Si algo le sucede a los ojos del pequeño planidiano que habita en agua dulce Schmidtea mediterranea, pueden volver a crecer en unos pocos días. Cómo lo hacen es un enigma científico, uno que el laboratorio de Peter Reddien en Whitehead Institute ha sidoestudiando por años.
El último proyecto del laboratorio ofrece una idea: en un artículo publicado en ciencia 26 de junio, los investigadores en el laboratorio de Reddien han identificado un nuevo tipo de célula que probablemente sirve como guía para ayudar a enrutar los axones desde los ojos hasta el cerebro a medida que los gusanos completan la difícil tarea de regenerar sus circuitos neuronales.
Los ojos de Schmidtea mediterranea están compuestos por neuronas fotorreceptoras de captura de luz conectadas al cerebro con procesos largos y delgados llamados axones. Usan sus ojos para responder a la luz para ayudar a navegar su entorno.
Los gusanos, que son modelos populares para la investigación sobre la regeneración, pueden regenerar casi cualquier parte de su cuerpo; los ojos son una parte interesante para estudiar porque la regeneración del sistema visual requiere que los gusanos vuelvan a cablear sus neuronas para conectarlas al cerebro.
Cuando los sistemas neuronales se desarrollan en embriones, las primeras fibras nerviosas, llamadas axones pioneros, se abren camino a través del tejido para formar los circuitos necesarios para percibir e interpretar los estímulos externos. Los axones son ayudados en su camino por células especializadas llamadas células de guía.Se colocan celdas especiales en puntos de elección: lugares donde la trayectoria 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 razón por la cual, cuando los humanos experimentan daño cerebral o nervioso, la lesión suele ser permanente.
"Este es un misterio fundamental de regeneración en el que ni siquiera habíamos estado pensando", dice Reddien, el autor principal del artículo que también es profesor de biología en el Instituto de Tecnología de Massachusetts e investigador del Howard Hughes MedicalInstituto: "¿Cómo puede un animal adulto regenerar un sistema nervioso funcional cuando el desarrollo original del sistema nervioso generalmente involucra una serie de señales que se consideran 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 coexpresaron dosgenes que a menudo no se ven juntos y algunos estaban visiblemente cerca de los ojos.
"Estaba cautivada por estas células", dice. Aparecieron en números muy pequeños un gusano normal podría tener alrededor de 5; uno grande podría tener hasta 10 en cada planario que examinó. Se dividieron en dosgrupos: algunos alrededor de los ojos de los gusanos planos, y otros espaciados a lo largo del camino hacia el centro del cerebro. Cuando ella trazó el camino de los axones existentes que conducían desde los ojos de los planarios hasta su cerebro, coincidieron con las posiciones de estas células sin excepción.
Cuando los investigadores caracterizaron las células, descubrieron que no expresaban ninguno de los genes que son característicos 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, eso esno lo que hacen en la mayoría de los animales ", dice Scimone.
En otros organismos, las células del poste guía a menudo son neuronas o glía. Sería inusual que las células musculares sirvan como postes guía; pero el trabajo anterior en el Laboratorio Reddien había demostrado que las células musculares planarias desempeñaban otras funciones especiales, como secretar la matriz extracelularLos 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 ojo en el que puedes tomar un ojo de un animal y trasplantarlo a otro animal", dice Kutay Deniz Atabay, postdoctorado de Reddien Lab.haga esto, las proyecciones axonales de ese ojo básicamente, si se colocan adecuadamente, se conectarán correctamente al cerebro, produciendo un estado funcional "
Los investigadores también crearon planarias genéticamente modificadas que tenían las células musculares, pero no los ojos, y luego trasplantaron los ojos a sus cabezas sin ojos. Efectivamente, las neuronas crecieron normalmente, avanzando hacia las células y luego ajustando sus trayectorias después de encontrarlas.
Sin las células, era una historia diferente. Cuando los investigadores trasplantaron los ojos a partes distantes de los cuerpos de los planarios sin una población de estas células musculares, las neuronas fotorreceptoras no se conectaron al centro del cerebro. Del mismo modo, cuando trasplantaron los ojos enplanarias que habían sido modificadas para no tener estas células musculares, sus neuronas fotorreceptoras aún crecían, pero no se cablearon correctamente para llegar al cerebro.
Estos hallazgos combinados sugirieron que las células eran completamente independientes del sistema visual; no se formaron debido a los ojos o las neuronas fotorreceptoras, pero probablemente se establecieron antes de que las neuronas crecieran, lo que proporcionó más evidencia para el papel del poste indicador.
La actividad similar a una guía de estas células entonces planteó la pregunta: ¿cómo saben las células por sí mismas dónde estar? "Descubrimos que hay un patrón de moléculas de señalización en el músculo que establece dónde 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 eso les permitepara trabajar como postes guía 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 guías. Podrían estar liberando algún tipo de molécula de señalización que atraiga a los axones, o podrían comunicarse mediante el uso de trans-proteínas de membrana.
"Esa será una dirección emocionante para el futuro", dice Reddien. "Ahora hemos identificado el transcriptoma para las células, lo que significa que conocemos todos los genes que expresan estas células. Eso nos proporciona una lista intrigante de genes quepuede probarse funcionalmente para tratar de ver cuáles están mediando las funciones de estas células ".
Este estudio es un paso adelante en un cuerpo de trabajo que apunta a expandir las capacidades de la medicina regenerativa. "Imagine un escenario en el que alguien experimenta una lesión de la médula espinal o una lesión ocular o un derrame cerebral que conduce a la pérdida de un circuito neural,"dice Atabay." La razón por la que hoy no podemos curar completamente estos casos es porque carecemos de información fundamental sobre cómo estos sistemas pueden regenerarse. Observar los organismos regenerativos proporciona muchas ideas. A partir de este caso, vemos que la regeneración del sistema perdidopuede que no sea suficiente; también es posible que necesite regenerar sistemas que estén modelando correctamente ese sistema "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Whitehead para la Investigación Biomédica . Original escrito por Eva Frederick. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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