Descubren nuevo mecanismo de división celular en embriones de peces cebra

La división celular es un proceso fundamental para la vida, pero su funcionamiento en las primeras etapas del desarrollo embrionario ha sido poco comprendido. Un grupo de investigadores de la Universidad Técnica de Dresde descubrió un mecanismo sorprendente que permite a las grandes células embrionarias dividirse sin formar un anillo contráctil completo, considerado esencial para esta tarea. Este hallazgo, publicado en la revista Nature, desafía los modelos tradicionales de los libros de texto al demostrar cómo los componentes del citoesqueleto y las propiedades físicas del interior celular (o citoplasma) colaboran a través de un mecanismo de "trinquete" para facilitar la división.

En muchos organismos, la división celular se realiza mediante la construcción de un anillo de proteína actina en el centro de la célula. Este anillo se aprieta como un cordón, separando la célula en dos células hijas. Aunque este modelo de "cordón de bolso" es ampliamente aplicable, no explica la división en especies con células embrionarias especialmente grandes, como tiburones, ornitorrincos, aves y reptiles. En estos casos, el tamaño de la célula y la presencia de un gran saco vitelino impiden que el anillo de actina se cierre por completo. Durante años, los investigadores se preguntaron cómo logran dividirse estas células de gran tamaño.

La investigadora Alison Kickuth, estudiante de doctorado del grupo de Brugués en el Cluster de Excelencia Física de la Vida (PoL), planteó la pregunta: "Con un saco vitelino tan grande en la célula embrionaria, ¿cómo puede un anillo contráctil, con extremos sueltos, permanecer estable y generar suficiente fuerza para dividir estas enormes células?" Los experimentos del equipo, reportados en Nature, ofrecen una respuesta.

Para investigar, los científicos se centraron en los embriones de peces cebra, que se desarrollan rápidamente y contienen células grandes y ricas en yema durante las etapas tempranas. Utilizando un láser para cortar con precisión la banda de actina, Alison descubrió que la banda continuaba moviéndose hacia adentro incluso después de ser cortada. Esto sugirió que estaba soportada a lo largo de su longitud en lugar de estar anclada solo en sus extremos.

El equipo también observó que los microtúbulos, otra parte clave del citoesqueleto, se doblaban y se expandían cuando se cortaba la banda de actina. Estas fibras parecían ayudar a estabilizar la banda a medida que se apretaba. Para probar su importancia, los investigadores interrumpieron los microtúbulos de dos maneras. Indujeron químicamente la despolimerización (efectivamente deteniendo la formación de nuevos microtúbulos) y físicamente interfirieron con ellos al insertar una pequeña gota de aceite como obstáculo. En ambos casos, la banda de actina colapsó sin microtúbulos, demostrando que estas estructuras proporcionan un soporte mecánico crucial y señales durante la formación y contracción de la banda.

Los investigadores también examinaron cómo la rigidez del citoplasma cambia durante el ciclo celular. Este ciclo incluye una fase mitótica (fase M), cuando se separa el ADN, y la interfase, cuando la célula crece y duplica su ADN. Después de la separación del ADN, grandes estructuras de microtúbulos llamadas asteres se expanden por todo el citoplasma. Durante la interfase, estos asteres ayudan a determinar dónde se formará la banda de actina, marcando el futuro sitio de división.

Como los microtúbulos pueden influir en la rigidez del citoplasma, los investigadores se preguntaron si los asteres podrían ayudar a anclar la banda de actina al endurecer el interior celular. Para medir esto, colocaron perlas magnéticas dentro de las células y rastrearon cómo se movían bajo fuerza magnética, lo que les permitió evaluar los cambios en la rigidez citoplasmática en diferentes etapas del ciclo celular.

Descubrieron que el citoplasma se vuelve más rígido durante la interfase, creando un andamiaje de soporte que estabiliza la banda de actina. Sin embargo, durante la fase M, el citoplasma se vuelve más fluido, permitiendo que la banda se mueva hacia adentro entre las dos células emergentes. Estos cambios entre rigidez y fluidez desempeñan un papel central en la habilitación de la división.

Un enigma permanecía. Si el citoplasma se vuelve más fluido durante la fase M, ¿cómo evita la banda de actina colapsar? Al rastrear los extremos de la banda a lo largo del tiempo, el equipo observó que se volvía inestable mientras se contraía durante la fase M, pero no fallaba por completo. En cambio, su retracción parcial es "rescatada" por la rápida velocidad de los ciclos celulares embrionarios tempranos.

Cuando la célula entra en la siguiente interfase y los asteres se reforman, el citoplasma se endurece nuevamente y estabiliza la banda. Luego, la banda continúa moviéndose hacia adentro durante la siguiente fase fluida. Este patrón de inestabilidad temporal seguido de una nueva estabilización se repite en varios ciclos celulares hasta que la célula se divide por completo. El proceso funciona como un "trinquete mecánico", avanzando gradualmente en la división sin requerir un anillo contráctil completamente cerrado. En lugar de completar la división en un solo ciclo, la célula lo logra paso a paso a través de estados físicos alternantes del citoplasma.

Jan Brugués, autor correspondiente del estudio, destacó: "El mecanismo de trinquete temporal altera fundamentalmente nuestra visión de cómo funciona la citocinesis". Los investigadores proponen que este mecanismo ofrece una solución efectiva para células embrionarias muy grandes que se dividen rápidamente y no pueden depender del modelo convencional.

Alison concluyó: "Los peces cebra son un caso fascinante, ya que la división citoplasmática en sus células embrionarias es inherentemente inestable. Para superar esta inestabilidad, sus células se dividen rápidamente, permitiendo la ingresión de la banda a través de varios ciclos celulares alternando entre estabilidad y fluidificación hasta que la división se completa".

Este trabajo introduce un nuevo marco para comprender la división celular en embriones grandes y ricos en yema, y podría aplicarse a muchas especies ovíparas. También resalta la importancia de los cambios temporales precisos en las propiedades materiales del citoplasma para controlar los procesos celulares. Hallazgos como estos podrían cambiar la forma en que los científicos estudian el desarrollo temprano en diferentes organismos.

Financiamiento: Este estudio fue apoyado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fundación Alemana de Investigación) bajo la Estrategia de Excelencia de Alemania -- EXC-2068-390729961- Cluster de Excelencia Física de la Vida de la TU Dresden. Los investigadores también recibieron apoyo de la subvención 'Vida' de Volkswagen número 96827.

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