Ricerca

Come le cellule costruiscono gli organismi

Il meccanismo di controllo chiave consente alle cellule di formare tessuti e strutture anatomiche nell’embrione in via di sviluppo

Al microscopio, le prime ore di vita di ogni organismo multicellulare sembrano incongruamente caotiche. Dopo la fecondazione, un uovo unicellulare una volta tranquillo si divide ancora e ancora, diventando rapidamente un mosh pit visivamente tumultuoso di cellule che lottano per la posizione all’interno dell’embrione in rapida crescita.

Tuttavia, in mezzo a questo apparente pandemonio, le cellule iniziano ad auto-organizzarsi. Presto emergono schemi spaziali, che servono come base per la costruzione di tessuti, organi e strutture anatomiche elaborate dal cervello alle dita dei piedi e tutto il resto. Per decenni, gli scienziati hanno studiato intensamente questo processo, chiamato morfogenesi, ma rimane per molti versi enigmatico.

Ora, i ricercatori della Harvard Medical School e dell’Istituto di scienza e tecnologia (IST) Austria hanno scoperto un meccanismo di controllo chiave che le cellule utilizzano per auto-organizzarsi nelle prime fasi dello sviluppo embrionale. I risultati, pubblicati su Science il 2 ottobre, fanno luce su un processo fondamentale per la vita multicellulare e aprono nuove strade per migliorare le strategie di ingegneria dei tessuti e degli organi.

Studiando la formazione del midollo spinale in embrioni di pesce zebra, un team co-guidato da Sean Megason, professore di biologia dei sistemi presso l’Istituto Blavatnik dell’HMS, ha rivelato che diversi tipi di cellule esprimono combinazioni uniche di molecole di adesione al fine di autoordinarsi durante la morfogenesi. Questi “codici di adesione” determinano quali cellule preferiscono rimanere connesse e con quanta forza lo fanno, anche se si verificano riarrangiamenti cellulari diffusi nell’embrione in via di sviluppo.

L’imaging di cellule vive mostra l’ambiente dinamico e l’entità del movimento cellulare che si verifica quando il midollo spinale nascente si forma in un embrione di pesce zebra in via di sviluppo. Video: Tony Tsai / Sean Megason

I ricercatori hanno scoperto che i codici di adesione sono regolati dai morfogeni, molecole di segnalazione principali note da tempo per governare il destino delle cellule e la formazione dei modelli in fase di sviluppo. I risultati suggeriscono che l’interazione tra morfogeni e proprietà di adesione consente alle cellule di organizzarsi con la precisione e la consistenza richieste per costruire un organismo.

“L’obiettivo del mio laboratorio è comprendere i principi di progettazione di base della forma biologica”, ha detto Megason, co-autore corrispondente dello studio. “I nostri risultati rappresentano un nuovo modo di affrontare la questione della morfogenesi, che è una delle più antiche e importanti in embriologia. Consideriamo questa come la punta dell’iceberg per tali sforzi”.

Approfondimenti su come le cellule si auto-organizzano nello sviluppo iniziale potrebbero anche aiutare gli sforzi per progettare tessuti e organi per usi clinici come il trapianto, hanno detto gli autori.

“La costruzione di tessuti artificiali per la ricerca o per applicazioni mediche è un obiettivo di fondamentale importanza, ma attualmente uno dei maggiori problemi è l’incongruenza”, ha detto l’autore principale dello studio Tony Tsai, ricercatore in biologia dei sistemi presso il Blavatnik Institute. “C’è una chiara lezione da imparare dalla comprensione e dal reverse engineering di come le cellule di un embrione in via di sviluppo sono in grado di costruire i componenti di un organismo in modo così robusto e riproducibile”.

Tiro alla fune

Guidato da Tsai e in collaborazione con Carl-Philipp Heisenberg e colleghi dell’IST Austria, il team di ricerca ha prima esaminato uno dei quadri più consolidati per la morfogenesi, il modello della bandiera francese.

In questo modello, i morfogeni vengono rilasciati da fonti localizzate nell’embrione, esponendo le cellule vicine a livelli più elevati della molecola di segnalazione rispetto alle cellule più lontane. La quantità di morfogeno a cui una cellula è esposta attiva diversi programmi cellulari, in particolare quelli che determinano il destino delle cellule. Gradienti di concentrazione dei morfogeni quindi “dipingono” motivi su gruppi di cellule, evocativi delle bande di colore distinte della bandiera francese.

Questo modello ha dei limiti, tuttavia. Precedenti studi del laboratorio Megason hanno utilizzato l’imaging di cellule vive e il monitoraggio di singole cellule in embrioni interi di pesce zebra per dimostrare che i segnali del morfogeno possono essere rumorosi e imprecisi, in particolare ai confini della “bandiera”. Inoltre, le cellule di un embrione in via di sviluppo si dividono costantemente e sono in movimento, il che può rimescolare il segnale del morfogeno. Ciò si traduce in un modello iniziale misto di tipi di cellule.

Tuttavia, le cellule si autoordinano in schemi precisi, anche con un inizio rumoroso, e nello studio attuale, il team ha cercato di capire come. Si sono concentrati su un’ipotesi proposta oltre 50 anni fa, nota come adesione differenziale. Questo modello suggerisce che le cellule aderiscono a determinati altri tipi di cellule, autoordinandosi in modo simile a come l’olio e l’aceto si separano nel tempo. Ma c’erano poche prove che questo abbia un ruolo nel modello.

Per indagare, Megason, Tsai e colleghi hanno sviluppato un metodo per misurare la forza con cui le cellule aderiscono l’una all’altra. Hanno messo insieme due singole celle e poi hanno tirato su ciascuna cella con una pressione di aspirazione controllata con precisione da due micropipette. Ciò ha permesso ai ricercatori di misurare la quantità precisa di forza necessaria per separare le cellule. Analizzando tre cellule contemporaneamente, potrebbero anche stabilire le preferenze di adesione.

Il team ha utilizzato questa tecnica per studiare il modello di tre diversi tipi di cellule progenitrici neurali coinvolte nella costruzione del midollo spinale nascente negli embrioni di pesce zebra.

Gli esperimenti hanno rivelato che cellule di un tipo simile aderivano fortemente e preferenzialmente l’una all’altra. Per identificare i geni che codificano per molecole di adesione rilevanti, i ricercatori hanno analizzato il profilo di espressione genica di ciascun tipo di cellula utilizzando il sequenziamento dell’RNA a cellula singola. Hanno quindi utilizzato CRISPR-Cas9 per bloccare l’espressione dei geni candidati, uno alla volta. Se la formazione del pattern veniva interrotta, applicavano il saggio di trazione per vedere quanto la molecola contribuisse all’adesione.

Codice di adesione

Tre geni – N-caderina, caderina 11 e protocaderina 19 – sono emersi come essenziali per il normale schema. L’espressione di diverse combinazioni e diversi livelli di questi geni era responsabile delle differenze nelle preferenze di adesione, rappresentando ciò che il team ha soprannominato un codice di adesione. Questo codice era unico per ciascuno dei tipi di cellule e determinava a quali altre cellule ogni tipo di cellula rimane connesso durante la morfogenesi.

“Tutte e tre le molecole di adesione che abbiamo esaminato sono espresse in quantità diverse in ogni tipo di cellula”, ha detto Tsai. “Le cellule usano questo codice per aderire preferenzialmente alle cellule del loro stesso tipo, che è ciò che consente a diversi tipi di cellule di separarsi durante la formazione del pattern. Ma le cellule mantengono anche un certo livello di adesione con altri tipi di cellule poiché devono collaborare per formare i tessuti. mettendo insieme queste regole di interazione locale, possiamo illuminare il quadro globale “.

Poiché il codice di adesione è specifico del tipo di cellula, i ricercatori hanno ipotizzato che sia probabilmente controllato dagli stessi processi che determinano il destino cellulare, ovvero la segnalazione del morfogeno. Hanno esaminato come le perturbazioni di uno dei morfogeni più noti, Sonic hedgehog (Shh), influenzassero il tipo di cellula e la corrispondente espressione genica della molecola di adesione.

Le analisi hanno rivelato che sia il tipo di cellula che l’espressione genica della molecola di adesione erano altamente correlati, sia nel livello che nella posizione spaziale. Ciò era vero in tutto il midollo spinale nascente, dove i modelli di espressione genica per il tipo di cellula e la molecola di adesione cambiavano insieme in risposta alle differenze nell’attività di Shh.

“Quello che abbiamo scoperto è che questo morfogeno non solo controlla il destino delle cellule, ma controlla l’adesione cellulare”, ha detto Megason. “Il modello della bandiera francese fornisce uno schizzo approssimativo e l’adesione differenziale forma quindi il modello preciso. La combinazione di queste diverse strategie sembra essere il modo in cui le cellule costruiscono modelli nello spazio e nel tempo 3D mentre si forma l’embrione”.

I ricercatori stanno ora studiando ulteriormente l’interazione tra la segnalazione del morfogeno e l’adesione nello sviluppo di embrioni. L’attuale studio ha esaminato solo tre diversi tipi di cellule e ci sono molti altri candidati e morfogeni di molecole di adesione che rimangono da analizzare, hanno detto gli autori. Inoltre, i dettagli su come i morfogeni controllano sia il tipo di cellula che l’espressione della molecola di adesione rimangono poco chiari.

Una migliore comprensione di questi processi potrebbe aiutare gli scienziati a scoprire e decodificare i meccanismi fondamentali attraverso i quali un uovo unicellulare costruisce un intero organismo, hanno detto gli autori. Ciò potrebbe avere profonde implicazioni nella biotecnologia, in particolare per gli sforzi per costruire tessuti e organi artificiali per il trapianto o per testare nuovi farmaci candidati.

“Il problema con l’ingegneria dei tessuti in questo momento è che non sappiamo quale sia la scienza di base”, ha detto Megason. “Se vuoi costruire un piccolo ponte su un ruscello, forse potresti farlo senza comprendere la fisica. Ma se volessi costruire un grande ponte sospeso, devi sapere molto sulla fisica sottostante. Il nostro obiettivo è capire quali sono queste regole per l’embrione “.

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Altri autori dello studio includono Mateusz Sikora, Peng Xia, Tugba Colak-Champollion e Holger Knaut.

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (sovvenzioni R01GM107733, R01NS102322), una borsa di studio K99 dall’Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (1K99HD092623), la Damon Runyon Cancer Foundation, la Company of Biologists, Burroughs Wellcome Fund e il Consiglio europeo della ricerca.

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