Computaional modeling of early cleavage in metazoans: the case of the spiral pattern (Modelado computacional del clivaje temprano en metazoos: el caso del patrón espiral)

Abstract

El clivaje es la primera etapa del desarrollo embrionario. En ella, el zigoto fecundado se divide en un conjunto de células menores (blastómeros), que se disponen en una organización espacial concreta (un patrón de clivaje). Diferentes metazoos poseen diferentes patrones de clivaje, pero todos ellos pueden ser clasificados en un pequeño conjunto de tipos básicos atendiendo a algunas regularidades geométricas en la disposición de sus blastómeros. Taxones con un parentesco evolutivo lejano pueden presentar patrones de clivaje similares, mientras que especies pertenecientes a un mismo taxón pueden tener patrones de clivaje diferentes, lo cual resulta en una correlación escasa entre los patrones de clivaje y la filogenia. Estas discrepancias entre los aptrones de clivaje y la posición filogenética de los taxones de metazoos es difícil de explicar, y resulta contraintuitiva a menos que se conozca cómo la combinación espaciotemporal de diferentes procesos celulares puede dar lugar a los diferentes patrones de clivaje. Teniendo esto en cuenta, el objetivo de esta Tesis es doble: El primer objetivo es aportar una visión global de los principales procesos celulares implicados en el clivaje de metazoos, y revisar cómo éstos se combinan durante el desarrollo temprano de los principales grupos de metazoos. Esta parte se llevó a cabo mediante una revisión biblográfica detallada, la cual muestra que la mayoría de los taxones utilizan el mismo conjunto de procesos celulares básicos (como la división celular dirigida, o la adhesión celular) para generar sus respectivos patrones de clivaje. La mayoría de estos procesos son evolutivamente antiguos, e involucran una serie de factores epigenéticos (como las interacioens físicas entre células adyacentes, o entre éstas y la cubierta externa del embrión), que no están codificados genéticamente como tales. El segundo objetivo de ésta Tesis es explorar como éstos procesos celulares básicos estan implicados en uno de los patrones de clivaje mas extendidos: el patrón espiral. El patrón de clivaje espiral es el tipo de clivaje mas abundante a nivel de phylum, pero no hay consenso sobre cuales son los procesos celualres responsables de la distribución espacial de los blastómeros típica de las blástulas espirales. Para llevar esto a cabo, hemos utilizado un nuevo modelo computacional de la biomecánica de células y tejidos, en el que hemos implementado las diferentes hipótesis existentes sobre la emergencia del clivaje espiral mediante diferentes procesos celulares. Mediante este modelo, encontramos que la combinación de una polarización celular por un gradiente animal-vegetal, la regla de Sachs (una tendencia a la perpendicularidad entre divisiones celulares sucesivas), rotación cortical y adhesión celular, reproducen el patrón espiral, mientras que otras combinaciones de procesos celulares no lo consiguen. Además, reproducimos la distribución espacial de blastómeros en las blástulas de siete especies diferentes (cuatro caracoles, un gusano poliqueto y un nemertino), lo que sugiere que la variación morfológica observada en el clivaje espiral puede explicarse por variaciones cuantitativas en la intensidad relativa de cada uno de los procesos celulares implicados. En cuanto a la distribución de las diferentes especies analizadas en el espacio de parámetros, se encuentra que algunos patrones pueden producirse por medio de muchas combinaciones diferentes de parámetros (se encuentran en un gran volúmen del espacio de parámetros), mientras que otros requieren una combinacion de parámetros mucho mas restringida. También hallamos que los patrones espirales de especies que estan filogenéticamente próximas no estan necesariamente mas cerca en el espacio de parámetros de lo que lo están entre sí especies filogenéticamente distantes. Esto sugiere que la relación entre los parámetros de desarrollo subyacentes (que son relativamente fáciles de cambiar por medio de mutaciones genéticas) y los patrones de clivaje resultantes no es simple. Por último, se discute si estos resultados relativos al patrón de clivaje espiral, que están en concordancia con nuestro conocimeinto actual de la dinámica general del desarrollo, pueden hacerse extensivos a otros tipos de clivaje no espiral.

Cleavage is the earliest developmental stage. In it, the fertilized oocyte becomes partitioned into a set of smaller cells (blastomeres) with a particular spatial arrangement (a cleavage pattern). Different metazoan species have different cleavage patterns, but all of them fit into a small set of basic types according to some geometrical regularities of their blastomere arrangements. Distantly related taxa can exhibit similar cleavage patterns, while species belonging to the same taxon can have different cleavage types, resulting in a weak relationship between cleavage patterns and phylogeny. These discrepancies between the cleavage patterns and the phylogenetic position of metazoan taxa are difficult to explain and seem very counterintuitive unless we gain more knowledge on how the spatio-temporal combination of different cell processes can generate the different cleavage patterns. Taking this into account, the aim of this Thesis is twofold: First is to gain an overview of these cell processes involved in metazoan cleavage, and to review how they are combined in the early development of the major metazoan groups. We did it by means of a thorough bibliographic research, which shows that most taxa use the same basic set of cell processes (such as directed cell division or cell adhesion) to build their cleavage patterns. Most of these processes are evolutionary old, and involve a series of epigenetic factors (such as physical interactions between neighboring cells, or between these cells and the outer envelope of the embryo), that are not encoded as such in genes. The second aim of this Thesis is to explore how these basic cell processes can account for one of the most widespread cleavage pattern: the spiral pattern. Spiral cleavage is the most abundant cleavage type at the phylum level, but there is no consensus about which are the cellular processes responsible of the specific spatial arrangement of blastomeres in the spiral blastula. In order to do this, we use a new computational model of cell and tissue bio-mechanics to implement the different existing hypotheses about how the specific spatial arrangement of cells in spiral cleavage arises during development. By means of this model, we found that cell polarization by an animal-vegetal gradient, Sachs' rule (a bias towards perpendicularity between consecutive cell divisions), cortical rotation and cell adhesion, when combined, reproduce the spiral cleavage while other combinations of processes can not. In addition, we reproduce the cell spatial arrangement of the blastulae of seven different species (four snails, two polychaetes and a nemertean), which suggests that the morphological variation observed in spiralian cleavage can be explained by quantitative variations in the relative strenght of each of these few cell processes. Concerning the distribution of the different species analyzed in the parameter space, we found that some spiralian cleavage patterns can be produced by many different combinations of parameter values (they are found in a large volume of the parameter space) while others require a much more restricted combination of parameter values. We also find that the spiral cleavage patterns of species that are phylogenetically closer are not necessarily closer to each other in the parameter space than to the patterns of other, more phylogenetically distant, species. This suggests that the relationship between the underlying developmental parameters (which are relatively easy to change by mutational changes) and the resulting cleavage patterns is not simple. Finally, we discuss whether these findings about the spiral cleavage pattern, which are in agreement whith our current understanding of general development dynamics, can be generalized to other non-spiralian systems.