Revisión del Desarrollo Cardíaco desde Células Madre hasta Embriones

• TITULO : Revisión del Desarrollo Cardíaco desde Células Madre hasta Embriones
• AUTOR : Van Vliet P, Wu S, Pucéat M y colaboradores
• TITULO ORIGINAL : Early Cardiac Development: A View From Stem Cells to Embryos
• CITA : Cardiovascular Research 96(3):352-362, Dic 2012
• MICRO : Las células madre embrionarias de ratones o seres humanos representan una herramienta poderosa para revelar nuevas vías de señalización, factores de transcripción y genes involucrados en el desarrollo cardíaco. Las células madre in vitro y la embriología in vivo pueden ser la clave para entender los eventos de las etapas tempranas del desarrollo cardíaco que se asocian con la aparición de cardiopatías congénitas.

 

Introducción

Se desconoce con precisión cuáles son los mecanismos genéticos y epigenéticos que regulan el destino de las células cardíacas durante las etapas tempranas del desarrollo embrionario en los vertebrados, y existe especial interés en los procesos de determinación desde el epiblasto hasta las células específicas del corazón. Los defectos en el desarrollo de estas células contribuyen con la mortalidad fetal, cuando son graves, y las cardiopatías congénitas, cuando son más leves; existen pruebas de que las tecnologías de fertilización asistida implican mayores riesgos de cardiopatías congénitas. Si bien los modelos en animales contribuyeron al conocimiento actual, las diferencias genómicas y la falta de material biológico suficiente de seres humanos, ratones o peces dificulta los avances en esta área.

Las células madre pluripotenciales fueron al principio obtenidas a partir de blastocistos de ratones y presentan características que las hacen representativas de las células madre embrionarias (CME). Estas células son útiles para estudiar in vitro el desarrollo normal y patológico de embriones de ratones y seres humanos en etapas tempranas; se demostró que son capaces de generar la mayoría de los tejidos de los embriones, entre ellos los miocardiocitos. El objetivo de este artículo fue revisar los avances recientes en las etapas tempranas del desarrollo cardíaco en varias especies y explicar este proceso, regulado a nivel genético y epigenético.

 

Formación y segregación del endodermo y el mesodermo, y determinación del mesodermo

El corazón es el primer órgano que se forma en la embriogénesis de los mamíferos, por lo que el proceso que desencadena su desarrollo comienza en forma temprana. Se han detectado células precursoras cardíacas antes de la gastrulación, en el epiblasto lateral posterior, y durante la gastrulación, células mesoendodérmicas atraviesan la línea primitiva para llegar a la posición topográfica correcta.

Varios miembros de la familia del factor de crecimiento transformante beta determinan la formación del mesodermo y, posteriormente, reprograman las células que formarán el corazón; esto último sucede en especial debido a la proteína morfogénica del hueso tipo 2 (BMP2), secretada por el endodermo visceral, el mesodermo extraembrionario y el promiocardio. La BMP2 dirige a las células derivadas del epiblasto para que se plieguen en forma ventral, lo que ubica al corazón en su localización correcta, y debe existir un equilibrio entre la señalización de BMP2 y la de Nodal. Otro componente esencial del desarrollo cardíaco en ratones es Oct4, que actúa por el gen Sox17.

En ratones, la determinación del fenotipo cardíaco comienza en la línea primitiva tardía, cuando las células migran de la región posterior a la anterior bajo el control del endodermo visceral y el endodermo faríngeo. Las células del mesodermo que cubren la mitad anterior de la línea primitiva incluyen endocardio, miocardio y epicardio, y expresan Gata4, 5 y 6, Hand1, Hand2, Wt1, yNkx2-5, específicas de células cardíacas. Se cree que Wnt3a guía la migración de los progenitores cardíacos mediante el factor de transcripción MesP1, necesario para la transición de epitelio a mesénquima y para la migración de progenitores cardíacos desde la línea primitiva.

Tanto las CME de ratón como las de seres humanos son capaces de dar origen a líneas celulares hematopoyéticas, endoteliales, musculares lisas y craneofaciales, y cardíacas, pero se cree que su segregación in vitro no es equivalente a la que sucede en los embriones. El primer linaje celular que aparece del mesodermo es el de células que expresan factor de crecimiento vascular endotelial (VEGF), mediante Flk1 en ratones o KDR en seres humanos. La expresión de Flk1 hace que, in vitro, las células se segreguen en dos tipos de colonias, que generan hemangioblastos, células progenitoras mesodérmicas que se convierten en sangre, endotelio y músculo liso, y células vasculares, además de algunas cardíacas. Las líneas celulares hematopoyéticas y cardíacas se separan en estadios tempranos desde el ingreso de células del epiblasto por la línea primitiva, y son antagonistas. Los factores GATA actúan también en forma temprana, y permiten que el mesodermo responda a las señales de inducción de células sanguíneas y cardíacas. En peces cebra, se demostró el papel del factor de crecimiento de los fibroblastos (FGF) en el desarrollo del mesodermo cardiogénico, a expensas del hemangioblasto, que es suprimido por Nkx2-5, mediante la inhibición de la expresión de los genes Scl/Tal1 y Etsrp.

 

Segregación, diferenciación y maduración de líneas cardíacas

En la línea primitiva tardía, el mesodermo que dará origen al corazón se localiza en las regiones proximales intermedia y anterior de la capa mesodérmica por debajo de la placa neural cefálica. El endodermo visceral del embrión es necesario para que los progenitores cardíacos se conviertan en miocardiocitos, en parte por eventos mecánicos que facilitan la migración de los campos cardíacos hacia la línea media del embrión. El papel del endodermo visceral anterior se demostró también en CME, donde es necesario para la diferenciación cardíaca, especialmente mediante la secreción de BMP2. Estos hallazgos sugieren que el papel de la BMP2 es doble: al inicio de la gastrulación tiene una función instructiva, y luego su acción es morfogenética para el plegado ventral y correcta disposición de los progenitores cardíacos.

Los progenitores de endocardio y miocardio se segregan tempranamente, y provienen de un progenitor común que expresa Flk1, originado en células del epiblasto que salen de la línea primitiva y distinguible de los hemangioblastos. En CME es posible inducir la expresión de Flk1mediante el estímulo con VEGF, y este gen favorece el desarrollo de células endoteliales y miocitos. La proteína Etv2, objetivo de Nkx2-5, es fundamental en la diferenciación del endocardio, un evento que sucede a partir de un proceso de vasculogénesis.

El epicardio se forma por crecimiento de células proepicárdicas, que se originan en el septum transverso y migran hacia el seno venoso en la cavidad pericárdica. La migración y replicación celular en la superficie del corazón resulta en la formación del epicardio, y las células que derivan de éste ingresan al miocardio, donde se diferencian en músculo liso y fibroblastos, y posiblemente también miocardiocitos, aunque existe controversia al respecto. Se cree que la señalización de FGF mediante MEK1/2 genera la separación temprana de la línea celular epicárdica del mesodermo precardíaco que dará origen al miocardio.

 

CME para la investigación de campos cardíacos y líneas celulares embrionarios

Los primeros miocardiocitos identificables se encuentran en el mesodermo esplácnico, y luego de la formación del tubo cardíaco primitivo se desarrollan el ventrículo izquierdo, el canal auriculoventricular, el seno venoso y las partes principales de las aurículas. El plegado y la elongación de este tubo dependen de una segunda fuente de células progenitoras cardíacas, ubicadas en el mesodermo faríngeo, que contribuyen con la formación del miocardio del ventrículo derecho y el tracto de salida, además de la base de las arterias. Los defectos en el segundo campo cardíaco, generado en parte por la expresión de Isl1 en el mesodermo faríngeo, provocan cardiopatías congénitas, especialmente de tipo conotruncales, como cabalgamiento de aorta, tetralogía de Fallot y doble salida del ventrículo derecho. Dado que se detectó expresión de Isl1 en etapas más tempranas, se cree que la regulación en este punto depende, además, de otros factores específicos y de eventos epigenéticos. Existen pruebas de que tanto Wnt5a como Wnt11 son necesarios para que ambos campos cardíacos se desarrollen adecuadamente, de manera dependiente del tiempo y la señal.

 

Regulación epigenética de la cardiogénesis

La diferenciación del mesodermo en células progenitoras cardíacas depende de interacciones precisas entre factores de transcripción y modificaciones epigenéticas; de estas últimas, el remodelado de la cromatina ha adquirido recientemente especial interés. Este fenómeno implica la modificación de la posición del nucleosoma y la alteración de la estructura de la cromatina para permitir o no la transcripción, y se combina con los cambios en las histonas para modular la expresión génica. Los complejos enzimáticos que modifican la cromatina en vertebrados cambian de composición a medida que las células progresan de estadios indiferenciados a maduros; existen pruebas de que la deficiencia de uno de estos, Brg1/Brahma associated factor (BAF), provoca hipoplasia del miocardio ventricular en ratones. Otros componentes de este complejo son también necesarios para la miogénesis del músculo esquelético.

Mediante modelos murinos de CME, se detectó que la pérdida de BAF 250a generaba alteraciones en la diferenciación mesodérmica y de las células cardíacas. Bptf, parte del complejo ISWI, también aparenta ser necesario para la regulación de la expresión de varios genes mesoendodérmicos, mesodérmicos y endodérmicos. Los receptores Nodal que inducen la expresión de los genes Gsc y Mixl1 podrían ser regulados por la ubiquitinligasa TRIM33. Además, la deleción de HDAC1 favorecería la diferenciación de neuronas y células cardíacas en CME. El papel de UTX parece ser independiente de su actividad como desmetilasa y promueve el reclutamiento de Bgr1 para la activación de genes específicos cardíacos.

Conclusiones

Esta revisión explica conceptos nuevos sobre el desarrollo cardíaco, tanto en embriones como en células pluripotenciales. Las CME de ratones o seres humanos representan una herramienta poderosa para revelar nuevas vías de señalización y factores de transcripción involucrados en este proceso, además de nuevos genes involucrados. Los autores consideran que las células madre in vitro y la embriología in vivo son complementarias y pueden ser la clave para entender los eventos de las etapas tempranas del desarrollo cardíaco que se asocian con la aparición de cardiopatías congénitas.

Especialidad: Bibliografía - Cardiología