Cómo las células construyen organismos
El mecanismo de control organizacional permite que las células formen tejidos y estructuras anatómicas en el embrión en desarrollo.
Bajo un microscopio, las primeras horas de la vida de cada organismo multicelular parecen incongruentemente caóticas.
Después de la fertilización, un huevo unicelular que alguna vez fue tranquilo se divide una y otra vez, convirtiéndose rápidamente en un foso mosh visualmente tumultuoso de células compitiendo por posicionarse dentro del embrión en rápido crecimiento.
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Sin embargo, en medio de este aparente pandemonio, las células comienzan a auto organizarse. Pronto, surgen patrones espaciales, que sirven como base para la construcción de tejidos, órganos y estructuras anatómicas elaboradas desde el cerebro hasta los dedos de los pies y todo lo demás. Durante décadas, los científicos han estudiado intensamente este proceso, llamado morfogénesis, pero sigue siendo enigmático en muchos sentidos.
Ahora, investigadores de la Escuela de Medicina de Harvard y el Instituto de Ciencia y Tecnología (IST) de Austria han descubierto un mecanismo de control clave que las células utilizan para auto organizarse en el desarrollo embrionario temprano. Los hallazgos, publicados en Science el 2 de octubre, arrojan luz sobre un proceso fundamental para la vida multicelular y abren nuevas vías para mejorar las estrategias de ingeniería de tejidos y órganos.
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Al estudiar la formación de la médula espinal en embriones de pez cebra, un equipo codirigido por Sean Megason , profesor de biología de sistemas en el Instituto Blavatnik del HMS, reveló que los diferentes tipos de células expresan combinaciones únicas de moléculas de adhesión para auto clasificarse durante la morfogénesis. Estos «códigos de adhesión» determinan qué células prefieren permanecer conectadas y con qué intensidad lo hacen, incluso cuando se producen reordenamientos celulares generalizados en el embrión en desarrollo.
Los investigadores encontraron que los códigos de adhesión están regulados por morfógenos, moléculas maestras de señalización que se sabe desde hace mucho tiempo que gobiernan el destino celular y la formación de patrones en el desarrollo.
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Los resultados sugieren que la interacción de los morfógenos y las propiedades de adhesión permite que las células se organicen con la precisión y la consistencia necesarias para construir un organismo.
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La información sobre cómo las células se auto organizan en el desarrollo temprano también podría ayudar a los esfuerzos para diseñar tejidos y órganos para usos clínicos como el trasplante, dijeron los autores.
«La construcción de tejidos artificiales para la investigación o aplicaciones médicas es un objetivo de importancia crítica, pero actualmente uno de los mayores problemas es la inconsistencia», dijo el autor principal del estudio, Tony Tsai , investigador en biología de sistemas en el Instituto Blavatnik. «Hay una lección clara que aprender de la comprensión y la ingeniería inversa de cómo las células de un embrión en desarrollo son capaces de construir los componentes de un organismo de una manera tan robusta y reproducible».
Bandera borrosa
Encabezado por Tsai y en colaboración con Carl-Philipp Heisenberg y sus colegas de IST Austria, el equipo de investigación analizó por primera vez uno de los marcos de morfogénesis mejor establecidos, el modelo de bandera francesa.
En este modelo, los morfógenos se liberan de fuentes localizadas en el embrión, exponiendo las células cercanas a niveles más altos de la molécula de señalización que las células más alejadas. La cantidad de morfógeno a la que está expuesta una célula activa diferentes programas celulares, particularmente aquellos que determinan el destino celular. Los gradientes de concentración de morfógenos, por lo tanto, «pintan» patrones en grupos de células, evocando las distintas bandas de colores de la bandera francesa.
Sin embargo, este modelo tiene limitaciones. Estudios anteriores del laboratorio de Megason utilizaron imágenes de células vivas y seguimiento de células individuales en embriones de pez cebra completos para mostrar que las señales de morfógeno pueden ser ruidosas e imprecisas, particularmente en los límites de la «bandera».
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Además, las células de un embrión en desarrollo se dividen constantemente y están en movimiento, lo que puede alterar la señal del morfógeno.
Esto da como resultado un patrón mixto inicial de tipos de células.
Sin embargo, las células se auto-clasifican en patrones precisos, incluso con un comienzo ruidoso, y en el estudio actual, el equipo se propuso comprender cómo. Se centraron en una hipótesis propuesta hace más de 50 años, conocida como adhesión diferencial. Este modelo sugiere que las células se adhieren a ciertos otros tipos de células, auto clasificándose de una manera similar a cómo se separan el aceite y el vinagre con el tiempo. Pero hubo poca evidencia de que esto desempeñe un papel en la creación de patrones.
Los experimentos revelaron que las células de un tipo similar se adhirieron fuerte y preferencialmente unas a otras. Para identificar los genes que codifican las moléculas de adhesión relevantes, los investigadores analizaron el perfil de expresión génica de cada tipo de célula mediante secuenciación de ARN. Luego usaron CRISPR-Cas9 para bloquear la expresión de genes candidatos, uno a la vez. Si la formación del patrón se interrumpía, aplicaban el ensayo de tracción para ver cuánto contribuía la molécula a la adhesión.
Código de adhesión
Tres genes, N-cadherina , cadherina 11 y protocadherina 19, surgieron como esenciales para el patrón normal. La expresión de diferentes combinaciones y diferentes niveles de estos genes fue responsable de las diferencias en la preferencia de adhesión, lo que representa lo que el equipo denominó código de adhesión. Este código era único para cada uno de los tipos de células y determinaba a qué otras células permanece conectado cada tipo de célula durante la morfogénesis.
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«Las tres moléculas de adhesión que analizamos se expresan en diferentes cantidades en cada tipo de célula», dijo Tsai. “Las células utilizan este código para adherirse preferentemente a células de su propio tipo, que es lo que permite que los diferentes tipos de células se separen durante la formación del patrón. Pero las células también mantienen cierto nivel de adhesión con otros tipos de células ya que tienen que colaborar para formar tejidos. Al juntar estas reglas de interacción local, podemos iluminar el panorama global «.
Los análisis revelaron que tanto el tipo celular como la expresión génica de la molécula de adhesión estaban altamente correlacionados, tanto en el nivel como en la posición espacial. Esto se mantuvo en toda la médula espinal naciente, donde los patrones de expresión génica para el tipo de célula y la molécula de adhesión cambiaron juntos en respuesta a las diferencias en la actividad de Shh .
“Lo que encontramos es que este morfógeno no solo controla el destino celular, también controla la adhesión celular”, dijo Megason. “El modelo de la bandera francesa ofrece un boceto aproximado y la adherencia diferencial forma el patrón preciso. La combinación de estas diferentes estrategias parece ser la forma en que las células construyen patrones en el espacio y el tiempo 3D a medida que se forma el embrión «.
Los investigadores ahora están investigando más la interacción entre la señalización de morfógenos y la adhesión en embriones en desarrollo. El estudio actual analizó solo tres tipos de células diferentes, y hay muchos otros candidatos a moléculas de adhesión y morfógenos que quedan por analizar, dijeron los autores. Además, los detalles de cómo los morfógenos controlan tanto el tipo de célula como la expresión de la molécula de adhesión siguen sin estar claros.
Una mejor comprensión de estos procesos podría ayudar a los científicos a descubrir y aplicar ingeniería inversa a los mecanismos fundamentales mediante los cuales un huevo unicelular construye un organismo completo, dijeron los autores. Esto podría tener profundas implicaciones en la biotecnología, en particular para los esfuerzos por construir tejidos y órganos artificiales para trasplantes o para probar nuevos fármacos candidatos.
«El problema con la ingeniería de tejidos en este momento es que simplemente no sabemos cuál es la ciencia subyacente», dijo Megason. “Si desea construir un pequeño puente sobre un arroyo, tal vez pueda hacerlo sin comprender la física. Pero si desea construir un gran puente colgante, necesita saber mucho sobre la física subyacente. Nuestro objetivo es averiguar cuáles son esas reglas para el embrión «.
Los autores adicionales del estudio incluyen Mateusz Sikora, Peng Xia, Tugba Colak-Champollion y Holger Knaut.