Cada especie a su ritmo

El reloj del desarrollo de las células humanas y de los ratones funciona a velocidades diferentes

 

Científicos del Centro de Investigación de Dinámica de Biosistemas RIKEN, del EMBL Barcelona, ​​de la Universitat Pompeu Fabra y de la Universidad de Kyoto han descubierto que la señal rítmica del “reloj de segmentación”, una red de genes que gobierna la formación secuencial del patrón corporal en embriones, late más lento en humanos que en ratones. La diferencia se debe a que algunas reacciones bioquímicas en las células humanas progresan a un ritmo menor.

 

UPF / En la fase inicial del desarrollo de los vertebrados, el embrión se desarrolla en una serie de segmentos que finalmente se diferencian en varios tipos de tejidos, como músculos o huesos. Este proceso se rige por un proceso bioquímico oscilante, conocido como “reloj de segmentación”, que varía en velocidad según la especie. En ratones, cada oscilación del reloj de segmentación tarda unas dos horas, mientras que en las células humanas tarda cinco horas. Sin embargo, sigue siendo un misterio el motivo por el cual la duración de este ciclo es diferente entre las distintas especies.

En ratones, cada oscilación del reloj de segmentación tarda unas dos horas, mientras que en las células humanas tarda cinco horas

Para resolver este enigma, los investigadores han utilizado células madre embrionarias de ratón y células madre pluripotentes inducidas humanas (iPS). Ambas tienen la capacidad de especializarse para formar otros tipos de células en el cuerpo. Los científicos las han transformado en un tipo celular conocido como mesodermo presomítico (PSM), cuyo desarrollo está regido por el ¨reloj de segmentación¨.

Primero, los científicos han estudiado si la diferencia en la frecuencia de oscilación entre los dos tipos de células se debe a la forma en la que las células se comunican entre sí, o si el origen de la discrepancia se encuentra en los procesos bioquímicos dentro de cada célula. Mediante experimentos de aislamiento de células o de bloqueo de señales importantes, se han dado cuenta de que son los procesos bioquímicos dentro de las células los que causan las diferentes frecuencias.

Una vez confirmado que los procesos clave que gobiernan las oscilaciones del reloj de segmentación ocurren dentro de las células, los investigadores comenzaron a sospechar que la diferencia en los ritmos de desarrollo podría deberse a un gen llamado HES7. Sin embargo, para su sorpresa, una serie de experimentos en los que intercambiaron los genes HES7 entre células humanas y células de ratón no afectó la duración del ciclo.

Velocidades de reacción bioquímica diferentes explican por qué los ratones se desarrollan más rápido que los humanos

“No haber sido capaces de mostrar una diferencia en la expresión génica nos dejó con la única posibilidad de que la diferencia en la frecuencia de oscilación se debiera a las diferentes reacciones bioquímicas dentro de las células”, comenta Miki Ebisuya, quien actualmente se desempeña como líder de grupo en EMBL Barcelona , ​​y que ha realizado el trabajo en el RIKEN BDR y en el EMBL.

Pero, ¿en qué consisten exactamente estas diferencias? Para averiguarlo, el equipo ha examinado la tasa de degradación de la proteína HES7, que desempeña un papel clave en el ciclo de oscilación, tanto en ratones como en humanos. Y han observado que la proteína HES7 se degrada más lentamente en células humanas que en células de ratón. También han descubierto que el tiempo que tardan las células en transcribir el gen HES7 en ARN mensajero (ARNm), procesar la molécula de ARNm y traducirlo en proteínas es significativamente diferente. “De este modo, hemos podido demostrar que es el entorno celular de las células humanas y de ratón el que marca la diferencia en las velocidades de reacción bioquímica y, por tanto, en las escalas de tiempo implicadas”, asevera Ebisuya.

 

Hacia una mejor comprención del desarrollo de los vertebrados

Como explica Ebisuya, sus observaciones han llevado a los científicos a desarrollar el concepto de “alocronía del desarrollo”, un término que significa que algo se desarrolla en escalas de tiempos diferentes.

“Nuestro estudio nos ayudará a comprender el complicado proceso a través del cual se desarrollan los vertebrados”, añade Ebisuya. “Una de las preguntas clave que queda pendiente y que nos gustaría responder es a qué se deben exactamente las diferencias en las tasas de reacción en las células humanas y en las de ratón. Queremos arrojar luz sobre este misterio en un futuro próximo”.

Referencia bibliográfica: 
Matsuda, M et al. Science, published online 18 September 2020. DOI: 10.1126/science.aba7668.

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