1 de Septiembre de 2011
Los científicos de Salk descubren un mecanismo altamente conservado que gobierna el desarrollo del cerebro
Los científicos de Salk descubren un mecanismo altamente conservado que gobierna el desarrollo del cerebro
LA JOLLA, CA—Si cree que la retórica política actual está sobrecalentada, imagine lo que sucede dentro de un embrión vertebrado. Allí, dos ejércitos cuyas agendas son polos opuestos, se involucran en una batalla con consecuencias mucho más nefastas que si la economía se recuperará: están luchando por si usted (o las ranas o las gallinas) tendrá un cerebro anterior.
En un estudio publicado en la edición en línea del 19 de agosto de Genes y desarrollo, investigadores del Instituto Salk dirigidos por greg lemke, Ph.D., profesor en el Laboratorio de Neurobiología Molecular, revela que un soldado de a pie de un ejército, los ventralizadores, despliega un arma que desarma al otro, los dorsalizadores, dejando al embrión libre para desarrollar un cerebro adecuado. Esos hallazgos definen cómo se desarrolla el sistema nervioso embrionario y podrían arrojar luz sobre los mecanismos subyacentes al cáncer de colon.
El laboratorio de Lemke tiene un interés a largo plazo en cómo los diferentes tipos de células que emergen a lo largo del eje dorsal/ventral, o "de arriba a abajo", del sistema nervioso están determinados por la competencia entre dos factores secretados, o "morfógenos": el dorsalizador Wnt, goteando desde el "polo norte" del cerebro o el ojo y su oponente ventralizante Sonic Hedgehog, arrastrándose desde el "sur".
“Los gradientes de morfógenos opuestos regulan los genes que deben expresarse en la parte superior o inferior del cerebro para que se produzca un desarrollo normal”, dice Lemke. “Esas mismas señales también deben controlarse cuidadosamente más adelante en tejidos maduros. Un ejemplo importante lo proporciona el cáncer, donde la señalización de Wnt hiperactiva a menudo se vincula con la formación de tumores”.
El laboratorio de Lemke mostró previamente que un par de proteínas Vax, que se unen al ADN y regulan la expresión génica, se expresan en un gradiente opuesto a Wnts: alto en el sur del cerebro o del ojo, o ventral, polo y más bajo a medida que avanza hacia el norte. Esto los llevó a proponer que, en respuesta a la señalización de Sonic Hedgehog, las proteínas Vax ventralizan los tejidos al bloquear las señales de Wnt.
Wnt y Sonic hedgehog (Shh) son proteínas de señalización que modelan los extremos dorsal (D) y ventral (V), los polos norte y sur, del cerebro embrionario. Wnt y Shh están en competencia recíproca en el embrión, y reprimen fuertemente las actividades del otro. Vácik et al. describen un nuevo mecanismo simple pero poderoso para esta represión recíproca: los factores de transcripción Vax, cuya expresión es activada por Shh, a su vez activan la expresión de dnTcf7l2, que funciona como un potente inhibidor de la señalización de Wnt.
Es probable que este descubrimiento tenga amplias implicaciones, ya que las vías competidoras de Shh y Wnt funcionan en muchos otros escenarios de la biología, incluida la progresión del cáncer de colon y el desarrollo de la diabetes tipo II.
Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos
Para probar esta idea, configuraron una pantalla genómica para buscar inhibidores de Wnt activados por Vax. Descubrieron que Vax se unía a una secuencia de ADN, o promotor, inusualmente ubicado en el medio de un gen, en lugar de flanquearlo. Y ese gen, denominado Tcf7l2, codificaba un factor de transcripción normalmente desplegado por Wnt para dorsalizar el tejido diana.
La paradoja se explicó cuando el grupo demostró que Vax activaba la expresión de un señuelo molecular, a saber, un muñón de la proteína Tcf7l2 al que le faltaba su extremo frontal, la parte necesaria para activar la expresión génica. Cuando se une al ADN, el fragmento reclutaría proteínas represoras para silenciar las señales de dorsalización. “Las células que expresan el inhibidor estarían ciegas a la señalización de Wnt”, dice Lemke.
Las proteínas Tcf7l2 de longitud completa se emparejan con un activador llamado ß-catenina. Pero el Tcf7l2 truncado carece de la región de interacción de ß-catenina, lo que provoca un cortocircuito en su función. Los científicos llaman a estas proteínas que interfieren "negativas dominantes".
Tomas Vacik, Ph.D., becario postdoctoral en el laboratorio de Lemke y primer autor del estudio, reevaluó los patrones de expresión génica en ratones que el laboratorio había diseñado para que carecieran de Vax2. “Descubrimos que Vax2 era necesario para la expresión de un grupo de antagonistas de Wnt en el ojo del ratón, incluido el negativo dominante Tcf7l2”, dice.
El análisis bioinformático de la secuencia de ADN de Tcf7l2 unida por Vax reveló otra sorpresa. Aproximadamente 700 pares de bases, o nucleótidos, del genoma del ratón alrededor del sitio de unión de Vax en Tcf7l2 mostraron una asombrosa identidad del 99 % entre ratones, humanos y pollos y del 85 % de identidad con los peces, una conservación que Lemke llama “excepcional en extremo”. .
“Esto significa que durante varios millones de años de evolución, la Madre Naturaleza dice que no se puede cambiar un solo nucleótido”, dice. “Eso te dice de inmediato que esta secuencia de ADN cumple una función reguladora muy importante”.
Las búsquedas en bases de datos revelaron que Tcf7l2 truncado se expresa en células cerebrales humanas, y el propio análisis del grupo reveló construcciones similares en las cabezas de embriones de rana. “Estos resultados sugieren que dnTcf7l2 se ha conservado mucho durante la evolución por su capacidad para reprimir poderosamente los genes diana de Wnt”, dice Vacik.
Anteriormente, otros investigadores descubrieron que los ratones que albergaban mutaciones en los genes inhibidores de Wnt a menudo presentaban cerebros anteriores gravemente truncados. Entonces, el grupo preguntó si la pérdida del negativo dominante Tcf7l2 perturbaría la formación de la cabeza. Para probar que inyectaron embriones de rana con un ARN inhibidor corto diseñado para degradar artificialmente la versión de rana de Tcf7l2 truncado.
Los embriones resultantes eran esencialmente decapitados, mostrando una pérdida completa de estructuras frente al mesencéfalo, el punto exacto donde la señalización de Wnt se detiene por completo en embriones normales de ratón o rana por el erizo sónico del morfógeno ventral opuesto y su secuaz Vax. Este es el primer estudio que proporciona una explicación de cómo se dibuja esta línea molecular en la arena.
“Nuestros resultados ilustran un principio muy básico: si tienes el poder de encender algo, debes tener la capacidad de apagarlo. De lo contrario, configura una situación de señalización descontrolada”, dice Lemke.
El desastroso resultado de la señalización descontrolada también se ilustra por el hecho de que las células cancerosas a menudo muestran una reactivación aberrante de los factores que rigen el desarrollo normal. Algunos tumores de cáncer de colon, por ejemplo, muestran niveles elevados de ß-catenina, la pareja de Tcf7l2, y la señalización Wnt no controlada resultante provoca la enfermedad. Más intrigante es que la incapacidad de las células tumorales para producir una forma inhibitoria corta de un factor relacionado con Tcf7l2 también se asocia con la tumorigenicidad.
"Entonces, Wnts y Sonic Hedgehog pueden competir en el cáncer de colon al igual que en el cerebro", dice Lemke. “Nuestro trabajo podría proporcionar una idea de cómo sucede eso mecánicamente. ”
También contribuyó a este estudio Jennifer Stubbs, Ph.D., ex becaria postdoctoral en el Laboratorio de Neurobiología Molecular ahora en Pathway Genomics en San Diego.
Los fondos para el estudio provinieron de los Institutos Nacionales de Salud.
Acerca de los Institutos Nacionales de Salud (NIH):
La Agencia de Investigación Médica de la Nación incluye 27 Institutos y Centros y es un componente del Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos. Es la agencia federal principal para realizar y apoyar la investigación médica básica, clínica y traslacional, e investiga las causas, los tratamientos y las curas para enfermedades comunes y raras. Para obtener más información sobre los NIH y sus programas, visite www.nih.gov.
Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.
Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.
Para más información:
Genes y desarrollo
Número 25: en prensa
Autores: Tomas Vacik, Jennifer L. Stubbs y Greg Lemke
Un nuevo mecanismo para la regulación transcripcional de la señalización Wnt en desarrollo
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