¿Qué hace que la vida funcione? Las mitocondrias pueden marcar el tiempo para las células | Revista Quanta

Así como las personas en diferentes lugares parecen operar a diferentes ritmos, también lo hacen las diferentes especies. Envejecen a su propio ritmo: algunos, como la mosca de la fruta, corren hasta la edad adulta para poder reproducirse antes de que desaparezca su efímera fuente de alimento, mientras que criaturas como los humanos maduran lentamente a lo largo de décadas, en parte porque así lo requiere la construcción de un cerebro grande y complejo. Y al comienzo mismo de la vida de un embrión, pequeños cambios en el momento y la forma en que se desarrollan los diferentes tejidos pueden alterar dramáticamente la forma de un organismo, un mecanismo que la evolución explota para crear nuevas especies. Sin embargo, lo que marca el ritmo de crecimiento de un organismo sigue siendo un misterio.

"Nuestro conocimiento sobre lo que controla el momento del desarrollo realmente se ha quedado rezagado con respecto a otras áreas de la biología del desarrollo", dijo Margarita Diaz Cuadros, quien dirige una investigación centrada en el ritmo del desarrollo en el Hospital General de Massachusetts en Boston.

Los biólogos del desarrollo han tenido un tremendo éxito en identificar redes de genes reguladores que se comunican entre sí: sistemas en cascada de circuitos de retroalimentación que activan o desactivan genes en el momento y lugar exactos para construir, digamos, un ojo o una pierna. Pero la similitud altamente conservada en estas redes genéticas entre especies contrasta con enormes diferencias en el momento del desarrollo. Los ratones y los humanos, por ejemplo, utilizan los mismos conjuntos de genes para crear neuronas y formar espinas. Sin embargo, el cerebro y la columna vertebral de un ratón resultan bastante diferentes a los de un ser humano porque el momento en que esos genes están activos es diferente, y no está claro por qué es así.

"La regulación genética no parece explicar todo lo relacionado con el momento del desarrollo", dijo Pierre Vanderhaeghen, que estudia la evolución y el desarrollo del cerebro en la KU Leuven, Bélgica. "Ahora bien, esto es un poco provocativo porque, en cierto modo, en biología, todo debería explicarse mediante la regulación genética, directa o indirectamente".

Nuevas explicaciones de lo que hace funcionar la vida están surgiendo a partir de innovaciones (como los avances en el cultivo de células madre y la disponibilidad de herramientas para manipular el metabolismo, inicialmente desarrolladas para estudiar el cáncer) que ahora permiten a los investigadores trazar y jugar con el ritmo de desarrollo de las enfermedades tempranas. embriones y tejidos con mayor detalle. En una serie de artículos de los últimos años, entre ellos una publicación clave En junio, varios equipos de investigación convergieron de forma independiente en conexiones intrigantes entre el ritmo del desarrollo, el ritmo de las reacciones bioquímicas y las tasas de expresión genética subyacentes a esas reacciones bioquímicas.

Sus hallazgos apuntan a un metrónomo común: las mitocondrias, que pueden ser el cronometrador de la célula y marcar el ritmo de una variedad de procesos bioquímicos y de desarrollo que crean y mantienen la vida.

Una neurona mantiene el tiempo

Hace más de una década, Vanderhaeghen realizó un experimento que sentó las bases para los estudios modernos sobre cómo se mantiene el ritmo del desarrollo. El neurobiólogo estaba en su laboratorio belga cultivar células madre en placas de Petri y observar cuánto tiempo tardaron en madurar desde pizarras celulares en blanco hasta neuronas completas que se conectan y comunican con otras. Pensó que podría encontrar pistas sobre el origen y la evolución del cerebro humano comparando estas células madre humanas y de ratón preparadas para convertirse en neuronas.

Lo primero que notó fue que las células madre de ratón se diferenciaban en células cerebrales maduras en aproximadamente una semana, más rápidamente que las células madre humanas, que tardaron entre tres y cuatro meses en crecer.

Pero, ¿esas células se desarrollarían de la misma manera en un cerebro en crecimiento que en un plato aislado? Para averiguarlo, trasplantó una neurona de ratón a un cerebro de ratón vivo. La célula siguió la misma línea de tiempo que las neuronas del ratón huésped y se diferenciaron después de aproximadamente una semana. Luego intentó lo mismo con una neurona humana, implantándola en el cerebro de un ratón. Para su sorpresa, la neurona humana mantuvo su propio tiempo. Tardó casi un año en madurar a pesar de su entorno roedor.

"Eso nos proporcionó una primera respuesta importante, que es que cualquiera que sea el mecanismo de sincronización, gran parte parece estar en las propias neuronas", dijo Vanderhaeghen. "Incluso si se sacan las células de la placa de Petri y se colocan en otro organismo, seguirán manteniendo su propia línea de tiempo".

Aún así, hasta hace un par de años prácticamente no se sabía nada sobre el mecanismo celular subyacente.

Vanderhaeghen empezó a pensar en el origen de los componentes básicos de una neurona. "Crear neuronas es como construir un edificio súper complicado", afirmó. "Se necesita una buena logística". Las células no sólo necesitan energía sino también una fuente de materias primas para crecer y dividirse.

Sospechaba que las mitocondrias podrían proporcionar estos componentes básicos. Los orgánulos son clave para el crecimiento y el metabolismo de una célula. Producen energía, lo que les valió el sobrenombre de “la central eléctrica de la célula”, y también producen metabolitos esenciales para construir aminoácidos y nucleótidos y para regular la expresión genética.

La visión clásica de las mitocondrias es que no cambian durante la vida de una célula. "Son simplemente una pequeña salchicha bonita y pintoresca en la celda, y proporcionan energía", dijo Vanderhaeghen. Pero cuando él y Ryohei Iwata, un investigador postdoctoral en su laboratorio, observó más de cerca las neuronas en desarrollo y vio que las mitocondrias también necesitan tiempo para desarrollarse.

Neuronas jóvenes, informaron en Ciencia:, tenían pocas mitocondrias, y las que tenían estaban fragmentadas y generaban poca energía. Luego, a medida que las neuronas maduraron, las mitocondrias crecieron en número, tamaño y actividad metabólica. Es más, los cambios se produjeron más rápidamente en ratones que en humanos. Esencialmente, el sistema fue escalando: la maduración de las mitocondrias se mantuvo sincronizada con la maduración de las neuronas en ambas especies.

El descubrimiento les pareció importante a Vanderhaeghen e Iwata. Y les hizo preguntarse si las mitocondrias podrían ser el silencioso tambor que impulsa las grandes diferencias en el ritmo de desarrollo entre las especies.

Cómo hacer crecer una columna

Uno de los modelos clásicos para estudiar el ritmo del desarrollo embrionario es el patrón de la columna. Todos los vertebrados tienen una columna compuesta por una serie de segmentos vertebrales, pero las especies varían en su número y tamaño. Por lo tanto, surge una pregunta natural sobre los mecanismos de desarrollo que dan lugar a esta característica esencial de los vertebrados y sus muchas variaciones en todo el reino animal.

En 1997, el biólogo del desarrollo Olivier Pourquié, ahora en la Facultad de Medicina de Harvard, descubrió por primera vez un oscilador molecular llamado reloj de segmentación que impulsa el mecanismo que modela la columna vertebral de los vertebrados. Trabajando con embriones de pollo, su equipo de investigación identificó los actores clave que se expresan rítmicamente durante la formación de cada segmento vertebral en el tejido embrionario. El reloj de segmentación desencadena oscilaciones en la expresión genética, lo que hace que las células fluctúen en su capacidad de respuesta a una señal de frente de onda que se mueve de la cabeza a la cola. Cuando el frente de onda encuentra células sensibles, se forma un segmento. De esta manera, el mecanismo de reloj y frente de onda controla la organización periódica de la columna.

Los genes que orquestan el reloj de segmentación se conservan en todas las especies. Sin embargo, el período del reloj (el tiempo entre dos picos en una oscilación) no lo es. Durante muchos años, los genetistas del desarrollo no pudieron explicar esto: no tenían las herramientas genéticas para manipular el reloj con precisión en un embrión en crecimiento. Así, alrededor de 2008, Pourquié comenzó a desarrollar métodos para diseccionar mejor el mecanismo en el laboratorio.

En ese momento, “sonaba a ciencia ficción total”, dijo. Pero la idea se volvió más plausible durante la década siguiente, cuando el laboratorio de Pourquié y otros alrededor del mundo aprendieron a cultivar células madre embrionarias y incluso construir organoides (como una retina, un intestino o un minicerebro) en un plato.

Pourquié y Díaz Cuadros, entonces su estudiante de posgrado, encontraron una manera de reproducir el reloj en células madre humanas y de ratón. En los primeros experimentos, observaron que el período del reloj dura aproximadamente dos horas en ratones, mientras que en las células humanas se necesitan unas cinco horas para completar una oscilación. Era la primera vez que alguien identificaba el período del reloj de segmentación en humanos.

Otros laboratorios también vieron el potencial de estos avances en la biología de las células madre para abordar cuestiones de larga data sobre el momento del desarrollo. En 2020, dos grupos de investigación, uno dirigido por Miki Ebisuya en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular de Barcelona y el otro por james briscoe en el Instituto Francis Crick de Londres, descubrieron de forma independiente que los procesos moleculares básicos en la célula siguen el ritmo del desarrollo. Publicaron estudios lado by lado in Ciencia:.

El equipo de Ebisuya quería comprender las diferencias en la velocidad de las reacciones moleculares (expresión genética y degradación de proteínas) que impulsan cada ciclo de reloj. Descubrieron que ambos procesos funcionaban dos veces más rápido en células de ratón que en células humanas.

Briscoe, en cambio, se centró en el desarrollo temprano de la médula espinal. Al igual que el ciclo del reloj de segmentación, el proceso de diferenciación neuronal (incluida la expresión de secuencias genéticas y la descomposición de proteínas) se alargó proporcionalmente en los humanos en comparación con los ratones. "Se necesitan entre dos y tres veces más para llegar a la misma etapa de desarrollo utilizando células madre embrionarias humanas", dijo Briscoe.

Era como si, dentro de cada celda, sonara un metrónomo. Con cada oscilación del péndulo, una variedad de procesos celulares (expresión genética, degradación de proteínas, diferenciación celular y desarrollo embrionario) mantuvieron el ritmo y se mantuvieron en el tiempo.

Pero, ¿era ésta una regla general para todos los vertebrados, más allá de los ratones y los humanos? Para descubrirlo, el estudiante de posgrado de Ebisuya Jorge Lázaro Creó un “zoológico de células madre”, hogar de células de una variedad de mamíferos: ratones, conejos, ganado, rinocerontes, humanos y titíes. Cuando reprodujo el reloj de segmentación de cada especie, vio que la velocidad de las reacciones bioquímicas se mantenía al ritmo del período del reloj de segmentación en cada una de ellas.

Es más, los tempos del reloj no se adaptaban al tamaño de los animales. Las células de ratón oscilaban más rápidamente que las de rinoceronte, pero las células humanas oscilaban más lentamente que las de rinoceronte, y las células de tití tenían las oscilaciones más lentas de todas.

Los resultados, publicado en Cell Stem Cell en junio, sugirió que la velocidad de las reacciones bioquímicas podría ser un mecanismo universal para regular el tiempo de desarrollo.

También ampliaron los límites de un aspecto importante pero pasado por alto del dogma central de la biología molecular. "Estamos hablando de transcripción, traducción y estabilidad de proteínas", dijo Díaz-Cuadros. Todo el mundo había pensado que eran iguales en todas las especies de mamíferos o vertebrados, "pero ahora lo que estamos diciendo es que la velocidad del dogma central es específica de cada especie, y creo que eso es bastante fascinante".

Hacer o deshacer una proteína

El reloj, entonces, debe surgir de un mecanismo que marca el ritmo de las reacciones bioquímicas entre especies. Teresa Rayón quiso descubrir sus orígenes cuando Observamos cómo se diferencian las neuronas motoras. en su laboratorio de Londres, donde estudió con Briscoe.

Ella diseñó genéticamente neuronas humanas y de ratones en desarrollo para expresar proteínas fluorescentes, que brillan intensamente cuando se excitan con un láser en la longitud de onda correcta. Luego observó las proteínas introducidas mientras se degradaban. Para su sorpresa, las mismas proteínas fluorescentes se desintegraron más rápidamente en células de ratón que en células humanas, siguiendo el ritmo del desarrollo de las neuronas. Eso le sugirió que algo en el ambiente intracelular marcaba el ritmo de la degradación.

“Si le preguntaran a un biólogo: '¿Cómo se determina la estabilidad de una proteína?' Te dirían que todo depende de la secuencia”, dijo Rayon, quien ahora dirige su propio laboratorio en el Instituto Babraham en Cambridge, Inglaterra. “Sin embargo, descubrimos que en realidad ese no es el caso. Creemos que podría ser la maquinaria que degrada las proteínas la que podría estar desempeñando un papel”.

Pero ella y su grupo buscaban un solo tipo de célula. Si los tipos de células en distintos tejidos se desarrollan a ritmos diferentes, ¿sus proteínas también se degradarían a ritmos diferentes?

Michael Dorrity en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Heidelberg estaba investigando esa cuestión pensando en cómo la temperatura afecta el desarrollo. Muchos animales, desde insectos hasta peces, se desarrollan más rápido cuando se crían a temperaturas más altas. Curiosamente, observó que en embriones de pez cebra criados en un ambiente cálido, el ritmo de desarrollo de algunos tipos de células se aceleraba más rápido que el de otros.

In una preimpresión publicó el año pasado, se centró en una explicación que involucra la maquinaria que produce y degrada las proteínas. Algunos tipos de células requieren un mayor volumen o proteínas más complejas que otros. Como resultado, algunos tipos de células están crónicamente "cargando estos mecanismos de control de calidad de las proteínas", dijo. Cuando la temperatura aumenta, no tienen la capacidad de satisfacer las mayores necesidades de proteínas, por lo que su reloj interno no logra acelerar ni mantener el ritmo.

En ese sentido, los organismos no mantienen un único reloj unificado, sino que tienen muchos relojes para muchos tejidos y tipos de células. Desde el punto de vista evolutivo, esto no es un error, sino una característica: cuando los tejidos no están sincronizados entre sí, las partes del cuerpo pueden crecer a diferentes ritmos, lo que puede conducir a la evolución de diversos organismos o incluso nuevas especies.

Era como si hubieran descubierto el botón de sintonización del metrónomo interno de la célula, que les permitía acelerar o desacelerar el ritmo del desarrollo embrionario. "No son las diferencias en la arquitectura reguladora genética las que explican estas diferencias en el momento", dijo Pourquié. Los hallazgos fueron publicado en Naturaleza a principios de este año.

Esta perilla de ajuste metabólico no se limitó al embrión en desarrollo. Mientras tanto, Iwata y Vanderhaeghen descubrieron cómo utilizar drogas y genética para jugar con el ritmo metabólico de las neuronas en maduración, un proceso que, a diferencia del reloj de segmentación, que dura sólo un par de días, lleva muchas semanas o meses. Cuando las neuronas del ratón se vieron obligadas a generar energía más lentamente, las neuronas también maduraron más lentamente. Por el contrario, al desplazar farmacológicamente las neuronas humanas hacia una vía más rápida, los investigadores podrían acelerar su maduración. Los hallazgos fueron publicado en Ciencia: en Enero.

Para Vanderhaeghen, la conclusión de sus experimentos es clara: "La tasa metabólica impulsa el ritmo del desarrollo".

Sin embargo, incluso si el metabolismo es el regulador anterior de todos los demás procesos celulares, esas diferencias deben regresar a la regulación genética. Es posible que las mitocondrias influyan en el momento de la expresión de genes del desarrollo o de aquellos implicados en la maquinaria para producir, mantener y reciclar proteínas.

Una posibilidad, especuló Vanderhaeghen, es que los metabolitos de las mitocondrias sean esenciales para el proceso que condensa o expande el ADN plegado en los genomas para que pueda transcribirse para construir proteínas. Tal vez, sugirió, esos metabolitos limiten la tasa de transcripción y establezcan globalmente el ritmo al que se activan y desactivan las redes reguladoras de genes. Sin embargo, ésta es sólo una idea que necesita un análisis experimental.

También está la cuestión de qué es lo que hace que las mitocondrias funcionen en primer lugar. Díaz Cuadros cree que la respuesta debe estar en el ADN: “En algún lugar de su genoma, tiene que haber una diferencia de secuencia entre ratón y humano que codifique esa diferencia en la tasa de desarrollo”.

"Todavía no tenemos idea de dónde está esa diferencia", dijo. "Lamentablemente todavía estamos muy lejos de eso".

Encontrar esa respuesta puede llevar tiempo y, al igual que el reloj mitocondrial, el progreso científico avanza a su propio ritmo.

Correcciones, 18 de septiembre de 2023
En la introducción, se revisó una oración para aclarar que es la tasa de expresión genética, no la tasa metabólica general, la que ayuda a dirigir el ritmo del desarrollo. El artículo también se actualizó para corregir qué especies del zoológico de células madre tienen las oscilaciones del reloj de segmentación más rápidas y más lentas.