Los científicos del Centro Allen Discovery de la Universidad de Tufts y la Facultad de Medicina de Harvard han revelado cómo, en el caso de la formación de extremidades, los patrones eléctricos formados dentro de un embrión inician una cascada de cambios moleculares que culminan en el desarrollo del cartílago y el hueso. El estudio, publicado hoy en Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS , ayuda a responder una pregunta central en biología del desarrollo: "¿Cómo se diferencian y organizan las células inmaduras en el embrión en desarrollo en un cuerpo?"
Estudios previos han mostrado patrones eléctricos notables en el desarrollo de embriones, algunos de los cuales actúan como planos de los tejidos y órganos que eventualmente toman forma a medida que el embrión madura. Los patrones eléctricos son creados por las células que bombean iones cargados dentro y fuera de la membrana celular, creando un potencial de voltaje a través de la barrera de membrana. En analogía con las células del sistema nervioso, los potenciales de voltaje de la membrana se propagan a través de sinapsis eléctricas y proporcionan una forma para que las células se comuniquen con sus vecinos y coordinen la actividad.
El nuevo estudio, realizado en embriones de ratón y pollo, demuestra que un canal de calcio dependiente de voltaje VGCC incrustado en la membrana celular, y activado por voltaje para permitir que los iones de calcio Ca2 + fluyan dentro de la célula, activa la expresiónde genes que guían la diferenciación a las células maduras.
Se sabe que los canales iónicos activados por voltaje desempeñan un papel en la formación del cartílago traqueal, y las mutaciones en los VGCC también se correlacionan con malformaciones en humanos, incluida la sindactilia fusión de dedos en pacientes con síndrome de Timothy. El estudio ahora apunta a un papelpara que los VGCC 'lean' los patrones bioeléctricos de un embrión para poner en juego la maquinaria de expresión genética y proteica para el desarrollo del cuerpo.
Los investigadores observaron las extremidades en desarrollo de los embriones de ratones y pollos y descubrieron que si bien la yema de la extremidad se hiperpolariza inicialmente, con 1000 veces más iones de calcio fuera de las células que dentro, el núcleo de la extremidad en crecimiento se despolariza a medida que se forma el cartílago;los iones de calcio fluyen hacia las células para neutralizar el voltaje. Descubrieron que la despolarización está mediada por VGCC, lo que permite que los iones de calcio fluyan hacia adentro, lo que a su vez activa un factor de transcripción genética llamado NFATc1, que a su vez inicia la expresión de otros genes necesarios paradiferenciación en células de cartílago maduras. Se descubrió que el VCGG estudiado Cav1.2 era esencial para la formación normal de cartílago, mientras que se confirmó que NFATc1 promueve la diferenciación de células de cartílago in vitro.
Observando el papel de Cav1.2 más de cerca, los investigadores descubrieron que principalmente desempeña un papel en las primeras etapas de la diferenciación celular en el cartílago. Otros VGCC pueden estar involucrados en las etapas posteriores del desarrollo, y pueden activarse otros factores de transcripciónpor el aumento de calcio intracelular durante el proceso de formación de cartílago y hueso, según los investigadores.
"Está claro que si bien hemos descubierto un papel esencial para los canales de calcio dependientes de voltaje en la lectura del patrón bioeléctrico del embrión, necesitaremos continuar trabajando para comprender el papel de muchos canales iónicos y factores genéticos diferentes en todas las etapas del desarrollo".dijo Cliff Tabin, asociado del Centro de Descubrimiento Allen en Tufts y presidente del Departamento de Genética en el Instituto Blavatnik de la Facultad de Medicina de Harvard.
"Recién estamos comenzando a entender cómo el 'software' del desarrollo embrionario los patrones eléctricos es creado e interpretado por el 'hardware' los genes y las proteínas de las células para permitir que las células cooperen y se organicen", dijo Michael Levin, profesor de biología de Vannevar Bush en la Escuela de Artes y Ciencias y director del Centro Allen Discovery en Tufts." Nuestra colaboración con el equipo de genética en el laboratorio de Tabin extiende este campo a un modelo muy importante., la extremidad vertebrada, y es una gran demostración de cómo llegamos a una mejor comprensión de la física en biología "
Otros autores del estudio son: Yuji Atsuta, primer autor y becario postdoctoral, y Reiko Tomizawa, técnico de investigación, ambos en el laboratorio de Tabin.
Este trabajo fue apoyado por el programa Allen Discovery Center a través de la subvención HD03443 del Grupo de Fronteras Paul G. Allen y los Institutos Nacionales de Salud. Atsuta ha recibido becas de la Fundación Naito y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia. El contenidoes responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.
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Materiales proporcionado por Universidad de Tufts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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