Genetic control of finger formation

Special feature for SEBBM´s 41st Congress

Article published in September 2018

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2018.09.1

Marian Ros

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria

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Both the morphology of the fingers and their number is very variable in tetrapods, reflecting their functional adaptation. Here we briefly expose the factors and mechanisms involved in their morphogenesis that include the control of the size of the digital palette, the establishment of a repetitive finger/no finger pattern by a self-organizing Turing type mechanism and the terminal elongation of each finger starting from a small organizing center present at the tip.

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.

 

 Figura v3

 

 Figura. Polidactilia en ausencia de Gli3 y genes Hox.


 

References:

1. TICKLE, C. and TOWERS, M. (2017). Sonic Hedgehog Signaling in Limb Development. Front Cell Dev Biol 5: 14.
2. 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.
3. 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.
4.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.
5. 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.
6. 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.

 

 

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Interview

Marian Ros

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? 

R.- Fue a mitad de mis estudios de Medicina. Creo que hubo dos acontecimientos que despertaron en mí una fuerte vocación científica y desviaron mi trayectoria de la clínica al laboratorio. Uno de ellos fue el estudio de la embriología humana en segundo y tercer curso de carrera. El desarrollo embrionario me fascinó y despertó en mí una tremenda curiosidad y el deseo de saber más. El otro factor fue la lectura del “Origen de las especies” que me abrió las puertas a un mundo desconocido para mí hasta aquel momento, un mundo de observación, análisis y deducción -las bases del método científico-.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Al terminar la carrera conseguí un contrato de Profesor ayudante de clases prácticas compatibilizando así la docencia en Anatomía y Embriología Humana con el doctorado. Mi Tesis doctoral, bajo la dirección del Prof. José Luis Ojeda, se centró en el desarrollo renal y las consecuencias patológicas de su alteración. Mi periodo postdoctoral, en el laboratorio de John Fallon, de la Universidad de Wisconsin-Madison, supuso mi inmersión en el desarrollo de las extremidades con un enfoque genético y molecular. Este periodo postdoctoral, a principios de los 90, fue fascinante y frenético ya que coincidió con la aplicación de las técnicas de Biología molecular a la Biología del desarrollo, lo que supuso un tremendo avance.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? 

R.- Gran capacidad de observación junto con meticulosidad y rigor en el método creo que son las mejores virtudes de un buen investigador. Siempre acompañadas de unas buenas dosis de entusiasmo y pasión.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Les diría que se planteen seriamente si les gusta la ciencia, si les apasiona saber, si les interesa comprender la realidad que nos rodea. Si es así seguro que su carrera científica será un éxito. Es importante no confundirse y pensar que la ciencia es “cacharrear” en un laboratorio.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Nuestro objetivo es entender los mecanismos que regulan la formación de un órgano a nivel celular, genético y molecular. Es lo que llamamos morfogénesis, un complejo proceso que hace que un pequeño grupo de células progenitoras acabe formando un órgano completo con perfecta morfología y función. Conocer cómo tiene lugar la diferenciación ordenada y progresiva de un órgano es del máximo interés, no solo para entender el desarrollo embrionario, sino también para el campo de la medicina regenerativa basada en la terapia celular y para la ingeniería tisular. Pretendemos también entender las causas que llevan a las malformaciones y enfermedades congénitas..

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Queda un largo camino por recorrer. Es necesaria una renovación implementando sistemas más flexibles, más adaptados a los tiempos actuales. La renovación tendría que comenzar por el sistema educativo, desde secundaria o incluso antes hasta la universidad, fomentando el pensamiento crítico, un aprendizaje menos pasivo y facilitando la formación continua del profesorado. Esto requiere una política científica ampliamente consensuada bajo la dirección de expertos, con planes a medio y largo plazo. Esto no puede hacerse sin una inversión considerable, acorde con el nivel que queramos tenga nuestro país. Es importante que el abandono de la ciencia de los últimos años se revierta cuanto antes.

 

Biography

Marian Ros

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria

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Marian Ros se doctoró en Medicina y Cirugía por la Universidad de Cantabria en 1986 y tras una estancia postdoctoral en el laboratorio de John Fallon (University of Wisconsin-Madison, USA), estudiando el control genético de la extremidad, estableció su propio grupo en el Dpto. de Anatomía y Biología Celular de la Universidad de Cantabria. En 2007, se incorporó al recién creado Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, como Profesora de Investigación del CSIC. Es miembro de la Real Academia de Medicina de Cantabria, Premio de Investigación del Consejo Social de la Universidad de Cantabria y editora asociada de Developmental Dynamics.
Durante toda su trayectoria profesional ha combinado la investigación en Biología del desarrollo con la docencia. Su investigación se ha enfocado al estudio de la señalización celular implicada en el desarrollo de las extremidades contribuyendo a dilucidar las bases moleculares de los organizadores embrionarios. Es autora de más de 80 trabajos en revistas internacionales, incluyendo Science, Nature, Cell, etc.

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