El «metro rápido» del sistema nervioso en desarrollo

Los científicos del St. Jude Children's Research Hospital han descubierto que los citonemas (protuberancias delgadas, largas y parecidas a pelos en las células) son importantes durante el desarrollo neuronal. Los citonemas conectan células que se comunican a grandes distancias pero que son difíciles de capturar mediante un examen microscópico en los tejidos de los vertebrados en desarrollo. Los investigadores son los primeros en encontrar una manera de visualizar cómo los citonemas transmiten moléculas de señalización durante el desarrollo del sistema nervioso de los mamíferos. Los resultados fueron publicados en celúla.

Hemos demostrado que los citonemas son una vía directa para la transducción de señales. Las células necesitan comunicarse entre sí durante el crecimiento y la homeostasis de los tejidos y pueden llegar a algo más que a sus vecinas. Hemos identificado una forma en la que las señales se cargan en los citonemas para su transmisión a poblaciones de células efectoras y hemos demostrado que el patrón tisular no se produce correctamente cuando este patrón de dispersión de señales se ve comprometido.

Stacey Ogden, Ph.D., Autor correspondiente, Departamento de Biología Celular y Molecular de St. Jude

La entrega rápida de señales prepara el sistema nervioso para el éxito

Los investigadores del laboratorio de Ogden fueron los primeros en visualizar citonemas de mamíferos en el sistema nervioso en desarrollo combinando técnicas de microscopía modernas con preparaciones de muestras optimizadas.

«Durante mucho tiempo, visualizar estas estructuras en el tejido de los mamíferos en desarrollo ha sido difícil», dijo Ogden. «Pero finalmente encontramos una manera».

Utilizando sus nuevos métodos, los científicos capturaron imágenes de cómo los citonemas funcionan como un sistema «rápido» que puede omitir células superpuestas para enviar señales directamente a células más alejadas, similar a un metro expreso que solo para en las estaciones principales. Una estación clave es la notocorda, que produce una señal que desempeña un papel crucial en la regulación del desarrollo de la médula espinal. El equipo de Ogden capturó imágenes del proceso de transporte que se produce en los citonemas que emergen de la notocorda.

Cuando los investigadores bloquearon la entrada de proteínas de señalización a los citonemas, el desarrollo neuronal se vio interrumpido en los modelos de ratón, lo que provocó importantes defectos neurológicos.

«Esta es la primera evidencia de transferencias dependientes de citonemas que ocurren durante el desarrollo de tejidos complejos de mamíferos como el tubo neural», dijo Ogden. «Luego demostramos que cuando reducimos el número de citonemas o reducimos la capacidad de las células para cargar proteínas de señalización en estas estructuras, obtenemos defectos de crecimiento».

El transporte de citomemas ayuda a determinar el gradiente.

El desarrollo de los mamíferos es un proceso cuidadosamente dirigido que debe coordinarse para que todos los órganos y tejidos se formen correctamente. Una forma en que las células saben cuándo adoptar un destino específico es respondiendo a distintos umbrales de proteínas de señalización llamadas morfógenos. Las células responderán de manera diferente a estas señales a través de un gradiente de señal, adquiriendo diferentes propiedades en respuesta a concentraciones altas y bajas de un morfógeno particular. Una buena progresión es esencial para el desarrollo; Una mala calificación puede causar un desastre.

A pesar de su importancia, sigue siendo un misterio cómo se generan estos patrones de morfógenos en dominios celulares organizados. La difusión simple puede explicar algunos de estos gradientes, pero no todos. El déficit neuronal que surgió cuando los científicos bloquearon la entrada de señales a los citonemas proporciona evidencia que respalda un papel clave de la señalización de los citonemas durante el patrón morfógeno.

«Este déficit es en realidad la primera evidencia directa de que la señalización dependiente de citonemas desempeña un papel importante durante la formación del tubo neural», dijo Ogden.

Transmisión de Sonic the Hedgehog a través de citonemas

El grupo de St. Jude ha demostrado una forma en la que se genera el gradiente morfógeno Sonic hedgehog en el tubo neural. Ya se sabía que Sonic hedgehog era una importante molécula de señalización en el desarrollo neuronal, pero era difícil determinar su ruta hasta las células diana. El estudio identificó a los citonemas como los principales contribuyentes a la resolución que crea el gradiente de señalización de Sonic Hedgehog. Por el contrario, cuando Sonic hedgehog no se puede cargar en los citonemas, su función de señalización se ve comprometida.

«En el campo de la investigación de la señalización de morfógenos, siempre hemos querido saber cómo llega una señal de una población de células para propagarse a través de una población de células receptoras para formar un gradiente», dijo Odgen. «Es realmente emocionante demostrar que las células que producen señales de morfógeno desempeñan un papel activo a la hora de llevarlas a donde necesitan ir a través de los citonemas. La célula de señalización no sólo produce el morfógeno, sino que también ayuda a comunicar la señal».

Lo que no está claro es hasta qué punto está generalizado el transporte rápido de proteínas de señalización al citonema.

«Aquí utilizamos a Sonic the Hedgehog como modelo», dijo Ogden. «Pero también tenemos evidencia de que estas estructuras pueden ser importantes para transmitir otras señales que son cruciales durante el desarrollo del tubo neural. Ahora que hemos desarrollado un sistema para visualizar estos citonemas, podemos comenzar a descubrir el verdadero alcance de su función».

Autores y financiación

El primer autor del estudio es Eric Hall de St. Jude. Otros autores del estudio son Miriam Dillard, Elizabeth Cleverdon, Yan Zhang, Christina Daly, Shariq Ansari, Randall Wakefield, Daniel Stewart, Shaundra Pruitt-Miller, Alfonso Lavado, Alex Carisi, Amanda Johnson, Yongdong Wang, Emma Sellner y Michael Tanis. . y Young Sang Ryu, Kaminzind Robinson y Jeffrey Steinberg, todos de St. Jude.

El estudio fue apoyado por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud (R35GM122546 y F31HD110256), el Instituto Nacional del Cáncer (P30CA021765 St. Jude Cancer Center Support Grant) y ALSAC, la organización de concientización y recaudación de fondos de St. Jude.