Organogènesi del sistema nerviós i dels òrgans sensorials en el desenvolupament embrionari de la planària Schmidtea polychroa

Abstract

La formació d’un sistema nerviós fou una innovació clau en l’evolució dels animals que va permetre desenvolupar una comunicació ràpida i eficient entre les cèl·lules d’un organisme a mesura que n’augmentava la complexitat. Analitzar la neurogènesi embrionària en el major nombre possible d’organismes és, per tant, necessari per reconstruir quin fou el mode ancestral de neurogènesi als metazous. Recentment s’ha descrit que el procés de formació d’aquest sistema d’òrgans pot ser acotat a una sèrie de passos discrets que estan controlats per xarxes gèniques comunes entre organismes model ben establerts. En general, el primer pas d’aquest procés es caracteritza per la separació de l’ectoderma neurogènic i epitelial durant la gastrulació de l’embrió; posteriorment, l’ectoderma neurogènic, o neuroectoderma, es regionalitza en els diferents eixos de coordenades i s’amplifica en quant a nombre de cèl·lules, i, finalment, dona lloc al sistema nerviós. Als Spiralia, un dels dos principals clades d’animals protòstoms, els estudis sobre les qüestions relacionades amb aquests processos s’han centrat als mol·luscs i anèl·lids mentre que poc se sap de la resta de fílums. Així doncs, en aquesta tesi ens hem plantejat utilitzar la planària d’aigua dolça Schmidtea polychroa, un platihelmint amb un sistema nerviós morfològicament simple, per a caracteritzar l’organogènesi dels sistemes nerviosos central, perifèric, i visual, i, posteriorment, analitzar alguns dels mòduls conservats de la neurogènesi dels organismes bilaterals. La nostra estratègia s’ha basat en l’estudi del marcatge amb anticossos neurals i amb l’anàlisi de l’expressió de gens pan-neurals i de subpoblacions neuronals per proposar un model de desenvolupament del sistema nerviós durant l’embriogènesi d’aquella espècie. Els resultats d’aquesta tesi demostren l’origen de novo a l’estadi 4 i a partir d’una població de cèl·lules embrionàries determinades d’aquell sistema d’òrgans; posteriorment, aquestes cèl·lules conjunten en un primordi nerviós bilateral situat al futur pol ventral de l’embrió que serà l’origen d’estructures nervioses com el cervell o els cordons nerviosos laterals i ventrals. A més, també hem determinat la dinàmica temporal i espaial de desenvolupament dels ulls durant l’embriogènesi més tardana; en concret, aquests òrgans es formen a la part més anterior de l’organisme i des d’una cèl·lula precursora comuna que, més tard, es separarà en els primordis de l’ull dret i esquerra. Finalment, hem aïllat i caracteritzat gens ortòlegs del grup soxB i un conjunt de membres dels bHLH proneurals, que són famílies gèniques amb un paper ben establert en la determinació de l’ectoderma neurogènic i l’especificació neuronal, així com també de gens associats amb la diferenciació dels ulls, com ara els membres de la xarxa gènica controlada per pax6 i també altres factors de transcripció com rx, otxA o atonal. L’anàlisi molecular d’aquests mostra, per una banda, que un ortòleg de la família soxB1 es detecta en el presumptiu neuroectoderma de l’embrió i en cèl·lules progenitores neuronals, mentre que els gens de les famílies soxB2, achaete-scute, neuroD i beta3, així com alguns dels gens relacionats amb el desenvolupament dels ulls, estan associats amb l’especificació de poblacions neuronals. En conjunt, els nostres resultats suggereixen que els principals mecanismes moleculars de control de la neurogènesi es troben substancialment conservats als tríclads, tot i que aquests animals mostren un patró embrionari que divergeix clarament de l’ancestral de la resta d’organismes espirals. En resum, la nostra tesi expandeix la comprensió actual de la neurogènesi dels animals bilaterals i, alhora, proporciona un marc bàsic per a futurs estudis sobre el desenvolupament embrionari de les planàries.

The development of a nervous system is a key innovation in the evolution of metazoans, which is illustrated by the presence of a common developmental toolkit for the formation of this organ system. Neurogenesis in the Spiralia, and in particular the Platyhelminthes, is, however, poorly understood when compared with other animal groups. In this thesis we used the planarian Schmidtea polychroa, a free-living flatworm with a morphologically simple nervous system, as a model organism for studying the organogenesis of the central, peripheral and visual nervous systems. Using a combination of immunolabelling and gene expression analysis of neural-specific markers we show that the nervous system is formed de novo from a population of embryonic cells when the embryo adopts the definitive axial identities. Later on, these cells aggregate in a bilateral neural primordium which differentiates the brain, and the ventral and lateral nerve cords. Also, during this late embryonic phase, the eyes develop in the anterior-most part of the organism from a shared precursor. To further understand the early steps of neurogenesis, we isolate and characterize soxB and a set of bHLH genes, which are gene families with a well-established role in metazoan neural development, and genes associated with the specification of eye cell types -in particular, the pax6-gene network and transcription factors of the otx and rx families. Thus, we demonstrate that soxB1-1 is expressed in the putative neuroectoderm and neural progenitor cells, whereas soxB2, neural bHLH genes (achaete-scute, neuroD and beta3), and the eye-related genes so, eya and otxA are associated with the specification of neural subpopulations. Altogether, our findings suggest that the ancestral neural-specific gene regulatory network is substantially conserved in triclad, despite exhibiting a divergent mode of development. In summary, this thesis expands the current understanding of bilaterian neurogenesis and provides a basic framework for further studies in planarian embryonic development.

La formación de un sistema nervioso fue una innovación clave en la evolución de los animales que permitió desarrollar una comunicación rápida y eficiente entre las células de un organismo a medida que aumentaba la complejidad. Analizar la neurogénesis embrionaria en el mayor número posible de organismos es, por lo tanta, necessario para reconstruir cual fue el modo ancestral de neurogénesis de los metazoos. Recientemente se ha descrito que ese proceso puede ser definido con un conjunto de pasos o etapas que están controlados por redes génicas comunes entre organismos modelo bien establecidos. En general, el primer paso de la neurogénesis implica la separación del ectodermo neurogénico y epitelial durante la gastrulación del embrión; posteriormente, el ectodermo neurogènico, o neuroectodermo, se regionaliza en los principales ejes de coordenadas y se amplifica en cuanto a número de células y, finalmente, da lugar a las células nerviosas. En los organismos del grupo de los Spiralia, uno de los dos principales clados de protóstomos, los estudios sobre temas relacionados con esas etapas se han centrado en los moluscos y anélidos mientras que poco se sabe del resto de filos del grupo. Así pues, en esta tesis doctoral nos hemos planteado utilizar la planaria de agua dulce Schmidtea polychroa, un platihelminto con un sistema nervioso morfológicamente simple, para caracterizar la organogénesis de los sistemas nerviosos central, periférico, y visual, y, posteriormente, analizar algunos de los módulos conservados de la neurogénesis de los organismos bilaterals. Inicialmente nuestra estrategia se basó en el estudio del marcaje con anticuerpos específicos neurales y con el análisis de la expresión de genes pan-neurales y de subpoblaciones neuronales para proponer un modelo de desarrollo del sistema nervioso durante la embriogénesis de esta especie. Los resultados de nuestra tesis demuestran el origen de novo en el estadio 4 y a partir de una población de células embrionarias determinadas del sistema nerviosos definitivo; más tarde, estas células se condensan en un primordio nervioso bilateral situado en el futuro polo ventral del embrión que será el origen de estructuras como el cerebro o los cordones laterales y ventrales. Además, también hemos determinado la dinámica temporal y espacial de desarrollo de los ojos durante las etapas más tardías de la embriogénesis: estos órganos se forman en la parte más anterior del embrión y a partir de unas células precursoras comunes que se separarán en los primordios de los ojos derecho e izquierdo. Por último, hemos aislado y caracterizado genes ortólogos del grupo soxB y un conjunto de miembros de los bHLH proneurales, que son familias génicas con un papel bien establecido en la determinación del ectodermo neurogénico y la especificación neuronal, y también de genes asociados con la diferenciación de los ojos, como por ejemplo los miembros de red génica controlada por pax6 y también otros factores de transcripción como rx, otx o atonal. Su análisis molecular muestra que un ortólogo del grupo soxB1 se detecta en el putativo neuroectodermo del embrión y en células progenitoras neuronales de S. polychroa, mientras que los genes de los grupos soxB2, achaete-scute, neuroD y beta3, así como algunos genes relacionados con el desarrollo de los ojos, están asociados con la especificación de diferentes poblaciones neuronales. En conjunto, nuestros datos sugieren que, a pesar de que los tríclados muestran un patrón de desarrollo del zigoto que difiere claramente del patrón típico de la segmentación espiral, los principales mecanismos moleculares de control de la neurogénesis se encuentran conservados en su grupo. En resumen, nuestra tesis doctoral expande la comprensión sobre el desarrollo del sistema nerviosos de los bilaterales a la vez que proporciona un marco básico para futuros estudios con embriones de planarias.