El desarrollo embrionario humano en 4D.

Por Nicolás Jouve, Catedrático Emérito de Genética y presidente de CíViCa. Miembro del Comité de Bioética de España. Publicado en Páginas Digital el 29 de octubre de 2019.

A nadie que conozca un poco de biología le deberían quedar dudas sobre el hecho de que la vida de cualquier ser, sea de la especie que sea, comienza cuando se constituye la información genética que le es propia y de la que dependen sus características biológicas, y finaliza con la muerte, con la suspensión de todas las funciones vitales.

A pesar de ello, cuando trasladamos este sencillo principio universal al caso del hombre, por conveniencias sociales o razones ideológicas, se hacen cábalas para minimizar el significado biológico de la fase embrionaria, como si de una etapa oscura e insignificante o hasta inexistente de la vida se tratara. Los avances en el conocimiento, con el desarrollo de la Biología Celular, la Biología Molecular y la Genética, están contribuyendo de forma clara a desvelar los detalles, dando luz y significado a esta etapa, probablemente la más crítica e importante de la vida de un ser vivo, desde el punto de vista biológico.

Dejando a un lado las infundadas opiniones de quienes sitúan el comienzo de la vida en la implantación del embrión en el útero, lo que encierra el deseo de justificar los métodos anticonceptivos o la manipulación de los embriones humanos, lo cierto es que el comienzo de la vida humana, o de cualquier otro ser vivo, tiene lugar en cuanto se constituye la información genética. Es decir, a partir de la fecundación, cuando se establece el programa de instrucciones del que depende el desarrollo y la edificación de todo el organismo. De este modo el cigoto, tras la fusión de los gametos masculino y femenino, encarna la primera realidad corporal del nuevo individuo. Y precisamente en las últimas décadas se han ido acumulando pruebas experimentales de los mecanismos genéticos, moleculares y celulares de cómo a partir del big-bang de esa célula inicial, única y “totipotente” se materializa el desarrollo de la nueva vida. A estas pruebas se añaden ahora, nuevos avances que permiten la visualización de la morfogénesis embrionaria, con una resolución de una sola célula, en embriones de ratón, con un detalle extraordinario y sin precedentes [1].

Durante el desarrollo, a partir de la célula inicial intervienen al menos tres tipos de fenómenos: la “multiplicación” de las células por sucesivas mitosis, lo que determina el crecimiento del embrión; la “diferenciación celular”, que va a hacer que las células en proliferación se vayan dirigiendo hacia una futura especialización funcional; y la “morfogénesis”, que supone la aparición de estructuras en 3D constituidas por las células que se organizan en diferentes tipos de tejidos y órganos. Todo esto obedece a un programa perfectamente coordinado de actividades genéticas, regulado en espacio y tiempo. En definitiva, el desarrollo es continuo y gradual, y a medida que pasa el tiempo el organismo crece en tamaño y complejidad.

A pesar de la apariencia, el embrión prácticamente desde la primera división celular es un mosaico de actividades funcionales, que se va acentuando con el tiempo y lejos de ser un amasijo de células, presenta ya en cada parte, en cada célula, una memoria genética, unas instrucciones que impulsarán la formación de las estructuras que aparecerán más adelante, en su momento. El desarrollo embrionario es el resultado de una sucesión de expresiones genéticas perfectamente programadas en espacio y tiempo. De los 21.000 genes de nuestro genoma más de la mitad se expresan muy pronto de forma diferencial en las distintas células que lo componen, para ir moldeando de forma paulatina las estructuras que lo conducen hacia un organismo cada vez más complejo, pero maravillosamente constituido por elementos funcional y morfológicamente diferentes.

¿Y cómo tiene lugar ese proceso hacia algo cada vez más complejo? Recientes avances del conocimiento se han unido a las descripciones de los citólogos y embriólogos, conocidas desde hace décadas, de modo que paso a paso, se van completando todos los elementos necesarios para conocer cómo se produce la transformación de una célula indiferenciada y totipotente en un organismo estructural y funcionalmente complejo.

Para desvelar el proceso ha habido varios avances importantes. Un elemento necesario del puzle lo constituye el conocimiento del genoma humano. Hoy sabemos qué genes contribuyen a cada función y vamos conociendo cada vez más en qué momento se activan, se silencian, o emiten señales, por medio de su expresión en moléculas intermediarios o de interferencia, de ARN o proteínas. para que se activen o se silencien otros genes de la misma o de sus células vecinas. Al conocimiento del genoma se van añadiendo cada vez más piezas de los denominados niveles de expresión genética, el “transcriptoma” (paso de ADN a ARN) y el “proteoma” (paso de ARN a proteína), que diferencia las distintas células y tejidos del organismo desde el principio del desarrollo. En los últimos años se han producido nuevos avances que contribuyen a abundar en el conocimiento del proceso de este desarrollo.

En primer lugar, la tecnología de la secuenciación del ARN de una sola célula (scRNA–seq) [2,3]. Se trata de una nueva técnica que permite conocer qué ARN hay en cada célula, el “transcriptoma” celular. Esto ha permitido abordar el estudio del mapa espacio–temporal de actividades genéticas del embrión, lo que se ha dado en llamar el Atlas del Desarrollo Celular Humano (Human Developmental Cell Atlas –HDCA–) [4].

En segundo lugar, las mejoras técnicas de la microscopía confocal, la utilización del marcado con proteínas fluorescentes, y la mejora sustancial de la interpretación de las imágenes por computación, que permiten visualizar diferentes planos y reconstruir la imagen completa en 3D, de modo similar a las técnicas de análisis de imágenes RMN, TAC, ecografías, etc., pero a nivel microscópico. Todo esto ha contribuido a conocer con una claridad extraordinaria las diferentes estructuras celulares y subcelulares de los embriones.

En tercer lugar, las mejoras técnicas de la preparación de embriones vivos de ratón fuera del útero, junto con mejoras en su cultivo in vitro y de los métodos de su montaje para la observación en un microscopio de visualización en láminas de luz multivista, han permitido reconstruir los detalles de la evolución de las diferentes partes del embrión a lo largo del tiempo.

En cuarto lugar, todas estas mejoras aplicadas al análisis de todas las células de múltiples embriones de ratón en el espacio y el tiempo, han desembocado en un registro computacional de datos que, además de dar información específica de la trayectoria de una sola célula a formas de embrión entero, también proporciona una representación del embrión «promedio”. Es decir, suministra información directa de los datos de observación de las etapas normales de desarrollo del embrión que son cuantitativas y permiten reconstruir el desarrollo embrionario en 4D.

La integración de todo este conjunto de avances, tanto de la visualización de los embriones durante su desarrollo en tiempo real, como del análisis de la expresión génica (g), permite profundizar en lo que se ha dado en llamar el «universo de datos xyztg». Es decir, la descripción del estado de todo el genoma (g) a través del tiempo (t) en los tres ejes cardinales del espacio (x, y, z).

Si hay que ver para creer, los nuevos avances tecnológicos, no dejan lugar a dudas para comprender la transformación autoorganizada a partir del óvulo fecundado, el cigoto, hasta un organismo animal adulto, sea ratón, humano o de cualquier otra especie de morfogénesis equivalente.

[1] K. MCDOLE y otros. «In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level». Cell 18, 175(3) (2018) 859-876
[2] A. KOLODZIEJCZYK y otros, «The technology and biology of single-cell RNA sequencing». Mol. Cell.58 (2015) 610–620.
[3] V. SVENSSON y otros, «Power analysis of single-cell RNA-sequencing experiments». Nat. Methods 14 (2017) 381.
[4] S. BEHJATI y otros, «Mapping human development at single-cell resolution». Development 145 (2018) 152561. doi:10.1242/dev.152561
[5] R.M. HARLAND «A new view of embryo development and regeneration».Science». 1;360(6392) (2018) 967-968.