O echipă de oamenii de ştiinţă de la Harvard a aflat mecanismul care stă în spatele dezvoltării celulelor stem pluripotente adulte, care permite anumitor specii de animale să se regenereze în totalitate atunci când suferă leziuni.
Celulele stem suntconsiderate de oamenii de ştiinţă „o minune biologică”. Ele pot repara, restaura, înlocui şi regenera orice tip de celulă din organism.
La majoritatea animalelor şi oamenilor, aceste celule sunt limitate în ceea ce priveşte regenerarea lor la tipul de celule cărora le sunt atribuite, de exemplu, celulele stem de păr vor produce doar păr, celulele stem intestinale vor face doar intestine, şi aşa mai departe.
Multe nevertebrate cu origini înrudite au populaţii de celule stem care sunt pluripotente la animalele adulte, ceea ce înseamnă că pot regenera practic orice tip de celule lipsă din respectivul organism, un proces numit regenerarea întregului corp.
Chiar dacă aceste celule stem pluripotente adulte (aPSC) se găsesc la multe tipuri diferite de animale (cum ar fi bureţi, hidre, viermi platelminţi, viermi acoela – Acoelomorpha, şi unii sea squirts), modul prin care iau naştere nu este cunoscut la nicio specie.
Într-un studiu publicat, joi, în Cell, cercetătorii de la Departamentul de Biologie Organismică şi Evolutivă a universităţii Harvard au identificat mecanismul celular şi traiectoria moleculară în cazul formării aPSC la viermele acoel, Hofstenia miamia.
Viermele marin H. miamia, cunoscut şi sub numele de viermele panteră, este o specie care se poate regenera complet folosind celule stem pluripotente adulte aPSC numite „neoblaste”. Dacă tăiem un vierme H. miamia în bucăţi, fiecare bucată va creşte ca un vierme nou, întreg, cu gură şi creier.
Autorul principal al recentului studiu, profesorul Mansi Srivastava, a colectat H. Miamia de pe teren interesat de capacităţile sale de regenerare. În laborator, viermii H. miamia au început să producă mulţi embrioni care au putut fi studiaţi cu uşurinţă.
Într-o cercetare anterioară, prof. Srivastava a dezvoltat un protocol pentru transgeneza viermilor H. miamia.
Transgeneza este un proces care introduce un element în genomul unui organism care în mod normal nu face parte din acel genom.
Această metodă i-a permis lui, Julian O. Kimura, unul dintre autorii studiului să descopere modul în care sunt produse aceste celule stem.
„O caracteristică comună printre animalele care se pot regenera este prezenţa celulelor stem pluripotente în corpul adult”, a explicat Kimura.
Aceste celule sunt responsabile pentru refacerea părţilor corpului atunci când animalul este rănit. Înţelegând modul în care animale precum H. miamia produc aceste celule stem, ar putea oferi o explicaţia căutată de cercetători, în privinţa capacităţii acestor animale de a se regenera.
Există unele caracteristici unificatoare ale acestor populaţii de celule stem din animalele adulte, cum ar fi expresia unei gene numită Piwi. Dar la nicio specie până acum, nimeni nu a reuşit să-şi dea seama în primul rând, cum sunt produse aceste celule stem.
„Au fost studiate în mare parte în animalele adulte, şi la unele specii ştim puţine despre cum ar putea funcţiona, dar nu ştim cum sunt produse”, a spus prof. Srivastava.
Cercetătorii ştiau că puii de viermi conţin aPSC, aşa că s-au gândit că aceste celule stem ar putea lua naştere în timpul embriogenezei.
Folosind transgeneza, echipa de la Harvard a creat o linie celulară în care a introdus proteine Kaede, ceea ce a făcut ca celulele embrionare transgenice să strălucească în verde fluorescent. Kaede este o proteină foto-convertibilă, şi strălucirea unui fascicul laser cu o lungime de undă foarte specifică de verde o va determina să-şi schimbe culoarea în roşu.
Bombardând celulele cu lumină laser va determina celulele verzi ale embrionului să capete culoarea roşie.
„Folosirea animalelor transgenice cu conversie foto este o procedură foarte nouă pe care am conceput-o în laborator pentru a ne da seama de evoluţia celulelor embrionare”, a precizat prof. Srivastava.
(foto: o pereche de celule în stadiul de 16 celule embrionare - în roşu; în timp, celulele se împart pentru a forma mai multe celule, intră în interiorul embrionului şi formează celulele stem ale viermelui eclozat)
Cercetătorii au aplicat această metodă pentru a trasa linia genealogică lăsând embrionii să crească şi urmărind ce se întâmplă.
Echipa a urmărit dezvoltarea embrionului pe măsură ce acesta s-a înmulţit pornind de la o singură celulă la mai multe celule. Diviziunea timpurie a acestor celule este marcată de diviziune stereotip, ceea ce înseamnă că celulele embrionului se divid după acelaşi model, astfel încât celulele pot fi denumite şi studiate în mod consecvent. Cel mai probabil, aest lucru face posibil ca fiecare celulă să aibă un scop unic.
De exemplu, în stadiul de opt celule este posibil ca celula din colţul din stânga sus să producă un anumit ţesut, în timp, ce celula de jos, din dreapta, să producă un alt tip de ţesut.
Pentru a determina funcţia fiecărei celule, echipa a efectuat sistematic experimente de foto-conversie pentru fiecare dintre celulele embrionului timpuriu, creând o hartă completă a evoluţiei acestora până la stadiul de opt celule. Apoi a urmărit celulele în timp ce viermele a crescut într-un adult care încă purta eticheta roşie.
Procesul repetitiv de a urmări fiecare celulă individuală din nou şi din nou pe mai mulţi embrioni a făcut posibilă urmărirea modului în care funcţionează fiecare celulă.
La embrionul cu şaisprezece celule, cercetătorii au găsit o pereche foarte specifică de celule care au dat naştere la celule care păreau a fi neoblaste.
„Acest lucru ne-a entuziasmat cu adevărat”, a spus Kimura, „dar mai exista posibilitatea ca neoblastele să apară din surse multiple în embrionul timpuriu, nu doar din cele două perechi găsite în stadiul de şaisprezece celule.
(foto: imagini care arată modul în care celulele individuale ale embrionului s-au transformat în mod specific şi sistematic în culoare roşie datorită procesului de transgeneză folosit în acest studiu)
Găsirea celulelor care, în aparenţă, seamănă pur şi simplu cu celulele neoblaste nu a fost o dovadă definitivă că acestea sunt cu adevărat neoblaste, trebuia să arătăm că se şi comportă ca neoblastele, a mai precizat savantul.
Pentru a fi siguri, oamenii de ştiinţă au testat acest set special de celule, numit 3a/3b în viermii H. miamia. Pentru a fi neoblaste, celulele trebuie să îndeplinească toate proprietăţile cunoscute ale celulelor stem.
Cercetătorii au vrut să vadă dacă descendenţa acestor celule formează ţesut nou în timpul regenerării. Ei au descoperit că doar descendenţii acelor celule au creat ţesut nou în timpul regenerării.
O altă proprietate definitorie a neoblastelor este nivelul de expresie al genelor în celulele stem, care trebuie să aibă sute de gene exprimate.
Pentru a determina dacă 3a/3b se potriveşte cu această proprietate, oamenii de ştiinţă au luat generaţia 3a/3b care strălucea în roşu şi toate celelalte celule strălucitoare verzi şi au folosit o tehnologie de sortare care a separat celulele roşii şi cele verzi.
Apoi au aplicat tehnologia de secvenţiere cu o singură celulă pentru a afla care gene sunt exprimate în celulele roşii şi care în celulele verzi. Aceste date au confirmat că, la nivel molecular, numai descendenţii celulelor 3a/3b se potrivesc cu celulele stem, dar nu şi descendenţii oricărei alte celule.
„Aceasta a fost confirmarea definitivă asupra faptului că am găsit sursa celulară a populaţiei de celule stem în sistemul nostru”, a declarat Kimura.
Identificarea sursei celulare a celulelor stem le-a oferit cercetătorilor o modalitate de a captura celulele pe măsură ce acestea se maturizează pentru a defini ce gene sunt implicate în producerea lor.
Echipa a generat un set imens de date despre dezvoltarea embrionară la nivel de celulă unică, care detaliază genele care au fost exprimate în toate celulele din embrioni de la începutul până la sfârşitul dezvoltării. Ei au permis celulelor 3a/3b convertite să se dezvolte mai departe, dar nu până la stadiul de ecloziune. Apoi au capturat aceste celule folosind tehnologia de sortare, pentru a defini în mod clar care gene au fost exprimate în mod specific în descendenţii celulari care formează celulele stem.
„Studiul nostru identifică un set de gene care ar putea fi reglatori foarte importanţi în procesul de formare formare a celulelor stem”, a explicat Kimura.
„Omologii acestor gene au roluri importante în celulele stem umane şi acest lucru este relevant pentru toate speciile”, a precizat savantul.
Cercetătorii intenţionează să continue explorarea mai în profunzime a modului în care aceste gene funcţionează în celulele stem din viermii Hofstenia miamia, ceea ce îi va ajuta să poată spune cum a evoluat natura pentru a produce şi menţine celule stem pluripotente.
Cunoaşterea reglatorilor moleculari ai acestor celule (aPSC) va permite cercetătorilor să compare aceste mecanisme între specii, şi eventual să identifice modul în care celulele stem pluripotente au evoluat la animale.
