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Cómo las células aprenden a 'contar'

Una de las maravillas de la biología celular es su simetría. Las células de mamíferos tienen un núcleo y una membrana celular, y la mayoría de los humanos tienen 23 pares de cromosomas. Trillones de células de mamíferos logran esta uniformidad, pero algunas rompen constantemente este molde para cumplir funciones únicas.

La superficie de una célula multicilatada.

La superficie de una célula multicilatada. / Foto: Andrew Holland

EurekAlert | JOHNS HOPKINS MEDICINE

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Ahora, un equipo de investigadores de Johns Hopkins Medicine ha descubierto cómo toman forma estos valores atípicos.

En experimentos con ratones genéticamente modificados, un equipo de investigación descartó un mecanismo que los científicos han creído durante mucho tiempo que controla el número de estructuras similares a pelos, llamadas cilios, que sobresalen en el exterior de cada célula de mamífero. Llegaron a la conclusión de que el control del recuento de cilios podría depender de un proceso más comúnmente visto en especies no mamíferas.

Los experimentos, descritos el 2 de diciembre en Nature Cell Biology y dirigidos por Andrew Holland, Ph.D. , profesor asociado de biología molecular y genética en la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins, podría ayudar a los científicos a aprender más sobre las enfermedades humanas relacionadas con la función de los cilios, como las infecciones respiratorias, la infertilidad y la hidrocefalia.

Los cilios son estructuras antiguas que aparecieron por primera vez en organismos unicelulares como pequeños "dedos" en forma de pelo que actúan como motores para mover la célula o las antenas para detectar el medio ambiente. Casi todas las células humanas tienen al menos un cilio que detecta señales físicas o químicas. Sin embargo, algunos tipos de células especializadas en humanos, como los que recubren las vías respiratorias y reproductivas, tienen cientos de cilios en su superficie que golpean en ondas para mover fluidos a través del sistema.

"Nuestra pregunta principal era cómo estas células multiciliadas se vuelven tan dramáticamente diferentes que el resto de las células de nuestro cuerpo", dice Holland. "La mayoría de las células producen exactamente un cilio por célula, pero estas células altamente especializadas renuncian a este estricto control numérico y producen cientos de cilios".

En un esfuerzo por responder la pregunta, Holland y su equipo observaron más de cerca la base de los cilios, el lugar donde los orgánulos se unen y crecen desde la superficie de la célula. Esta base es una estructura microscópica en forma de cilindro llamada centríolo.

En las células de un solo cilio, dice Holland, los centriolos se crean antes de que una célula se divida. Una célula contiene centríolos de dos padres que se duplican para que ambas células nuevas obtengan un par de centríolos: el más antiguo de estos dos centríolos pasa a formar la base del cilio. Sin embargo, las células multiciliadas crean estructuras únicas, llamadas deuterostomas, que actúan como una máquina copiadora para permitir la producción de decenas a cientos de centriolos, permitiendo que estas células creen muchos cilios.

"Los deuterostomas solo están presentes en las células multiciliadas, y los científicos han pensado durante mucho tiempo que son fundamentales para determinar cuántos centriolos y cilios se forman", dice Holland.

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Para probar esto, Holland y su equipo desarrollaron un modelo de ratón que carecía del gen que crea los deuterostomas. Luego, analizaron los tejidos que transportan células multiciliadas y contaron sus cilios.

Los investigadores se sorprendieron al descubrir que los ratones genéticamente modificados tenían la misma cantidad de cilios en las células que los ratones con deuterostomas, descartando el papel central de los deuterostomas en el control de la cantidad de cilios. Por ejemplo, las células multiciliadas que recubren la tráquea tenían 200-300 cilios por célula. Los investigadores también encontraron que las células sin deuterostomas podrían formar nuevos centríolos tan rápido como las células que los contienen.

Con este sorprendente resultado en la mano, los investigadores diseñaron células de ratón que carecían tanto de deuterostomas como de centriolos primarios y luego contaron el número de cilios formados en células multiciliadas.

"Supusimos que sin centríolos padres y sin deuterostomas, las células multiciliadas no podrían crear la cantidad adecuada de cilios nuevos", dice Holland.

Sorprendentemente, dice Holland, incluso la falta de centríolos de los padres no tuvo ningún efecto en el número final de cilios. La mayoría de las células en los grupos normales y genéticamente modificados crearon entre 50 y 90 cilios.

"Este hallazgo cambia el dogma de lo que creemos que es la fuerza impulsora detrás del ensamblaje centríolo", explica Holland. "En lugar de necesitar una plataforma para crecer, los centriolos pueden crearse espontáneamente".

Si bien es poco común en los mamíferos, la llamada generación de centríolos de novo no es nueva en el reino animal. Algunas especies, como la pequeña planaria del gusano plano, carecen de centríolos parentales por completo y dependen de la generación de centríolos de novo para crear los cilios que usan para moverse.

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En otros experimentos con ratones genéticamente modificados, Holland descubrió que todos los centriolos creados espontáneamente se ensamblaron dentro de una región rica en células con material fibrogranular, los componentes de proteínas necesarios para construir un centriolo.

Él dice que sospecha que las proteínas que se encuentran en esa área poco comprendida de la célula contienen los elementos esenciales necesarios para construir centriolos y finalmente controlar el número de cilios que se forman. Todo lo demás, los deuteróstomos e incluso los centríolos primarios "no son estrictamente necesarios", dice.

"Creemos que los deuterostomas funcionan para aliviar la presión sobre los centriolos primarios de las demandas de hacer muchos centriolos nuevos, liberando centriolos primarios para cumplir otras funciones", dice Holland.

Una mejor comprensión de los mecanismos que limitan el número de cilios en las células humanas podría potencialmente avanzar en los esfuerzos para tratar los trastornos relacionados con los cilios, dijo, al identificar objetivos para las drogas.

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