Diversidad morfológica de la formación de la blástula y la gastrulación en los erizos de mar temnopleuridos | Biology Open

DISCUSIÓN

En este estudio, las estructuras de las blástulas y gástrulas indicaron características específicas de cada especie entre cuatro temnopleuridos (Figs 1-4). La forma y la posición (vegetal o lateral) de los blastómeros en las blástulas difieren entre las especies. Los blastómeros poco adyacentes en la pared blastular de T. toreumaticus tenían una forma globular hasta el estadio de blástula arrugada (Fig. 1). En T. toreumaticus el número de células en el momento de la eclosión es sólo de 500, mientras que en otras especies es de 600-800 (Masuda, 1979). Dado que el diámetro de las blástulas es similar entre estas especies (Kitazawa et al., 2010), sugerimos que un menor número de clivajes es la causa de la diferencia en la forma de las células y la adhesión entre los blastómeros en la misma etapa de desarrollo. La formación de blástulas arrugadas sólo se conoce en especies de desarrollo directo en erizos de mar (Henry et al., 1991). Sin embargo, los embriones de T. toreumaticus, a pesar de ser una especie de desarrollo indirecto, forman blástulas arrugadas (Kitazawa et al., 2009, 2010). Como características y razones para formar arrugas en los desarrolladores directos, como Heliocidaris erythrogramma, se considera que sus embriones se desarrollan bajo el estrecho espacio perivitelino y forman arrugas dependiendo del linaje celular temprano, sus blastómeros se adhieren débilmente y sus blástulas arrugadas liberan pequeñas gotas de lípidos en la blastocélula (Henry et al., 1991). Los resultados del presente estudio y de los anteriores (Kitazawa et al., 2009, 2010) coinciden con el mecanismo de los desarrolladores directos, excepto en lo que respecta a la liberación de lípidos. Sin embargo, se observó que había algunos gránulos de ECM en lugar de lípidos en el blastocoel de los embriones de T. toreumaticus (Fig. 1B). Los embriones de esta especie indicaron algunas características diferentes en comparación con otros temnopleúridos y estas diferencias también podrían ser otra de las razones para la formación de blástulas arrugadas.

Las blástulas de los temnopleúridos estudiados tienen blastómeros con diferentes tipos de estructuras similares a pseudópodos (Figs 1-4). En T. toreumaticus, los blastómeros que rodean a los presuntos PMCs extienden pseudópodos hacia ellos (Fig. 1G,H). Immers (1961) indicó que en los erizos de mar la formación de las proyecciones filopodiales de las células del mesénquima se apoya en una matriz de polisacáridos sulfatados combinados con proteínas. Las diferencias en la forma de las estructuras similares a los pseudópodos entre los temnopleúridos pueden ser causadas por diferentes sustancias dentro de la matriz. Recientemente, Yaguchi et al. (2015) indicaron que la adhesión entre los blastómeros en los primeros clivajes era muy floja, y que los blastómeros tenían muchas protuberancias adheridas a la MEC externa y a la capa hialina en el surco de clivaje en T. reevesii. Además, era difícil dividir cada blastómero de los embriones en fase de clivaje temprana de T. hardwickii y M. globulus debido a la MEC externa y a la capa hialina (datos no mostrados). Sin embargo, en nuestras observaciones de las blástulas, el espacio entre los blastómeros se estrechó y se conectó mediante complejas estructuras en forma de pseudópodos (Fig. 2). Los blastómeros alrededor de los presuntos PMC parecían formar capas mediante estructuras alargadas en forma de pseudópodos (Fig. 2I). Estos fenómenos indican que la adhesión entre los blastómeros cambia de floja a estrecha. Futuros trabajos deberán analizar si las protuberancias tempranas forman las estructuras similares a los pseudópodos en la fase de blástula.

La distribución de las CME fue diferente entre especies y posición (vegetal o lateral). La superficie blastocélica desarrolla muchos tipos de MEC que incluyen mucopolisacáridos (Okazaki y Niijima, 1964), glicoproteínas fibronectina y laminina (Spiegel et al., 1983; Benson et al., 1999) y colágeno (Kefalides et al., 1979; Crise-Benson y Benson, 1979). Además, en la lámina basal la distribución de fibronectina y laminina difiere entre especies (Spiegel et al., 1983; Katow et al., 1982). La superficie blastocélica de la placa vegetal de T. toreumaticus tenía una estructura en forma de agujero en la ECM (Fig. 1G,H). Esto estaba ausente en las otras especies (Figs 2-4). En Lytechinus variegatus, las superficies blastocólicas estaban cubiertas por una fina lámina basal compuesta por materiales fibrosos y no fibrosos antes de la entrada de la CMP y luego se localizó una MEC en forma de red en el hemisferio animal (Galileo y Morrill, 1985). Galileo y Morrill (1985) descubrieron que los blastómeros, antes de eclosionar en la pared de la blastocélula, estaban entrelazados y tenían una malla irregular de MEC. Estaban conectados por procesos celulares delgados entre sí perpendiculares al eje animal-vegetal. Además, la pared de la blastocélula alrededor del hemisferio animal presentaba un agujero sin MEC. Recientemente se informó de que las presuntas CMP pierden la distribución de laminina relacionada con el subcircuito de la red reguladora de genes para la remodelación de la lámina basal que incluyen tbr, dri y hex mediante el derribo de estos genes (Saunders y McClay, 2014). Por lo tanto, sugerimos que la estructura en forma de agujero observada en T. toreumaticus puede estar formada por laminina añadida por estos genes, y que los embriones de los temnopleuridos de nuestro estudio pueden tener una cantidad y distribución de laminina diferentes. El examen de las fotografías publicadas por Amemiya (1989) de Hemicentrotus pulcherrimus y Pseudocentrotus depressus reveló que los blastómeros de la parte animal se alargan hasta el polo vegetal. Sin embargo, los embriones no formaron un agujero vegetal en la MEC. Además, Amemiya (1989) informó de que el patrón de la MEC está causado por la acumulación de fibrillas de la lámina basal. Este informe apoya nuestros hallazgos de que el agujero de la MEC de T. toreumaticus puede fijar las PMC en la placa vegetal. El fijador utilizado en nuestro estudio era muy similar al método carente de iones de calcio de Amemiya (1989). Por lo tanto, nuestros resultados pueden indicar que hay diferencias en la distribución de una ECM dependiente del calcio entre las especies y que T. toreumaticus tiene una gran cantidad de ECM dependiente del calcio o independiente del calcio.

En M. globulus, cada blastómero de la blástula se localizó cerca de la superficie junto con estructuras de filamentos alrededor de la octava escisión. Se identificó una estructura en forma de lámina de mucopolisacáridos en la superficie de la blástula para el movimiento de las SMC sobre estas estructuras (Endo y Uno, 1960). En nuestro estudio, no identificamos estructuras filamentosas bien desarrolladas en las blástulas de M. globulus, pero observamos algunas MEC en la superficie blastocelular (Fig. 4E). Endo (1966) reportó que en Mespilia cuando las CMPs ingresan, se desprenden de su citoplasma apical mientras aún están adheridas por desmosomas a las células vecinas. Por otro lado, en Arbacia (Gibbins et al., 1969) y Lytechinus pictus (Katow y Solursh, 1980), los desmosomas desaparecen de las CMP. Por lo tanto, el análisis de la ultraestructura de la pared blástica entre estos temnopleúridos es necesario en el futuro.

La MEC es importante para el movimiento celular, como la migración de las CMP para la diferenciación de las CMP, la modulación de la polaridad de las células epiteliales y la gastrulación (Solursh y Lane, 1988; Katow et al, 1982; Fink y McClay, 1985; Amemiya, 1989; Adelson y Humphreys, 1988; Ingersoll y Ettensohn, 1994; Berg et al., 1996). En L. pictus, las PMCs tienen seis tipos de procesos celulares, dependiendo de un componente específico del sustrato de la lámina basal, que están involucrados en el comportamiento migratorio de las células (Katow y Solursh, 1981). En nuestro estudio, las PMCs de T. reevesii, T. hardwickii y M. globulus entraron por separado. Sugerimos que en T. toreumaticus, la ingresión de PMCs en masa puede ser causada por la distribución interna de ECM en la placa vegetal. También observamos algún tipo de estructuras de proceso (Figs 1-4) y sugerimos que estas estructuras pueden causar el movimiento celular.

La gastrulación en T. reevesii, y T. hardwickii y M. globulus es por invaginación escalonada con un periodo de retraso (Figs 2-5). Esto significa que los mecanismos de gastrulación en estos temnopleúridos pueden ser diferentes a los de T. toreumaticus con invaginación continua. Aunque el momento del inicio de la invaginación en T. toreumaticus y M. globulus en nuestro estudio fue diferente al reportado por Takata y Kominami (2004), sugiere que las diferencias entre los lotes de embriones o la ubicación geográfica (área de Yamaguchi en el presente estudio; áreas de Kouchi y Ehime en Takata y Kominami, 2004) de la misma especie pueden causar diferentes velocidades de desarrollo de los embriones.

Los mecanismos de invaginación del arquenteron de cada especie se consideraron según cuatro factores: Empuje de las células vegetales hacia el blastocoel por crecimiento celular en el polo animal (Takata y Kominami, 2001), elongación de las células que forman el arquenterón, reordenación de las células que forman el arquenterón a lo largo del eje animal-vegetal y endurecimiento del rudimento intestinal por los filopodios de las SMCs que ingresan en el blastocoel desde la punta del arquenterón (Ettensohn, 1985; Hardin, 1988; Dan y Okazaki, 1956; Gustafson y Kinnander, 1956; Tabla 2). En T. toreumaticus, el blastoporo se estrecha al final de la invaginación (Fig. 7B). El blastoporo de Scaphechinus milabilis, que tiene una invaginación continua, se vuelve estrecho alrededor del final de la invaginación (Kominami y Masui, 1996). Por lo tanto, sugerimos que el arquenteron de T. toreumaticus también puede alargarse por la entrada continua de las células alrededor del blastoporo en el blastocoel. En los erizos de mar irregulares con invaginación continua, el diámetro del arquenteron durante la invaginación no cambia, por lo que la reorganización celular no afecta a la elongación del arquenteron (Kominami y Masui, 1996; Takata y Kominami, 2004). Sin embargo, observamos que en T. toreumaticus el diámetro en el arquenterón medio y el grosor de la pared del arquenterón disminuyeron rápidamente. Existe la posibilidad de que el reordenamiento y la elongación de las células del arquenterón provoquen el alargamiento del mismo. En T. toreumaticus y en los erizos de mar irregulares, los primeros acontecimientos del desarrollo, incluyendo la entrada de las CMP, el inicio de la invaginación del arquenterón y la formación de las CML, comienzan y terminan en etapas relativamente tempranas. Esto sugiere que los eventos de desarrollo pueden ser acelerados y omitidos en general, y luego implican la invaginación continua del arquenteron. En esta especie, las SMC y los filopodios alargados se formaron cerca del final de la invaginación, lo que significa que las SMC pueden no endurecer el arquenterón. El grado final de invaginación es de aproximadamente el 94% (Fig. 5B) y los canales de poros primarios de esta especie no mantienen la anchura del cuerpo (Kitazawa et al., 2014). Sugerimos que la invaginación continua se produce por elongación del propio arquenterón.