Cercetări recente explică modul în care embrionii stabilesc limitele celulelor germinale
Fiecare embrion al unui organism care se reproduce sexual se confruntă cu o decizie timpurie, dar crucială: care dintre liniile celulare va forma corpul muritor și care va deveni linia germinală, adică acea linie care va produce în final ovule sau spermatozoizi și va transporta informația genetică către generația următoare.
Dacă această alegere este greșită, un organism poate trăi, dar nu va putea reproduce, iar evoluționist, va înceta să existe.
Embriile de muscă de fructe, la fel ca majoritatea embrionilor, încep ca o mega-celulă, ovulul fertilizat, plin de ingredientele necesare dezvoltării viitoare. Ce le deosebește pe cele de muscă de fructe este că nu toate celulele se formează în același timp. Înainte ca majoritatea embrionului să fie subdivizat în celule individuale, un mic grup de celule care vor produce în final ovule sau spermatozoizi începe deja să se formeze.
Aceste celule germinale primordiale apar la extremitatea posterioară a embrionului, unde mici muguri se ridică de pe suprafața sa și se desprind de interiorul comun.
Un nou studiu realizat în laboratorul director al Institutului Whitehead, Ruth Lehmann, arată că acest proces depinde de pregătirile făcute înainte ca mugurii să apară. Cercetătorii au descoperit că o proteină, numită în mod potrivit Germ Cell-less (GCL), produsă la posterior, organizează o regiune distinctă a membranei embrionului pentru ca mașinăria moleculară necesară separării viitoarelor celule germinale să se poată asambla.
Rezultatele, publicate pe 22 iulie în Journal of Cell Biology, arată cum organizarea locală a lipidelor, molecule care formează membranele celulare, ajută la stabilirea unei limite între linia germinală și celulele somatice sau celulele corpului. Această separare este esențială pentru capacitatea animalului de a produce descendenți.
Modul în care începe această separare depinde de locație. Pe măsură ce nucleele embrionului călătoresc spre suprafața sa, doar cele care ajung la posterior devin celule germinale, fiecare sigilându-se într-o membrană și desprinzându-se de restul embrionului ca una dintre primele sale celule adevărate. Germplasma, un material specializat pe care mama îl depozitează la extremitatea posterioară, poartă factorii care diferențiază aceste celule.
Lucrări anterioare din laboratorul Lehmann au arătat că GCL este esențial pentru acest proces de desprindere. GCL direcționează mașinăria de eliminare a proteinelor a celulei pentru a recunoaște și distruge Torso, un receptor care transmite semnale din suprafața embrionului. Torso este cunoscut în special pentru rolul său în soma, unde declanșează o cascadă de semnalizare activând genele necesare pentru dezvoltarea capului și a cozii. Fără GCL, Torso rămâne activ la extremitatea posterioară, iar celulele germinale nu se formează, de obicei. Totuși, ceea ce făcea Torso pentru a interfera cu procesul rămânea neclar, deoarece niciunul dintre semnele caracteristice ale căilor sale de activare a genelor nu părea implicat.
Pentru a urmări semnalul în aval de Torso, echipa, inclusiv autorul principal Mariyah Saiduddin, a realizat experimente genetice, imagistică în timp real și optogenetică (o metodă care folosește lumina pentru a activa sau dezactiva activitatea proteinelor cu o precizie temporară și spațială). Rezultatele au dezvăluit un rol neașteptat și surprinzător pentru Torso în dezvoltarea timpurie: activarea unei enzime numite PI3K. Această enzimă produce PIP3, un lipid de semnalizare încorporat în membrana embrionului.
Colaborând cu Centrul de Inovație în Microscopie W.M. Keck de la Whitehead, cercetătorii au dezvoltat abordări de analiză a imaginilor pentru a măsura modificările subtile ale semnalelor PIP3 în embrioni vii în timp real.
Într-un embrion normal, PIP3 era abundent aproape de extremitatea posterioară, dar exclus din regiunea unde se formează celulele germinale. Fără GCL, PIP3 s-a extins în acea regiune. Creșterea experimentală a activității PI3K a redus semnificativ formarea celulelor germinale, în timp ce reducerea acesteia a permis formarea de celule suplimentare. Lipidul a acționat ca un comutator chimic: cu nivelurile de PIP3 reduse prin acțiunea GCL, Myosin II, o proteină motorie care generează forță contractilă, s-a asamblat într-o structură de tip inel pentru a strânge fiecare mugur care se desprinde de membrana embrionului la baza sa, separând fiecare celulă germinală în dezvoltare de restul embrionului. Cu prea mult PIP3 pe membrană, structura Myosin nu a fost capabilă să se asambleze, mugurii s-au aplatizat, iar celulele germinale nu s-au format.
„Ceea ce a fost surprinzător a fost că membrana era deja pregătită înainte ca nucleele să ajungă la ea”, spune Saiduddin. „Ne-am gândit că formarea celulelor germinale începe atunci când nucleele ajung la suprafață, dar GCL acționează mai devreme, împiedicând acumularea PIP3 în avans.”
Această cercetare arată că limita dintre soma și linia germinală nu este trasată prin activarea sau dezactivarea genelor în embrionul timpuriu, ci depinde, în parte, de modelarea locală a chimiei membranelor celulare. În Drosophila, relația antagonistică dintre Torso și distrugătorul său, GCL, determină unde în membrană sunt poziționate moleculele de semnalizare înainte ca embrionul să înceapă să se dezvolte. Aceasta, la rândul său, oferă constrângeri asupra locului unde se exercită forța mecanică pentru a forma și a desprinde o nouă celulă, ajutând astfel la specificarea destinației celulelor germinale.
„Prin reglementarea compoziției lipidice imediat după ce un ou este depus, se stabilesc limite care controlează destinația celulelor”, afirmă Lehmann.
Pentru căile de semnalizare implicate aici sunt conservate sau prezente în întreaga regn animal, această lucrare oferă indicii mai largi despre modul în care cascadele de semnalizare locale pot organiza lipidele membranei și modela comportamentul și soarta celulelor, dincolo de muștele de fructe.
De asemenea, studiul ridică noi întrebări despre de ce embrionul folosește mai mult de un mecanism pentru a proteja celulele germinale de semnalele care altfel le-ar împinge spre o soartă somatică.
„Aceasta este o ilustrare frumoasă a științei descoperirii”, spune Lehmann. „Rezolvăm o enigmă, doar pentru a realiza că există atât de mult mai mult pe care nu îl înțelegem.”
