Proteinele citoscheletice din nucleul celular afectează dezvoltarea creierului
Citoscheletul conferă celulelor forma și le ajută să se miște.
Cercetătorii de la Helmholtz Munich și de la Universitatea Ludwig Maximilian au descoperit că, în celulele stem neuronale, proteinele citoscheletului se găsesc și în nucleul celular, unde pot influența programele de dezvoltare. Folosind proteina MAP1B ca exemplu, aceștia explică modul în care această legătură, anterior subestimată, poate contribui la dezvoltarea anormală a creierului. Rezultatele sunt publicate în revista Cell.
În timpul dezvoltării creierului, celulele stem neuronale dau naștere treptat unor celule nervoase specializate. Este important nu doar ce tipuri de celule se formează, ci și când apar acestea și cum își găsesc locul în țesutul în dezvoltare, de exemplu, în cortexul cerebral. Cercetătorii au studiat adesea aceste procese pe două niveluri separate: în citoschelet, scheletul intern al celulei care permite forma și mișcarea, și în nucleu, unde sunt reglate programele genetice.
O echipă condusă de prof. Magdalena Götz, director al Institutului de Cercetare a Celulelor Stem de la Helmholtz Munich și profesor la Universitatea Ludwig Maximilian, arată acum că această separare este prea simplistă. În nucleele celulelor stem neuronale, cercetătorii au descoperit numeroase proteine ale citoscheletului. Surprinzător, aceste proteine erau prezente în nucleu în număr mare și par să fie implicate în programele de dezvoltare. Una dintre aceste proteine este MAP1B, a cărei mutații sunt legate de tulburări de dezvoltare a creierului.
Punctul de plecare al studiului a fost o analiză cuprinzătoare a proteinelor din celulele stem neuronale. Pentru a face acest lucru, cercetătorii au examinat separat nucleele celulelor și citoplasma – atât în celule din creierul embrionar de șoarece, cât și în celule stem neuronale umane generate în laborator din celule corporale reprogramate. „Ceea ce ne-a surprins nu a fost că am găsit proteine citoscheletice individuale în nucleu, ci numărul lor”, spune dr. Florencia Merino, primul autor al studiului și doctorand în laboratorul lui Götz în timpul desfășurării cercetării. Pentru o investigație suplimentară, echipa s-a concentrat asupra proteinei MAP1B. Motivul: mutațiile în MAP1B au fost descrise anterior la pacienți cu heterotopie periventriculară, o tulburare de dezvoltare în care unele celule nervoase din creier nu sunt localizate în poziția corectă.
Pentru a înțelege rolul MAP1B în celulele stem neuronale, echipa a studiat funcția proteinei separat în citoplasmă și în nucleu. Aceasta a relevat un contrast clar: în citoplasmă, MAP1B promovează diferențierea celulelor stem neuronale în celule nervoase. În nucleu, pe de altă parte, MAP1B ajută la menținerea stării de celulă stem neuronală pentru o perioadă mai lungă. „Funcția MAP1B depinde clar de compartimentul celular în care este activ”, afirmă Götz. „În citoplasmă și în nucleu, MAP1B se leagă de complexe proteice diferite – influențând astfel programe de dezvoltare diferite.”
Rezultatele schimbă perspectiva asupra heterotopiei periventriculare, în care unele celule nervoase nu sunt localizate unde ar trebui în timpul dezvoltării creierului. În loc să migreze în straturile neuronale, ele rămân sub acestea în locuri greșite. Până acum, cea mai evidentă explicație era că migrarea acestor celule nervoase era afectată. Însă noile experimente sugerează că dezvoltarea anormală începe mai devreme – anume în celulele stem neuronale din care derivă celulele nervoase: dacă mutațiile sau intervențiile experimentale perturbă funcția MAP1B deja în această etapă, celulele își mențin programul de celule stem pentru o perioadă mai lungă. Acest lucru duce la specificarea greșită a unor celule nervoase generate: unele migrează mai încet și nu ajung în poziția corectă.
Așadar, heterotopia periventriculară nu este doar o tulburare a migrației celulare. Rezultatele noastre arată că o dereglementare timpurie a identității celulelor provoacă boala.”
Pentru a examina legătura cu tulburarea mai în detaliu, echipa a studiat, de asemenea, modele celulare umane. Cercetătorii au generat mai întâi celule stem neuronale și apoi organoizi cerebrali tridimensionali – modele de laborator ale structurilor cerebrale timpurii. Aceste organoizi purtau mutații în proteina citoscheletică MAP1B, cunoscute de la persoanele cu heterotopie periventriculară. În modelele respective, MAP1B mutant s-a acumulat mai puternic în nucleu. În același timp, cercetătorii au găsit celule nervoase în organoizi în locuri unde acestea nu ar trebui să apară în timpul dezvoltării normale. Modelele reproduc astfel caracteristici cheie ale tulburării. „Aceasta susține presupunerea noastră că acumularea crescută a MAP1B în nucleu contribuie la dezvoltarea anormală”, afirmă Götz.
Dar ce anume schimbă MAP1B în nucleu? Cercetătorii au găsit un indiciu în complexul proteic BAF. Acesta influențează care regiuni ale ADN-ului sunt accesibile și, prin urmare, care gene pot fi citite. MAP1B se leagă de acest complex în nucleu. În celulele stem neuronale cu mutații asociate bolii în MAP1B, legarea unui component central al BAF la ADN a fost modificată: complexul a fost detectat mai puternic în regiunile din apropierea genelor implicate în starea de celule stem neuronale, mișcarea celulară și citoschelet. Drept rezultat, genele implicate în astfel de programe de dezvoltare ar putea fi citite la momente greșite sau la niveluri modificate. „Pentru noi, a fost crucial că MAP1B nu este doar prezent în nucleu”, spune Merino. „Acolo, este conectat la o mașinărie moleculară care reglează programele de dezvoltare.”
„Rezultatele noastre deschid o viziune mai largă asupra rolului citoscheletului în dezvoltarea celulară, dincolo de MAP1B”, afirmă Magdalena Götz. „Acestea sugerează că proteinele citoscheletului nu influențează doar forma și mișcarea celulelor, ci pot fi implicate și în reglementarea programelor de dezvoltare în nucleu.”
Echipa lui Götz intenționează acum să investigheze dacă alte proteine asociate citoscheletului au funcții similare în nucleu – și dacă mecanisme comparabile joacă un rol și în alte celule stem și procese de dezvoltare. Pe termen lung, această nouă înțelegere ar putea ajuta, de asemenea, la clasificarea mai precisă a tulburărilor de dezvoltare: nu doar în funcție de locul în care celulele sunt în cele din urmă situate, ci și în funcție de momentul și modul în care dezvoltarea lor este dereglată.
