Regeneración y plasticidad: los secretos de las células madre en plantas y animales
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| Gabriela Guzmán, Edoardo Yáñez, Atzhiry Vigueras, Diana Belén y María de la Paz Sánchez |
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Seguramente has notado que cuando a una planta se le
corta una rama, ésta se vuelve a formar; de hecho, con una sola hoja se puede generar una nueva planta. Esta capacidad de regeneración también la tienen algunos anfibios, sin embargo, no todos los animales comparten tal característica. Los mamíferos, por ejemplo, no pueden regenerar sus extremidades cuando son amputadas, ni un dedo de un humano se puede regenerar. ¿Qué es lo que hace que algunos organismos tengan esta capacidad de regeneración y otros no? Para entender qué es lo que hay detrás, es necesario conocer las células responsables de la formación de los diferentes tejidos y órganos que conforman a un organismo: las células troncales.
Comúnmente conocidas como células madre, éstas tienen la capacidad de generar otras especializadas que, al madurar, formarán los tejidos y órganos de un organismo. De acuerdo con su grado de compromiso, es decir, de especialización para cumplir una función específica, se han clasificado las células troncales en multipotentes —capaces de originar múltiples células dentro de un linaje celular—, pluripotentes —pueden dar lugar a todos los tipos celulares que contiene un organismo adulto—, y totipotentes —susceptibles de generar todos los linajes embrionarios y adultos de un individuo. No obstante, en la práctica la clasificación de los diferentes tipos celulares con base en su grado de compromiso resulta algo complejo, por lo que otra clasificación ha sido creada con base en su origen, separándolas en embrionarias y adultas. Sin embargo, esto parece no ser aplicable a todos los seres vivos, ya que, por ejemplo, mientras que en animales la organogénesis (formación de los órganos) sólo se presenta en su etapa embrionaria, en las plantas puede ocurrir durante todo su ciclo de vida, por lo que en el primer caso las células troncales tienen una función muy importante en las primeras etapas del desarrollo, es decir durante la formación del embrión (un ser vivo en sus primeras etapas de desarrollo con todas las características morfológicas de la especie), pero van perdiendo importancia conforme el desarrollo avanza; de hecho, al inicio de la formación de un ser humano, mucho antes de su nacimiento, el óvulo ya fecundado se divide una y otra vez, pasando de ser sólo una célula a dos, cuatro, ocho, hasta millones de ellas. Con el paso del tiempo, todas estas células, en un principio iguales entre ellas, irán tomando formas y funciones diferentes, de tal manera que al final del desarrollo embrionario, se forme un cuerpo humano completo, con todos sus órganos y tejidos. Es decir, que las células iniciales, poco menos de cientos, son células troncales pluripotenciales.
Así, aun cuando presenten diferencias, tanto en plantas como en animales las células troncales cumplen con una serie de características: a) son autorrenovables, es decir que, al dividirse, una de las células resultantes se mantiene indiferenciada, mientras que la otra se convierte en una célula especializada con diferente linaje; b) su descendencia va a diferenciarse en varios tipos celulares funcionales; y c) su comportamiento es regulado por su entorno inmediato, el llamado nicho.
Esta última característica tiene una gran importancia debido a que dichas células no se encuentran en forma aislada en los seres vivos, sino que están acomodadas en sitios que poseen características vitales para regular su funcionamiento: los nichos. Éstos son microambientes en donde se localizan las células troncales así como diversos factores que regulan su correcto funcionamiento —por ejemplo, proveen señales solubles, adhesivas y físicas que son cruciales para mantener su función; asimismo, evitan que las células troncales se acaben o agoten y previenen a la vez una proliferación exuberante que podría causar daños graves al organismo. Se conocen ya distintos ejemplos de células troncales localizadas en posiciones específicas y que son reguladas por su microambiente inmediato —el nicho— mediante distintos factores, en diferentes modelos de estudio, tanto de plantas como de animales.
Lo anterior permite entender por qué cuando somos embriones tenemos células capaces de generar cualquier parte del cuerpo —pluripotentes— y al llegar a la edad adulta esto se ve restringido. Si bien en mamíferos adultos existen algunas células troncales, éstas se hallan en nichos específicos a lo largo y ancho del cuerpo en ciertos tejidos. Algunos de los más conocidos son: 1) los nichos de la médula ósea; 2) el de células troncales incisivo; 3) el de células troncales del folículo capilar; 4) el de células madre limbares (del ojo); 5) el de células troncales intestinal; 6) el de células troncales de la epidermis; y 7) los de células troncales neurales.
En su novela Un mundo feliz, Aldous Huxley construye un mundo en donde cada persona nace con un rol definido y no intercambiable dentro de su sociedad, el cual también define sus capacidades. De acuerdo con la cita anterior, podríamos decir que las células troncales de los adultos se parecen en algo a la gente de esta novela: no pueden ser lo que quieran ser. A diferencia de las células troncales embrionarias, pluripotenciales, las de los adultos son multipotenciales y unipotenciales, es decir que sólo pueden generar células de un tipo o de pocos tipos y su función se reduce a mantener los tejidos; por ejemplo, cuando nos fracturamos, las células troncales que allí se encuentran empiezan a dividirse para generar células de hueso y sanar la ruptura, más no podrían generar una extremidad nueva.
Así, la mayoría de los animales, incluido el humano, poseen nichos de células troncales distribuidos en zonas específicas del cuerpo, lo cual les da cierto nivel de regeneración. Es común en invertebrados como planarias, esponjas, equinodermos y varios crustáceos cierta capacidad de regeneración en zonas específicas, y hay algunos capaces de regenerar el cuerpo en su totalidad. Sin embargo, en vertebrados es algo poco común; la excepción más notables es el ajolote.
Un animal de gran singularidad
Ambystoma mexicanum, comúnmente llamado ajolote, pertenece al grupo de las salamandras y los tritones, ubicado dentro del de los urodelos, una rama de los anfibios. Es un animal capaz de regenerar la gran mayoría de sus tejidos, desde extremidades al ser amputadas, hasta tejidos vitales como los de cerebro, ovario, pulmón, ocular, muscular y esquelético, entre otros; esto se debe, en parte, a que el ajolote es un animal neoténico, es decir, que conserva características de su estado juvenil —como la presencia de branquias—, aun cuando ya ha alcanzado la madurez sexual.
El proceso de regeneración en ajolotes ha sido objeto de varias investigaciones. Se ha visto que, al perder una extremidad, la epidermis cubre el sitio de la lesión produciendo una cresta apical epidérmica, en donde se forma una zona proliferativa rica en células progenitoras llamada blastoma. En los ajolotes, a diferencia de otros anfibios, la regeneración del músculo se produce mediante el reclutamiento de células a partir del tejido maduro en el blastoma, en donde proliferan. Mientras que en el tritón Notophthalmus viridescens el blastoma se conforma por células originadas a partir de una desdiferenciación de células maduras de tejido muscular.
Entendamos mejor este proceso con una pequeña analogía. Imaginemos que el organismo es un collar de cuentas de distintos colores, individualmente estas cuentas eran completamente blancas sin embargo al formar parte del collar se tornaron de diferentes colores dependiendo de la zona del collar en la que se localizan. Ahora pensemos que las cuentas amarillas, por ejemplo, representan las células del músculo de alguna extremidad. Teniendo esto en mente, imaginemos que el collar está cortado en la zona de las cuentas amarillas y por tanto hay un daño que reparar. La manera cómo lo resolvería un ajolote es trasladando algunas de sus cuentas amarillas remanentes directo a la zona de daño para que éstas se dupliquen y reemplacen a aquellas perdidas por el daño ocasionado al collar. Mientras que en un tritón sería un tanto diferente, ya que las cuentas amarillas próximas a la región de daño se volverán blancas (lo que representa el proceso de desdiferenciación), listas para cambiar a amarillo y poder duplicarse para regenerar la extremidad perdida.
Pero no solamente puede regenerar una extremidad el ajolote; se sabe que durante el desarrollo de su organismo completo existen 33 tipos celulares, y en un estudio sobre el proceso de regeneración de su tejido cerebral se vio que se presentan 28 tipos celulares, un número bastante similar. Es algo notable si pensamos que son procesos independientes que ocurren en momentos diferentes de la vida del organismo. Además, en dicha investigación se descubrió que durante el proceso de regeneración del tejido cerebral se presenta una subpoblación de células del cerebro de los ajolotes que probablemente se origine a partir de células locales preexistentes del mismo tipo celular; ésta se genera después de una herida causada al tejido cerebral, es decir, resulta de un proceso de regeneración.
Si bien mucho se ha documentado acerca del proceso de regeneración de los diferentes tejidos del ajolote, poco se sabe acerca de la participación de algún nicho de células troncales en este proceso. En estudios recientes se ha identificado que algunos tejidos mantienen poblaciones de células similares a las troncales que les permiten sanar y regenerarse. Sin embargo, no se puede decir con certeza si el proceso de regeneración se da gracias a la participación de un nicho de células troncales.
La presencia de nichos de células troncales tanto en animales como en plantas, dos grupos que divergieron entre sí hace millones de años, sugiere que esta característica se adquirió de manera independiente en ambos grupos, y cumple el mismo propósito de tener un reservorio de células desdiferenciadas con la capacidad de, en un momento determinado y de ser necesario, continuar con su crecimiento y desarrollo o regenerar tejidos y órganos.
Las plantas y su especial plasticidad
La capacidad de las plantas para regenerar sus células y dar lugar a la formación de nuevos órganos es fascinante. Cuando una planta sufre alguna rotura o herida en alguna parte de su estructura vegetal, en el lugar de la herida se genera un ambiente que promueve y establece el proceso de regeneración celular. Esto puede iniciar de dos maneras distintas: por medio de la reactivación de células relativamente indiferenciadas o mediante la reprogramación de células somáticas diferenciadas o especializadas (estas células representan todas aquellas que forman parte de tejidos y órganos de un organismo, sin incluir las germinales ni las embrionarias, que son el origen de los gametos).
Ambos procesos de regeneración celular suceden por la extraordinaria capacidad que tienen las plantas de volver a especificar la especialización de algunas células, esto significa que pueden cambiar la función tanto de células indiferenciadas como de aquellas que ya adquirieron una función específica para dar lugar a la formación de los centros formadores de células, los llamados meristemos. El tejido meristemático de las plantas desempeña un papel importante en el proceso de regeneración, ya que es el responsable de reparar el daño celular y mantener el crecimiento de la planta mediante la producción de células nuevas para la formación de órganos. Los meristemos están formados por dos tipos de células: un grupo indiferenciadas pero bien organizadas, es decir, que aún no están especializadas pero tienen la capacidad de multiplicarse rápidamente; y un nicho de células troncales que fungen como el centro de control del tejido meristemático. En general, en plantas podemos encontrar principalmente dos meristemos localizados en cada extremo de la planta, en el tallo y en la punta de la raíz, por lo que se les conoce como meristemo apical de tallo y meristemo apical de raíz; en conjunto mantienen el desarrollo y formación de los órganos de las plantas.
En las plantas con semillas, estos meristemos aparecen desde el inicio de la formación de la semilla, igual que ocurre en mamíferos cuando el óvulo es fecundado, ya que éste contiene toda la información necesaria para que el embrión comience su desarrollo pasando por varias etapas de crecimiento y cambios morfológicos hasta su nacimiento. Un proceso similar sucede en el interior de las semillas cuando se empiezan a formar. Se ha visto que en muchas especies de plantas —como Arabidopsis thaliana, una planta con semillas muy usada como modelo de estudio—, después de la fecundación del óvulo se produce una primera división celular que genera dos células de diferente tamaño, una pequeña llamada célula apical, ya que se encuentra en el extremo superior, y una alargada de mayor tamaño llamada célula basal, es decir, que se encuentra en la base. Ambas continúan dividiéndose en cada etapa del desarrollo embrionario y empiezan a formar dos polos de grupos de células en cada extremo para dar lugar a la formación del tejido meristemático de tallo y de raíz.
El meristemo apical de tallo es el encargado de la formación de tallo, hojas y flores, parte del tejido aéreo de las plantas, de aquellos órganos que se encuentran por encima del suelo. Por su parte, el meristemo apical de la raíz es el encargado de los tejidos que conforman la raíz, aquellos que se hallan bajo el suelo. Ambos presentan una localización y organización celular específica: el meristemo de tallo está compuesto por un conjunto de células organizadas donde se ubica el nicho de células troncales que contiene un centro organizador, el cual mantiene y regula la formación de las células troncales; y contiene también una zona de células que se dividen rápidamente y adquieren una función específica para dar lugar al tejido epidérmico y subepidérmico del tallo, a hojas y flores. Estos tejidos revisten a la planta como si fuera su piel, ya que proveen una barrera que la protege de daños externos, y se encargan de formar el tejido vascular del tallo y la médula, que operan como el sistema circulatorio de las plantas, pues tienen la función de transportar agua, nutrimentos y movilizar moléculas por todo el tejido vegetal.
En el caso de la estructura de la raíz, sus células están dispuestas como si fuera un cono, en cuyo vértice se localiza el meristemo de raíz. Éste presenta una organización celular ordenada: en la punta se encuentran el centro quiescente formado por células que mantienen un estado de baja actividad debido a un microambiente controlado, y alrededor de éstas se encuentran las células troncales, que tienen la capacidad de dividirse rápidamente para dar lugar a los diferentes tejidos de la raíz, como la epidermis, el córtex y la endodermis, que constituyen los más externos de la raíz respectivamente y que, en conjunto, rodean al tejido más interno de la raíz, llamado vascular, que es importante para el transporte de agua y nutrimentos.
Ambos meristemos permanecen activos durante todo el ciclo de vida en muchas especies de plantas, lo que les permite regenerar sus órganos cuando son dañados. Además, la capacidad de las células de cambiar de especialización en un momento determinado es una de las características fascinantes de las plantas gracias a la cual pueden generar con relativa facilidad una nueva planta con todos sus órganos a partir de un pedazo de hoja o de raíz. En efecto, en muchas especies es posible obtener una planta completa a partir de un pedacito de algunos de sus órganos; algunas lo hacen naturalmente, como es el caso de varias suculentas que, cuando se les corta una hoja y se pone en tierra, al cabo de unos días empieza a salir raíces y pequeñas hojitas y, con el tiempo, se forma una planta adulta completa. Sin embargo, otras especies requieren una pequeña ayuda, es el caso de ciertas especies que necesitan la adición de sus propias hormonas para inducir la formación de raíces, tallos y hojas. Esta plasticidad ha permitido propagar plantas en peligro de extinción, como algunas cactáceas, o acortar los tiempos de desarrollo para que llegue a su madurez un agave.
Lo más interesante de los estudios sobre la plasticidad en mamíferos, anfibios y plantas es que, a pesar de que sus nichos de células troncales conservan características similares y muchas de las moléculas que actúan en los procesos de regeneración también están conservadas, son diferentes las señales que regulan sus nichos de células troncales. Quizá sea esto un factor que influya en su capacidad de regeneración. Hace falta todavía un mayor número de estudios para saber más acerca de este proceso.
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Referencias Bibliográficas
Scadden, D. 2006. “The stem-cell niche as an entity of action”, en Nature, vol. 441, pp. 1075-1079.
Slack, J. 2018. “What is a stem cell?”, en WIREs Developmental Biology, vol. 7, núm. 5. Heidstra, R. y S. Sabatini. 2014. “Plant and animal stem cells: similar yet different”, en Nature Reviews Molecular Cell Biology, vol. 15, núm. 5, pp. 301-312. Scadden, T. 2006. “The stem-cell niche as an entity of action”, en Nature, vol. 441, pp. 1075-1079. Stahl, Y. y R. Simon. 2005. “Plant stem cell niches”, en The International Journal of Developmental Biology, vol. 49, núm. 5, pp. 479-489. |
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| Gabriela Guzmán Fávila, Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México. Es bióloga graduada de la Facultad de Ciencias, UNAM. Actualmente se encuentra realizando sus estudios de posgrado en Biología molecular y epigenética de plantas, en el Instituto de Ecología, UNAM. Edoardo Yáñez Martínez, Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México. Estudió biología en la Facultad de Ciencias, UNAM. Actualmente se encuentra como pasante en el Laboratorio de genética molecular, desarrollo, epigenética y evolución en plantas, Instituto de Ecología, UNAM. Atzhiry Deni Vigueras Enciso Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México. Estudió biología en la Facultad de Ciencias, UNAM. Actualmente se encuentra como pasante en el Laboratorio de genética molecular, desarrollo, epigenética y evolución en plantas, Instituto de Ecología, UNAM. Diana Belén Sánchez Rodríguez, Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México. Es doctora en ciencias en infectómica y patogénesis molecular, cinvestav, Zacatenco. Actualmente es Técnico Académico titular A de TC en el Laboratorio de genética molecular, desarrollo, epigenética y evolución en plantas, Instituto de Ecología, UNAM. María De La Paz Sánchez Jiménez Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México. Es doctora en ciencias bioquímicas por la Facultad de química, UNAM. Actualmente es investigadora titular B de TC, Instituto de Ecología, UNAM. Su línea de investigación se centra en la biología molecular y la epigenética de plantas. |
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