Morfoxénese

A morfoxénese (do grego morphê, 'forma' e genesis, 'creación', literalmente "a xeración da forma") é o proco biolóxico que causa que unha célula, tecido ou organismo desenvolva a súa forma. É un dos tres aspectos fundamentais da bioloxía do desenvolvemento xunto co control do crecemento dos tecidos e formación de padróns na diferenciación celular.
O proceso controla a distribución espacial organizada das células durante o desenvolvemento embrionario dun organismo. A morfoxénese pode ter lugar nun organismo maduro, como no mantemento de tecidos normal polas células nais ou na rexeneración de tecidos despois dunha lesión. O cancro é un exemplo de morfoxénese de tecidos patolóxica e moi anormal. A morfoxénese tamén describe o desenvolvemento de formas de vida unicelulares que non teñen unha etapa embrionaria no seu ciclo de vida. A morfoxénese é esencial para a evolución de novas formas.
A morfoxénese é un proceso mecánico no que interveñen forzas que xeran estrés, tensión e movemento de células, e pode inducirse por programas xenéticos segundo o padrón espacial das células dentro dos tecidos. A morfoxénese anormal denomínase dismorfoxénese. Historia
Algunhas das primeiras ideas e descricións matemáticas sobre como afectan os procesos físicos e as restricións ao crecemento biolóxico, e, por tanto, os padróns naturais como as espirais da filotaxe, publicounas D'Arcy Wentworth Thompson no seu libro de 1917 On Growth and Form (Sobre o crecemento e a forma) e Alan Turing na súa obra The Chemical Basis of Morphogenesis (A base química da morfoxénese, 1952). Alí onde Thompson explicara as formas do corpo dos animais como xeradas polas diversas velocidades de crecemento en distintas direccións, por exemplo para crear a cuncha espiral dun caracol, Turing predixo correctamente un mecanismo de morfoxénese: a difusión de dous sinais químicos distintos, un activador e outro desactivador do crecemento, para establecer os padróns de desenvolvemento, décadas antes de que se observasen ditos padróns. Unha comprensión máis completa dos mecanismos implicados en organismos reais necesitaron o descubrimento da estrutura do ADN en 1953, e o desenvolvemento da bioloxía molecular e da bioquímica. [Cómpre referencia] Bases xenéticas e moleculares
Varios tipos de moléculas son importantes na morfoxénese. Os morfóxenos son moléculas solubles que poden difundir e transportar sinais que controlan a diferenciación celular por medio de gradientes de concentración. Os morfóxenos actúan tipicamente uníndose a receptores de proteínas específicas. Unha importante clase de moléculas implicadas na morfoxénese son factores de transcrición proteicos que determinan o destino das células ao interaccionaren co ADN. Estes poden ser codificados por xenes reguladores mestres, que activan ou desactivan a transcrición doutros xenes; á súa vez, estes produtos xénicos secundarios poden regular a expresión doutros xenes nu cadoiro regularorio das redes regulatorias de xenes. Ao final deste cadoiro están as clases de moléculas que controlan os comportamentos celulares, como a migración celular, ou, máis xeralmente, as súas propiedades, como a adhesión celular ou a contractilidade celular. Por exemplo, durante a gastrulación, grupos de células nais desactivan a adhesión células a célula, convértense en migratorias, e sitúanse en novas posicións dentro dun embrión onde de novo activan proteínas de adhesión celular específicas e forman novos tecidos e órganos. Entre as vías de sinalización do desenvolvemento implicadas na morfoxénese están Wnt, Hedgehog e efrinas. Bases celulares
A nivel de tecidos, ignorando os medios de control, a morfoxénese orixínase pola proliferación e motilidade celular. A morfoxénese tamén implica cambios na estrutura celular ou no modo en como as células interaccionan nos tecidos. Estes cambios poden causar a elongación dos tecidos, o seu adelgazamento, pregamento, invasión ou a separación dun tecido en distintas capas. Este último caso adoita denominarse ordenación celular (cell sorting). A "ordenación" celular consiste no movemento das células para ordenarse ou arranxarse en grupos que maximizan o contacto entre as células do mesmo tipo. Malcolm Steinberg propuxo que a capacidade das células de facer isto se orixina pola adhesión celular diferencial, segundo a súa hipótese da adhesión diferencial. A separación de tecidos pode tamén ocorrer por eventos de diferenciación celular máis drásticos durante os cales as células epiteliais convértense en mesenquimais (ver transición epitelial-mesenquimal). As células mesenquimais abandonan normalmente o tecido epitelial como consecuencia de cambios nas propiedades adhesivas e contráctiles das células. Despois da transición epitelial-mesenquimal, as células poden migrar lonxe do epitelio e despois asociarse con outras células similares nunha nova localización. A morfoxénese celular das plantas está ligada estreitamente coa composición química e as propiedades mecánicas da parede celular.
Adhesión célula-célula
Durante o desenvolvemento embrionario, as células están restrinxidas a diferentes capas debido a afinidades diferenciais. Un dos xeitos en que isto pode ocorrer é cando as células comparten as mesmas moléculas de adhesión célula-célula. Por exemplo, a adhesión celular homotípica pode manter as fronteiras entre grupos de células que teñen diferentes moléculas de adhesión. Ademais, as células poden ordenarse baseándose nas diferenzas na adhesión entre elas, de maneira que así se poden ordenar ou clasificar mesmo dúas poboacións de células con diferentes niveis da mesma molécula de adhesión. En células en cultivo celular teñen o movemeno de adhesión máis forte cara ao centro dun agregado mixto de células. Ademais, a adhesión célula-célula está a miúdo modulada pola contractilidade, a cal pode exercer forzas sobre os contactos célula-célula para que dúas poboacións de células con igual nivel da mesma molécula de adhesión poidan clasificarse. As moléculas responsables da adhesión chámanse moléculas de adhesión celular (CAMs polas súas siglas en inglés). Coñécense varios tipos destas moléculas e unha das clases principais é a das cadherinas. Existen ducias de cadherinas diferentes que se expresan en distintos tipos celulares. As cadherinas únense a outras cadherinas similares: a E-cadherina (atopada en moitas células epiteliais) únese preferentemente a outras moléculas de E-cadherina. As células mesenquimais xeralmente expresan outros tipos de cadherinas como as N-cadherinas.
Matriz extracelular
A matriz extracelular ten un papel en manter os tecidos separados, proporcionando soporte estrutural ou proporcionando unha estrutura sobre a que as células poidan migrar. O coláxeno, a laminina e a fibronectina son as principais moléculas da matriz extracelular que se segregan e ensamblan en láminas, fibras e xeles. Os receptores transmembrana multisubunidade chamados integrinas utilízanse para unirse á matriz extracelular. As integrinas únense extracelularmente á fibronectina, laminina, ou outros compoñentes da matriz extracelular, e intracelularmente a proteínas que se unen a microfilamentos como a α-actinina e a talina para ligar o citoesqueleto co exterior. As integrinas tamén serven como receptores para desencadear cadoiros de transdución de sinais cando se unen á matriz extracelular. Un exemplo ben estudado de morfoxénese que implica á matriz extracelular é a ramificación dos condutos da glándula mamaria.
Contractilidade celular
Os tecidos poden cambiar a súa forma e separarse en distintas capas por mor da contractilidade celular. Igual que nas células musculares, a miosina pode contraer diferentes partes do citoplasma para cambiar a súa forma ou estrutura. Obsérvase a contractilidade producida pola miosina na morfoxénese de tecidos embrionais durante a separación capas xerminais nos organismos modelo Caenorhabditis elegans, Drosophila e peixe cebra. A miúdo hai pulsos periódicos de contracción na morfoxénese embrional. Un modleo chamado o separador do estado celular (cell state splitter) propón unha alternancia de contracción e expansión celular, iniciada por un orgánulo biestable no extremo apical de cada célula. O orgánulo consta de microtúbulos e microfilamentos en oposición mecánica. Responde ás perturbacións mecánicas locais causadas por movementos morfoxenéticos. Estes despois desencadean ondas de diferenciación embrional de contracción ou expansión viaxeiras en posibles tecidos que determinan o tipo celular e van seguidas da diferenciación celular. O modelo do separador do estado celular propúxose inicialmente para explicar a morfoxénese da placa neural durante a gastrulación do anfibio axolote e o modelo foi despois xeneralizado a todas as morfoxéneses.
Morfoxénese das ramificacións
No desenvolvemento dos pulmóns un bronquio ramifícase en bronquíolos formando a árbore respiratoria. A ramificación é o resultado de que se bifurque o extremo de cada tubo bronquiolar, e o proceso da morfoxénese da ramificación forma os bronquios, bronquíolos e finalmente os alvéolos pulmonares.
A morfoxénese ramificante tamén é evidente na formación dos condutos da glándula mamaria. A formación do duto primitivo empeza no desenvolvemento prenatal, pero a formación de ramificacións do sistema de condutos empeza máis tarde en resposta ao estróxeno durante a puberdade e ademais redefínese conforme se desenvolve a glándula mamaria. Morfoxénese do cancro
O cancro pode ser o resultado das alteración da morfoxénese normal, incluíndo tanto a formación de tumores coma a metástase. A disfunción mitocondrial pode causar un incremento do risco de cancro debido á distorsión da sinalizaon morfóxena. Morfoxénese de virus
Durante a ensamblaxe do virión do bacteriófago T4, as proteínas morfoxenéticas codificadas polos xenes do fago interaccionan entre si nunha secuencia característica. Manter un balance apropiado nas cantidades de cada unha destas proteínas producidas durante a infección viral parece ser crucial para a morfoxénese normal do faago T4. Entre as proteínas codificadas polo fago T4 que determinan a estrutura do virión están os compoñentes estruturais principais, compontes estruturais menores e proteínas non estruturais que catalizan pasos específicos na secuencia da morfoxénese. A morfoxénese do fago T4 dividese en tres vías independentes: a da cabeza, a da cola e a das fibras da cola longas, tal como detallaron Yap e Rossman. Modelos computacionais
Unha aproximación á modelización da morfoxénese en ciencias da computación ou matemáticas pode remontarse ao artigo de Alan Turing de 1952, "The chemical basis of morphogenesis" (A base química da morfoxenese), un modelo coñecido como padrón de Turing.
Outro modelo famoso é o chamado modelo de bandeira francesa, desenvolvido na década de 1960.
As melloras en rendemento de computadores no século XXI permitiu a simulación de modelos de morfoxénese relativamente complexos. En 2020 propúxose un modelo no que o crecemento e diferenciación celulares é o dun autómata celular con regras parametrizadas. Como os parámetros das regras son diferenciables, poden ser adestrados con descenso de gradiente, unha técnica que foi moi optimizada en anos recentes debido ao seu uso en aprendizaxe de máquinas. Este modelo foi limitado á xeración de imaxes e é así bidimensional.
Un modelo similar ao descrito arriba foi despois ampliado para xerar estruturas tridimensionais, e foi demostrado no vídeo xogo Minecraft, cuxa natureza baseada en bloques o facía especialmente conveniente para a simulación de autómatas celulares 3D.