoporo, completando así el proceso de invaginación. El blastoporo queda rodeado por el mesodermo por todos lados. ^{[ 40 ]}

• La membrana interna de una mitocondria se invagina para formar crestas , proporcionando así una superficie mucho mayor para albergar los complejos proteicos y otros participantes que producen trifosfato de adenosina (ATP). ^{[ 41 ]}
• La invaginación se produce durante la endocitosis y la exocitosis, cuando se forma una vesícula dentro de la célula y la membrana se cierra a su alrededor.
• La invaginación de una parte del intestino dentro de otra se llama intususcepción . ^{[ 42 ]}

En geología, el término invaginación se utiliza para describir una depresión profunda de los estratos. Donald L. Baars lo utilizó en "La meseta de Colorado".