Células que cambian de identidad
En el desarrollo de un embrión, las células, en muy poco tiempo, van cambiando su identidad para conformar los diversos tejidos que componen un organismo. Para que ese cambio se desencadene, parece fundamental la duplicación del ADN, pues si este proceso resulta inhibido, las células no pueden iniciar el cambio. Así lo propone un trabajo reciente llevado a cabo por investigadores argentinos.
La figura muestra células en proceso de diferenciación en las que puede visualizarse en qué fase del ciclo celular se encuentran, mediante la expresión de proteínas reporteras.
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Desde el momento en que un óvulo se une con un espermatozoide y se forma la célula huevo, ésta comienza a dividirse, y las células hijas irán, cada una a su debido tiempo, emprendiendo un complejo camino para tomar una nueva identidad y función. Así se van formando los distintos tejidos que componen todo organismo vivo.
Pero ¿cómo es el paso a paso de ese proceso? Ahora, un equipo de investigadores puede aportar una respuesta. En efecto, lograron analizar en detalle cómo una célula comienza a sufrir modificaciones, y observaron también cuál es el mecanismo que regula ese proceso.
Cuando se desencadena el cambio de identidad celular, se enciende un conjunto de genes que estaban apagados, y se apaga otro conjunto de genes. Lo que observaron los investigadores, en cultivos de células embrionarias de ratón, es que ese proceso se ve interferido si se inhibe la división celular y la duplicación del ADN.
“Trabajamos en células madre embrionarias de ratón, y estudiamos la diferenciación de estas células a otros tipos celulares”, afirma Ariel Waisman, becario doctoral en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, y primer autor del trabajo que se publica en Journal of Molecular Biology. Y agrega: “Estas células cambian en cuestión de horas, de hecho, en 19 días un óvulo fecundado da origen a un ratón”.
Encendido y apagado
Una célula madre tiene una determinada identidad según qué genes estén activados, es decir, se estén expresando. En otras células, se activa otro conjunto de genes. Cuando una célula se diferencia y se encienden y apagan genes, se producen, al mismo tiempo, cambios en la forma en que está enrollado el ADN junto con un conjunto de proteínas en la cromatina, sustancia básica de los cromosomas. La cromatina puede estar más comprimida o más abierta, y de ello depende que los genes puedan expresarse o no. Es como si fuera un collar, y las perlas fueran las proteínas; ese collar puede estar más o menos enrollado. Ese conjunto de ADN y proteínas es lo que se conoce como epigenoma.
Lo que llamó la atención de los investigadores fue que la estructura de la cromatina y los cambios en la expresión de los genes se realiza en forma muy coordinada y rápida a lo largo de la diferenciación celular, y se preguntaron cómo se regula todo el proceso. “Nuestra hipótesis era que la diferenciación celular podría estar acoplada a los procesos normales de duplicación del ADN”, señala Waisman.
Por su parte, Alejandra Guberman, que lidera el grupo de investigación, en el Instituto de Química Biológica (IQUIBICEN) de UBA y CONICET, sostiene: “Para que todo un conjunto de genes comience a expresarse y otros se repriman, se requiere una reorganización de la cromatina. Nuestra hipótesis es que esto no podía ocurrir en cualquier momento, sino en determinadas etapas del ciclo celular en las que se reorganiza la estructura de la cromatina a nivel global, como durante la replicación del ADN y la división celular”.
Camila Vázquez Echegaray, Alejandra Guberman, María Soledad Cosentino y Ariel Waisman.
Y agrega: “Dado que todo sucede con gran velocidad, elegimos un modelo que permite en poco tiempo estudiar un cambio muy rápido entre dos estados muy distintos”.
Sincronización
El objetivo era confirmar que la duplicación del ADN es necesaria para que se desencadene la diferenciación. Pero, para poder observar esos procesos en una población celular, es necesario que el ADN de todas las células se duplique al mismo tiempo.
Como paso previo para la sincronización, los investigadores debían detectar en qué posición del proceso se encontraba cada célula.“Por un lado, empleamos un marcador que expresa diferentes proteínas fluorescentes según la posición de cada célula en el ciclo celular. Una célula que se acaba de dividir tiene un determinado color y, a medida que progresa, expresa distinta combinación de colores”, explica Waisman.
Ahora bien, para la sincronización era necesario un equipo denominado citómetro, que debía reunir determinadas características. Para ello, Waisman realizó una estadía en la Universidad Rockefeller, en Nueva York, Estados Unidos.
Una vez que las células del cultivo estuvieron sincronizadas, los investigadores inhibieron la división celular y comprobaron que ésta no era fundamental para la diferenciación celular, sólo se veían afectados algunos genes. Luego inhibieron la duplicación del ADN, y en este caso pudieron comprobar que el cambio de identidad, es decir la diferenciación, no se producía.
“Lo que vimos fue que, efectivamente, cuando bloqueábamos la replicación del ADN, el cambio celular no ocurría, se bloqueaba. Y los genes que tenían que encenderse no lo hacían”, destaca Waisman.
El cultivo celular era observado a lo largo de 36 horas, lapso en el cual las células tenían que transitar por un cambio en su identidad y forma. Al respecto, Waisman relata: “En mi estadía en Nueva York, mi vida dependía del experimento. Dormía dos horas, y luego me despertaba para controlar el proceso, y las pruebas se repitieron más de diez veces, con diferentes variantes”.
Si bien se trata de una investigación básica, comprender el mecanismo de cómo una célula transita de una identidad a la siguiente puede ser fundamental para entender el desarrollo embrionario y cómo una célula puede dar lugar a un organismo entero.
“Si se piensa en obtener tipos celulares con el fin de tratar distintas enfermedades, resulta necesario conocer muy bien los mecanismos de la diferenciación celular”, sostiene Guberman.
Por su parte, Waisman completa: “El cambio de identidad celular es relevante, por ejemplo, en el caso de la transformación maligna de las células”.
Las células también pueden recorrer el camino inverso a la diferenciación, y llegar a convertirse en células pluripotentes. El hallazgo de ese proceso le valió al investigador japonés Shinya Yamanaka el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2012 junto al británico John Gurdon.
“El campo de la diferenciación y desdiferenciación celular es importante en las terapias regenerativas”, señala Waisman. De este modo se podrían “fabricar” células madre a partir de una célula diferenciada.
“Para obtener células compatibles con el paciente que las necesite, se podría desdiferenciar una célula y llevarla hacia el tipo de tejido necesario, pero el proceso de generar células pluripotentes es aún muy ineficiente, y todavía no se sabe en detalle cuál es el mecanismo”, concluye Guberman.
