Estas células musculares son guías para ayudar a los platelmintos regenerativos a que les vuelvan a crecer los ojos
Imagen fluorescente del sistema visual de la planaria Schmidtea mediterranea. Los axones visuales y las neuronas fotorreceptoras se muestran en cian, las células similares a postes indicadores se muestran en magenta. Crédito: Lucila Scimone, Whitehead Institute
Si algo les sucede a los ojos de la diminuta planaria Schmidtea mediterranea, que habita en agua dulce, pueden volver a crecer en unos pocos días. Cómo hacen esto es un enigma científico que el laboratorio de Peter Reddien en el Instituto Whitehead ha estado estudiando durante años.
El último proyecto del laboratorio ofrece una idea: en un artículo publicado en Science el 26 de junio, los investigadores del laboratorio de Reddien identificaron un nuevo tipo de célula que probablemente sirva como guía para ayudar a enrutar los axones desde los ojos hasta el cerebro cuando los gusanos completar la difícil tarea de regenerar sus circuitos neuronales.
Los ojos de Schmidtea mediterranea están compuestos de neuronas fotorreceptoras que capturan la luz conectadas al cerebro con procesos largos y delgados llamados axones. Usan sus ojos para responder a la luz y ayudarlos a navegar en su entorno.
Los gusanos, que son modelos populares para la investigación de la regeneración, pueden regenerar prácticamente cualquier parte de su cuerpo; los ojos son una parte interesante de estudiar porque la regeneración del sistema visual requiere que los gusanos recableen sus neuronas para conectarlas al cerebro.
Cuando los sistemas neuronales se desarrollan en los embriones, las primeras fibras nerviosas, llamadas axones pioneros, serpentean sus camino a través del tejido para formar el circuito necesario para percibir e interpretar los estímulos externos. Los axones son ayudados en su camino por células especializadas llamadas células guía. Estas células especiales se colocan en puntos de elección donde el camino del axón podría bifurcarse en diferentes direcciones.
En muchos organismos, estas células guía ya no son una prioridad una vez que finaliza el desarrollo y, por lo general, no se renuevan hasta la edad adulta. . Esa es una de las razones por las que, cuando los humanos experimentan daño cerebral o nervioso, la lesión suele ser permanente.
«Este es un misterio fundamental de la regeneración en el que ni siquiera habíamos estado pensando», dice Reddien, el principal autor del artículo que también es profesor de biología en el Instituto Tecnológico de Massachusetts e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. «¿Cómo puede un animal adulto regenerar un sistema nervioso funcional cuando el desarrollo original del sistema nervioso generalmente implica una serie de señales que se cree que son transitorias?»
Luego, en 2018, la científica de Reddien Lab Lucila Scimone encontró algo sorprendente en las planarias adultas: grupos de células misteriosas que parecían desempeñar un papel en la guía de los axones en crecimiento. Había notado este grupo de células porque co-expresaban dos genes que no se ven juntos a menudo y algunos estaban visiblemente cerca de los ojos.
«Estas células me cautivaron», dice. Aparecieron en cantidades muy pequeñas (un gusano normal podría tener alrededor de 5; uno grande podría tener hasta 10) en cada planaria que examinó. Se dividieron en dos grupos distintos: algunos alrededor de los ojos de los gusanos planos y otros espaciados a lo largo del camino hacia el centro del cerebro. Cuando trazó el camino de los axones existentes que iban desde los ojos de las planarias hasta su cerebro, coincidieron con las posiciones de estas células sin excepción.
Las células musculares similares a postes indicadores (magenta) se afilian con los axones del sistema visual de las planarias. en amarillo. Azul, núcleos. Crédito: M. Lucila Scimone, Deniz Atabay, Peter Reddien, MIT, Whitehead Institute
Cuando los investigadores caracterizaron las células, descubrieron que no expresaban ninguno de los genes que son distintivos de las neuronas fotorreceptoras; en cambio, tenían marcadores que a menudo se encuentran en el tejido muscular. «Eso fue muy sorprendente, porque las células musculares no es lo que hacen en la mayoría de los animales», dice Scimone.
En otros organismos, las células indicadoras suelen ser neuronas o glía. Sería inusual que las células musculares sirvieran como guías; pero el trabajo anterior en el Laboratorio Reddien había demostrado que las células del músculo planario desempeñaban otras funciones especiales, como la secreción de la matriz extracelular. Los investigadores ahora se preguntaban si podrían agregar el papel de guía a la larga lista de funciones de las células musculares planarias.
Para probar su hipótesis, los investigadores diseñaron una serie de experimentos. «Desarrollamos un método de trasplante de ojos en el que puedes tomar un ojo de un animal y trasplantarlo a otro animal», dice el postdoctorado de Reddien Lab, Kutay Deniz Atabay. «Cuando haces esto, las proyecciones axonales de ese ojo básicamente, si se colocan correctamente, se conectarán correctamente al cerebro, produciendo un estado funcional»,
Los investigadores también crearon planarias modificadas genéticamente que tenían el músculo células, pero sin ojos, y luego trasplantaron ojos a sus cabezas sin ojos. Efectivamente, las neuronas crecieron normalmente, serpenteando hacia las células y luego ajustando sus trayectorias después de encontrarlas.
Sin las células, la historia era diferente. Cuando los investigadores trasplantaron ojos a partes distantes del cuerpo de las planarias sin una población de estas células musculares, las neuronas fotorreceptoras no se conectaron al centro del cerebro. Asimismo, cuando trasplantaron ojos en planarias que habían sido modificadas para que no tuvieran estas células musculares, sus neuronas fotorreceptoras aún crecían, pero no se conectaron correctamente para llegar al cerebro.
Estos hallazgos combinados sugirieron que las células estaban completamente independientemente del sistema visual, no se formaron debido a los ojos o las neuronas fotorreceptoras, sino que probablemente se establecieron antes de que crecieran las neuronas, lo que proporcionó más evidencia del papel de indicador.
La actividad similar a un indicador de estas células planteó la pregunta : ¿cómo saben las propias células dónde estar? «Descubrimos que hay un patrón de moléculas de señalización en el músculo que se establece donde deberían estar estas células», dice Reddien. «Si perturbamos la información posicional global del sistema, estas células se colocan en las posiciones incorrectas, y luego los axones van a las posiciones incorrectas, por lo que creemos que hay un marco de información posicional que coloca las células durante la regeneración y que les permite trabajar como indicadores en las ubicaciones correctas».
En este punto, los investigadores no saben exactamente cómo las células pueden comunicarse con los axones en crecimiento para servir como indicadores. Podrían estar liberando algún tipo de molécula de señalización que atraiga a los axones, o podrían estar comunicándose mediante el uso de proteínas transmembrana.
«Esa será una dirección emocionante para el futuro», dice Reddien. «Ahora hemos identificado el transcriptoma de las células, lo que significa que conocemos todos los genes que expresan estas células. Eso nos proporciona una lista intrigante de genes que se pueden probar funcionalmente, para tratar de ver cuáles están mediando las funciones de estos células».
Este estudio es un paso adelante en un cuerpo de trabajo que apunta a expandir las capacidades de la medicina regenerativa. «Imagínese un escenario en el que alguien experimente una lesión en la médula espinal, una lesión en el ojo o un derrame cerebral que provoque la pérdida de un circuito neuronal», dice Atabay. «La razón por la que no podemos curar por completo estos casos hoy es que carecemos de información fundamental sobre cómo estos sistemas pueden regenerarse. Observar los organismos regenerativos proporciona muchas ideas. A partir de este caso, vemos que regenerar el sistema perdido puede no ser suficiente. ; es posible que también necesite regenerar sistemas que estén modelando correctamente ese sistema».
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En la regeneración de planarias, las células musculares brindan más que levantar objetos pesados. Más información: ML Scimone el al., «Las células similares a guías musculares y neuronales facilitan la regeneración del sistema visual de las planarias, «Ciencia (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aba3203
«Las células guía ayudan a navegar la regeneración del axón», Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.abc8066 Información de la revista: Science