Los científicos de la Universidad de Rice han encontrado diferencias significativas entre los métodos que utilizan las vías de señalización para hacer que las células se diferencien, es decir, si se convierten en órganos, huesos, vasos sanguíneos, nervios o piel.
El biocientífico del arroz Aryeh Warmflash y el alumno Idse Heemskerk dirigieron un equipo que descubrió que las células madre son sensibles no solo a las señales que forman las "instrucciones" para crear el patrón del organismo, sino a la rapidez con la que se envían esas señales.
El laboratorio se dispuso a ver si la cantidad de la molécula de señalización era la señal principal para instruir a las células en qué convertirse.
La respuesta fue claramente "no" para una de las vías altamente relacionadas que estudiaron, y, sorprendentemente, "sí" para la otra.
El papel de acceso abierto en eLife detalla las actividades de dos vías de señalización, Nodal y BMP4, en modelos experimentales de embriones de mamíferos tempranos.
Ambas vías son parte integral del proceso conocido como gastrulación, cuando se crea el plan corporal del embrión. BMP4 desencadena el proceso y define el lado "ventral" o del abdomen del embrión, donde se formará la piel. En el lado opuesto,donde BMP es bajo, se desarrolla el sistema nervioso. Cuando las células están expuestas a BMP, mantiene el cambio mientras su ligando desencadenante esté presente.
En contraste, la vía nodal, que hace que las células se conviertan en músculo, corazón y otros órganos, está controlada por la forma en que las células objetivo detectan y se adaptan a los cambios en el entorno, especialmente a los niveles cambiantes de su ligando.
Los investigadores concluyeron que las interacciones entre estos ligandos, llamados morfógenos, y las células son mucho más dinámicas de lo que se pensaba anteriormente, y no solo dependientes de la concentración de ligandos.
El laboratorio de Rice emplea un sistema experimental único que imita el crecimiento en espacios confinados que permite a las células madre embrionarias humanas dividirse y diferenciarse, pero en una forma controlada similar a la del embrión. Permite a los investigadores perturbar una colonia con proteínas que activan vías específicaspara ver cómo interactúan con las células diferenciadoras y entre sí.
Recientemente, el laboratorio determinó que la vía de señalización de WNT que transporta señales a través de una membrana celular depende del contexto para sus acciones. Nodal y BMP4 son parte de la superfamilia de proteínas TGFb. Los investigadores descubrieron que alteran la forma en que las células responden a WNT.
"Lo que es cierto para WNT lo es aún más para las vías de TGFb que vimos en este momento", dijo Warmflash, profesor asistente de biociencias. "Para WNT, destacamos cómo se puede implementar la misma vía de diferentes maneras según el contexto. Este documento destaca cómo las diferentes vías que funcionan en paralelo, casi en el mismo contexto, se utilizan de manera diferente ".
Nodal y BMP4 son activados por sus ligandos correspondientes durante la gastrulación. En el proceso, ambos acceden a una proteína conocida como Smad4, que se mueve hacia el núcleo de la célula cuando se activa y se puede etiquetar con proteína verde fluorescente GFP. Eso les permitiósupervisar las actividades de las rutas.
"Estas células pluripotentes deciden entre diferentes capas germinales: el ectodermo, que se convierte en el sistema nervioso y la piel; el mesodermo, que forma los huesos, la sangre y los músculos, y el endodermo, que forma el tracto digestivo y otros órganos", Dijo Warmflash." Durante tres días, las células toman estas decisiones al mismo tiempo que sufren morfogénesis, lo que coloca a todas esas capas en el lugar correcto ".
Los investigadores una vez pensaron que la señal alta en un área del embrión y la señal baja en otra diferenciación determinada, pero los experimentos del laboratorio de Rice mostraron lo contrario. "No creemos que las células detecten alto versus bajo", dijo Warmflash.detectar si las vías, activadas por la presencia de ligandos, se activan rápidamente versus se activan lentamente "
La vía Nodal fue muy interesante. "Esencialmente, siempre es transitoria", dijo Warmflash. "En la imagen ingenua, podrías pensar en esta vía como un interruptor. Pero, ¿por qué la señal se apaga cuando el interruptor está encendido? Bueno, eso es lo que hace.
"Es importante porque significa que las células detectan cuándo cambian los niveles en el camino. No perciben: 'Está aquí, enciendo'. Sienten 'Está bien, está cambiando, así que enciendo'. Esoles da sensibilidad a la dinámica "
En experimentos, las células produjeron su propio ligando nodal como parte de la recreación de los primeros patrones similares a los embriones. Los investigadores vieron una ola de señalización nodal barrer las colonias a una velocidad de aproximadamente un ancho de celda por hora, dijo Warmflash ".Justo después de que llega una ola es cuando vemos los marcadores de diferenciación que determinan el destino de las células ", dijo.
Los investigadores obtuvieron una medida de control sobre la diferenciación pulsando la exposición de la colonia al ligando durante una hora y eliminándola durante seis horas durante tres ciclos.
"Mostramos esas tres horas de exposición, cronometradas correctamente, impulsa la diferenciación de las células mejor que 20 horas de exposición", dijo Warmflash. "Creemos que al comprender la dinámica, tendremos una manera de conducir las células a destinos particulares"y también para entender cómo funcionan esas vías cuando las células crean patrones durante el desarrollo "
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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