Los científicos identifican un gen crucial para el desarrollo normal de los pulmones y el cerebro

Los científicos identifican un gen crucial para el desarrollo normal de los pulmones y el cerebro

El descubrimiento puede conducir a nuevas formas de reemplazar los tejidos pulmonares dañados con células madre

LA JOLLA, CA—Los científicos del Instituto Salk de Estudios Biológicos han identificado un gen que le dice a las células que desarrollen múltiples cilios, diminutas estructuras parecidas a cabellos que mueven fluidos a través de los pulmones y el cerebro. El hallazgo puede ayudar a los científicos a generar nuevas terapias que utilicen células madre para reemplazar tejidos dañados en el pulmón y otros órganos.

"Las células con múltiples cilios desempeñan una serie de funciones importantes, incluido el movimiento de fluidos a través de las vías respiratorias, el cerebro y la médula espinal", dice Christopher R Kintner, profesor en Salk's Laboratorio de Neurobiología Molecular, quien dirigió la investigación. “Conocer el gen que ordena a las células que desarrollen múltiples cilios nos ayuda a comprender cómo podemos persuadir a las células madre para que se conviertan en este tipo de células, que luego podríamos usar para reparar el tejido dañado”.

Los investigadores de Salk descubrieron el gen maestro que le dice a las células que desarrollen múltiples cilios similares a cabellos, como los que se ven en rosa en esta imagen de microscopio electrónico de color falso de la superficie de un embrión de rana.

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos; Chris Kintner, Laboratorio de Neurobiología Molecular, y Matthew Joens y James Fitzpatrick, Centro de Biofotónica Avanzada Waitt

Los hallazgos de la investigación, que contó con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud y el Programa de Becas de Innovación de Salk, se publicaron en la edición en línea del 8 de enero de Nature Cell Biology.

Kintner y su colaboradora, Jennifer Stubbs, científica ahora en Pathway Genomics, una compañía de biotecnología de San Diego, junto con Eszter Vladar, becaria postdoctoral en el laboratorio de Jeffery Axelrod, en la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford, hicieron su descubrimiento al estudiar inicialmente los embriones de ranas con garras africanas (Xenopus laevis).

Las células multiciliadas se forman en el exterior de los embriones, lo que los hace fáciles de estudiar, y los mecanismos genéticos que dirigen a las células de rana para desarrollar múltiples cilios probablemente sean similares a los de los humanos.

Los humanos y otros organismos heredaron los cilios de nuestros ancestros primordiales unicelulares que usaban estas estructuras palpitantes como una forma de propulsión. La mayoría de las células de nuestro cuerpo proyectan un solo cilio inmóvil que se utiliza como una pequeña antena para detectar estímulos químicos y físicos. Pero ciertos tejidos especializados requieren células con 100 a 200 cilios en movimiento que laten al unísono para mover fluidos a través del cuerpo.

Estas células ayudan a empujar el líquido cefalorraquídeo a través del cerebro y la médula espinal, ayudando a circular y reponer este líquido. En el sistema respiratorio, los cilios empujan la mucosidad que atrapa el polvo, los patógenos y otras materias extrañas del pulmón hacia la tráquea, lo que ayuda a prevenir infecciones.

En un estudio anterior, publicado en Nature Genetics, Kintner y Stubbs identificaron una proteína, FoxJ1, que promovía la formación de un solo cilio en movimiento. Lo que no quedó claro es cómo ciertas células activan FoxJ1 de una manera que conduce a la formación de cientos de cilios móviles por célula.

En su nuevo estudio, Kintner y sus colaboradores identificaron un gen que produce una segunda proteína, a la que llamaron "multicilina", que le dice a las células que desarrollen múltiples cilios. Cuando las células se exponen a la multicilina, se activan sus mecanismos genéticos para desarrollar múltiples cilios. En un embrión en desarrollo, la proteína instruye a ciertas células madre que revestirán los pulmones, los riñones y la piel para que se conviertan en células multiciliadas.

Cuando los investigadores inhibieron la acción de la multicilina, la piel y el riñón de las ranas no lograron formar células multiciliadas. Los científicos también encontraron que la multicilina es tanto necesaria como suficiente para instruir el desarrollo de múltiples cilios en las células que recubren las vías respiratorias de los ratones.

“Esto significa que la multicilina dirige el desarrollo de estas células en varios órganos diferentes”, dice Kintner. "Cómo se desarrollan las células multiciliadas ha sido un misterio, pero esto completa una gran pieza del rompecabezas".

Kintner señala que los pacientes con enfermedades respiratorias como asma crónica, enfisema y fibrosis quística a menudo sufren infecciones pulmonares, que pueden resultar del daño a las células ciliadas que mueven la mucosidad protectora fuera de las vías respiratorias. En el futuro, las terapias con células madre podrían reemplazar esas células dañadas con nuevas células ciliadas, pero primero los científicos deben saber cómo guiar las células madre a lo largo de un camino hacia las células multiciliadas.

“Nuestros hallazgos sugieren que la multicilina podría ser fundamental para diferenciar las células madre en células de reemplazo”, dice Kintner. "Es un paso necesario en el desarrollo de tales terapias".

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