Un equipo de investigadores del Instituto de Mecanobiología, Singapur (MBI) en la Universidad Nacional de Singapur, junto con colegas del Laboratorio de Ciencias de la Vida Temasek y del Instituto de Biología Celular y Molecular de A * STAR en Singapur, ha descubierto un mecanismo novedoso para establecer la polaridad celular que se basa en la agrupación de proteínas inducida por la fuerza de tensión. Este trabajo fue publicado en la revista científica Biología celular de la naturaleza en agosto de 2017.

Las fuerzas corticales inducen la agrupación de proteínas para la polarización celular

Las células biológicas se visualizan típicamente como redondas (o esféricas) en forma, con un núcleo centrado en el medio, y otros componentes celulares esparcidos por todas partes. En realidad, cada tipo de célula presenta una forma distinta, tamaño y composición. Representaciones de esferas simétricas es, en esencia, una simplificación excesiva que oculta el hecho de que casi todas las células son asimétricas en su composición, y que esta asimetría se desarrolla en pasos precisos y bien ordenados.

Conocido como polaridad celular, esta característica clave de las células ve la separación de los componentes subcelulares en distintas regiones de la célula. Si las celdas fueran simétricas, procesos como la división y el movimiento de las células no ocurrirían correctamente, y los tejidos y órganos se deformarían y no funcionarían. A pesar de ser parte integral del desarrollo del organismo, Los científicos aún tienen que definir completamente los procesos por los cuales las células se polarizan.

Una forma de visualizar la naturaleza asimétrica de la composición celular es pensar en los componentes de un automóvil y cómo están dispuestos. Algunas partes del automóvil deben ubicarse en un diseño equilibrado, por ejemplo las ruedas. Otros componentes deben disponerse en una orientación específica para que funcionen correctamente. es decir, el asiento del conductor debe estar ubicado delante de los asientos traseros del pasajero. Finalmente, Los componentes como el motor se pueden ubicar en la parte delantera o trasera del automóvil, y lo que es más importante, esta organización imparte diferentes propiedades al manejo del automóvil. Del mismo modo, la disposición de los componentes celulares puede tener efectos drásticos sobre la función celular.

Muchos de los estudios existentes sobre la polaridad celular se han llevado a cabo en el gusano nematodo C. elegans. En la etapa unicelular, el embrión se divide a lo largo de un eje frontal / posterior para generar dos células hijas de diferentes tamaños, con una celda más grande en la parte delantera y una celda más pequeña en la parte posterior. Este eje delantero / trasero se establece mediante el movimiento y la segregación de un grupo de proteínas conocidas como proteínas PAR (partición defectuosa).

Estas proteínas PAR residen en la corteza celular, una capa dinámica de filamentos de proteínas que se encuentra justo dentro de la membrana celular. Antes de la polarización, las proteínas PAR se distribuyen por toda la corteza, donde se mueven libremente. Durante la polarización, la corteza se contrae, y esto hace que diferentes proteínas PAR se separen y se acumulen en la parte delantera o trasera de la célula, rompiendo así su organización previamente simétrica y estableciendo polaridad a lo largo del eje delantero / trasero. Sin embargo, el mecanismo por el cual la actividad contráctil transporta y segrega las proteínas PAR sigue sin estar claro.

Flujo de tensión

El equipo de investigadores dirigido por el profesor asistente Fumio Motegi, Investigador principal del MBI y del Laboratorio de Ciencias de la Vida de Temasek, trató de responder a esta pregunta observando el movimiento de los complejos de proteínas PAR marcados con fluorescencia bajo el microscopio en embriones vivos de C. elegans a medida que se polarizaban. Usando técnicas avanzadas de microscopía, descubrieron que ciertas proteínas PAR se ensamblaban en grupos al comienzo de la polarización, y estos grupos crecieron en tamaño a medida que avanzaba la polarización. Una vez que se detuvo la contracción cortical, los racimos desmontados, con las proteínas extendiéndose como un gradiente a lo largo del eje delantero / trasero.

A pesar de estos hallazgos, los investigadores no observaron una conexión directa entre las fibras contráctiles y las proteínas PAR, y esto los llevó a plantear la hipótesis de que un efecto indirecto de la contracción era el responsable de la agrupación. Al interrumpir o reforzar la corteza de actomisina y observar el efecto sobre la formación de grupos, descubrieron que la fuerza clave que impulsaba la agrupación de PAR era la tensión cortical, que se desarrolló a medida que la corteza se contraía.

A partir de esto, los investigadores pudieron proponer un nuevo modelo que explicaba la segregación de proteínas PAR. Aquí, la contracción de la corteza de actomiosina conduce a un aumento de la tensión cortical, haciendo que las proteínas PAR se reúnan en grupos. A medida que estos grandes grupos se mueven lentamente, quedan atrapados en el flujo cortical general y se segregan en un extremo de la célula, estableciendo así la polaridad. Estos grupos segregados de proteínas PAR actúan luego como un andamio que media una acumulación local de otras proteínas necesarias para el establecimiento de los ejes delantero / trasero a lo largo del cuerpo.

El mecanismo descubierto en este estudio es un ejemplo simple pero elegante de cómo las células usan fuerzas internas para mover y organizar sus componentes proteicos de una manera precisa, manera bien ordenada. En tono rimbombante, El mecanismo impulsado por la fuerza descrito permite que la célula establezca la polaridad sin desperdiciar energía transportando activamente proteínas o componentes celulares contra un gradiente de concentración. Se cree que se utilizan mecanismos similares para romper la simetría en otros organismos, incluidos los humanos, y se espera que este nuevo conocimiento ayude a los científicos a comprender cómo y por qué la polaridad celular no se establece correctamente en enfermedades como la fibrosis quística y el cáncer.