El linaje celular denota la historia de desarrollo de un tejido u órgano del embrión fertilizado. [1] Esto se basa en el seguimiento de la ascendencia celular de un organismo debido a las divisiones celulares y la reubicación a medida que avanza el tiempo, esto comienza con las células originadoras y termina con una célula madura que ya no puede dividirse. [2]
Este tipo de linaje se puede estudiar marcando una célula (con moléculas fluorescentes u otros marcadores trazables) y siguiendo a su progenie después de la división celular. Algunos organismos, como C. elegans , tienen un patrón predeterminado de progenie celular y el macho adulto siempre constará de 1031 células, esto se debe a que la división celular en C. elegans está determinada genéticamente y se conoce como eutely . [3] [4] Esto hace que el linaje celular y el destino celular estén altamente correlacionados. Otros organismos, como los humanos, tienen linajes y números de células somáticas variables.
C. elegans : organismo modelo
Como uno de los primeros pioneros del linaje celular, en la década de 1960, el Dr. Sydney Brenner comenzó a observar la diferenciación y sucesión celular en el nematodo Caenorhabditis elegans . El Dr. Brenner eligió este organismo debido a su cuerpo transparente, reproducción rápida, facilidad de acceso y tamaño pequeño, lo que lo hizo ideal para seguir el linaje celular bajo un microscopio.
En 1976, el Dr. Brenner y su asociado, el Dr. John Sulston , habían identificado parte del linaje celular en el sistema nervioso en desarrollo de C. elegans . Los resultados recurrentes mostraron que el nematodo era eutélico (cada individuo experimenta las mismas vías de diferenciación). Esta investigación condujo a las observaciones iniciales de muerte celular programada o apoptosis.
Después de mapear varias secciones del linaje celular de C. elegans , el Dr. Brenner y sus asociados pudieron reconstruir el primer mapa de destino completo y reproducible del linaje celular. Posteriormente recibieron el premio Nobel de 2002 por su trabajo en la regulación genética del desarrollo de órganos y muerte celular programada. [5] Dado que los órganos humanos son hermafroditas, se componen de órganos masculinos y femeninos, donde almacenan los espermatozoides y son capaces de autofecundarse. C. elegans contiene 302 neuronas y 959 células somáticas, donde comienzan con 1031, donde 72 sufren apoptosis que es muerte celular programada. Esto convierte al c.elegan en un organismo modelo para estudiar el linaje celular y poder observar las divisiones celulares debido a su fenotipo transparente. [6]
Historia del linaje celular
Uno de los primeros estudios de linajes celulares tuvo lugar en la década de 1870 por Whitman, quien estudió los patrones de división en sanguijuelas y pequeños invertebrados. Encontró que algunos grupos, como los gusanos nematodos y las ascidias, forman un patrón de división celular que es idéntico entre individuos e invariable. Se pensó que esta alta correlación entre el linaje celular y el destino celular estaba determinada por factores de segregación dentro de las células en división. Otros organismos tenían patrones estereotipados de división celular y producían sublinajes que eran la progenie de determinadas células precursoras. Se cree que estos destinos celulares más variables se deben a la interacción de las células con el medio ambiente. Debido a los nuevos avances en el seguimiento de células con mayor precisión, esto ayudó a la comunidad biológica, ya que ahora se utilizan una variedad de colores para mostrar las células originales y poder rastrear fácilmente. Estos colores son fluorescentes y se marcan en las proteínas mediante la administración de inyecciones para rastrear dichas células. [7]
Técnicas de mapeo del destino
El linaje celular se puede determinar mediante dos métodos, ya sea mediante observación directa o mediante análisis clonal. A principios del siglo XIX se utilizó la observación directa, sin embargo, fue muy limitante, ya que solo se pudieron estudiar pequeñas muestras transparentes. Con la invención del microscopio confocal, esto permitió estudiar organismos más grandes y complicados. [8]
Quizás el método más popular de mapeo del destino celular en la era genética es a través de la recombinación específica del sitio mediada por los sistemas Cre-Lox o FLP-FRT . Al utilizar los sistemas de recombinación Cre-Lox o FLP-FRT , se activa un gen indicador (que generalmente codifica una proteína fluorescente) y marca permanentemente la célula de interés y sus células descendientes, de ahí el nombre de rastreo del linaje celular. [9] Con el sistema, los investigadores podrían investigar la función de su gen favorito para determinar el destino celular mediante el diseño de un modelo genético en el que, dentro de una célula, un evento de recombinación está diseñado para manipular el gen de interés y el otro evento de recombinación está diseñado para activar un gen reportero. Un problema menor es que los dos eventos de recombinación pueden no ocurrir simultáneamente, por lo que los resultados deben interpretarse con precaución. [10] Además, algunos indicadores fluorescentes tienen un umbral de recombinación tan extremadamente bajo que pueden etiquetar poblaciones de células en puntos de tiempo no deseados en ausencia de inducción. [11]
Más recientemente, los investigadores han comenzado a utilizar enfoques de biología sintética y el sistema CRISPR / Cas9 para diseñar nuevos sistemas genéticos que permitan a las células registrar de forma autónoma la información del linaje en su propio genoma. Estos sistemas se basan en una mutación dirigida y diseñada de elementos genéticos definidos. [12] [13] Al generar nuevas alteraciones genómicas aleatorias en cada generación celular, estos enfoques facilitan la reconstrucción de árboles de linaje. Estos enfoques prometen proporcionar un análisis más completo de las relaciones de linaje en organismos modelo. También se están desarrollando métodos computacionales de reconstrucción de árboles [14] para conjuntos de datos generados por tales enfoques.
Asimetrías del desarrollo temprano
En los humanos, después de la fertilización , el cigoto se divide en dos células. Las mutaciones somáticas que surgen directamente después de la formación del cigoto, así como más tarde en el desarrollo, pueden usarse como marcadores para rastrear linajes celulares en todo el cuerpo. [15] Comenzando con las escisiones del cigoto, se observó que los linajes contribuían de manera desigual a las células sanguíneas . Se encontró que hasta el 90% de las células sanguíneas se derivan de solo uno de los dos primeros blastómeros . Además, el desarrollo normal puede resultar en características desiguales de órganos simétricos, como entre la corteza cerebral frontal y occipital izquierda y derecha . Se propuso que la eficiencia de la reparación del ADN contribuye al desequilibrio del linaje, ya que el tiempo adicional que dedica una célula a la reparación del ADN puede disminuir la tasa de proliferación. [15]
Referencias
- ^ Diccionario inglés Collins - décima edición completa e íntegra . Editores de HarperCollins . Consultado el 2 de junio de 2014 .
- ^ Giurumescu, Claudiu A .; Chisholm, Andrew D. (2011). "Identificación celular y análisis de linaje celular" . Métodos en biología celular . 106 : 325–341. doi : 10.1016 / B978-0-12-544172-8.00012-8 . ISBN 9780125441728. ISSN 0091-679X . PMC 4410678 . PMID 22118283 .
- ^ Sulston, JE; Horvitz, HR (1977). "Linajes de células post-embrionarias del nematodo, Caenorhabditis elegans ". Biología del desarrollo . 56 (1): 110–56. doi : 10.1016 / 0012-1606 (77) 90158-0 . PMID 838129 .
- ^ Kimble, J; Hirsh, D (1979). "Los linajes de células postembrionarias de las gónadas hermafroditas y masculinas en Caenorhabditis elegans ". Biología del desarrollo . 70 (2): 396–417. doi : 10.1016 / 0012-1606 (79) 90035-6 . PMID 478167 .
- ^ "El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2002 - Comunicado de prensa" . www.nobelprize.org . Consultado el 23 de noviembre de 2015 .
- ^ Corsi, Ann K. (1 de diciembre de 2006). "Guía de un bioquímico de C. elegans" . Bioquímica analítica . 359 (1): 1–17. doi : 10.1016 / j.ab.2006.07.033 . ISSN 0003-2697 . PMC 1855192 . PMID 16942745 .
- ^ Woodworth, Mollie B .; Girskis, Kelly M .; Walsh, Christopher A. (abril de 2017). "Construyendo un linaje a partir de células individuales: técnicas genéticas para el seguimiento del linaje celular" . Reseñas de la naturaleza. Genética . 18 (4): 230–244. doi : 10.1038 / nrg.2016.159 . ISSN 1471-0056 . PMC 5459401 . PMID 28111472 .
- ^ Chisholm, AD (2001). "Linaje celular" (PDF) . Enciclopedia de Genética . págs. 302–310. doi : 10.1006 / rwgn.2001.0172 . ISBN 9780122270802.
- ^ Kretzschemar, K; Watt, FM (12 de enero de 2012). "Trazado de linaje" . Celular . 148 (1–2): 33–45. doi : 10.1016 / j.cell.2012.01.002 . PMID 22265400 .
- ^ Liu, J; Willet, SG; Bankaitis, ED (2013). "La recombinación no paralela limita a los reporteros basados en Cre-LoxP como indicadores precisos de manipulación genética condicional" . Génesis . 51 (6): 436–42. doi : 10.1002 / dvg.22384 . PMC 3696028 . PMID 23441020 .
- ^ Álvarez-Aznar, A .; Martínez-Corral, I .; Daubel, N .; Betsholtz, C .; Mäkinen, T .; Gaengel, K. (2020). "La recombinación independiente de tamoxifeno de genes informadores limita el rastreo de linaje y el análisis de mosaico usando líneas CreERT2" . Investigación transgénica . 29 (1): 53–68. doi : 10.1007 / s11248-019-00177-8 . ISSN 0962-8819 . PMC 7000517 . PMID 31641921 .
- ^ McKenna, Aaron; Findlay, Gregory M .; Gagnon, James A .; Horwitz, Marshall S .; Schier, Alexander F .; Shendure, Jay (29 de julio de 2016). "Seguimiento del linaje de todo el organismo mediante la edición combinatoria y acumulativa del genoma" . Ciencia . 353 (6298): aaf7907. doi : 10.1126 / science.aaf7907 . ISSN 0036-8075 . PMC 4967023 . PMID 27229144 .
- ^ Frieda, Kirsten L .; Linton, James M .; Hormoz, Sahand; Choi, Joonhyuk; Chow, Ke-Huan K .; Cantante, Zakary S .; Budde, Mark W .; Elowitz, Michael B .; Cai, Long (2017). "Registro sintético y lectura in situ de información de linaje en células individuales" . Naturaleza . 541 (7635): 107-111. Código Bib : 2017Natur.541..107F . doi : 10.1038 / nature20777 . PMC 6487260 . PMID 27869821 .
- ^ Zafar, Hamim; Lin, Chieh; Bar-Joseph, Ziv (2020). "Rastreo de linaje unicelular mediante la integración de mutaciones CRISPR-Cas9 con datos transcriptómicos" . Nature Communications (3055). doi : 10.1038 / s41467-020-16821-5 . PMID 32546686 .
- ^ a b Fasching L, Jang Y, Tomasi S, Schreiner J, Tomasini L, Brady MV, Bae T, Sarangi V, Vasmatzis N, Wang Y, Szekely A, Fernandez TV, Leckman JF, Abyzov A, Vaccarino FM. Asimetrías de desarrollo tempranas en árboles de linaje celular en individuos vivos. Ciencias. 19 de marzo de 2021; 371 (6535): 1245-1248. doi: 10.1126 / science.abe0981. PMID: 33737484