Novedades de la ciencia: un estudio financiado por los NIH sugiere que el metabolismo celular regula los ritmos de desarrollo

Miércoles, Enero 4, 2023
Un grupo de células de color rosa, morado y verde sobre un fondo negro.
Células madre pluripotentes humanas
Crédito: Instituto Nacional del Ojo

El metabolismo celular ayuda a controlar la velocidad del desarrollo embrionario, según un estudio financiado por los Institutos Nacionales de la Salud. La información de este trabajo ayuda a explicar por qué las diferentes especies animales se desarrollan a ritmos distintos. Los hallazgos también sugieren las probabilidades de manipular los ritmos de desarrollo a nivel celular, lo que puede tener aplicaciones que van desde terapias basadas en células madre hasta tratamientos contra el cáncer.

El Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano (NICHD) Eunice Kennedy Shriver de los NIH financió una parte del trabajo, y la Dra. Margarete Diaz Cuadros y el Dr. Olivier Pourquié, de la Escuela de Medicina de Harvard, lo dirigieron. El Instituto Nacional del Cáncer y el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, ambos miembros de los NIH, y otras fuentes brindaron apoyo adicional. Los hallazgos aparecen en Nature.

Antecedentes

Aunque los mamíferos experimentan la misma secuencia general de eventos durante el desarrollo embrionario, las distintas especies lo hacen a velocidades notablemente diferentes. Mientras que una ratona tiene una gestación media de unos 20 días, una elefanta africana pasa casi dos años preñada. En general, los animales grandes tienden a desarrollarse más lentamente y vivir más que las especies pequeñas, pero no se conocen con certeza los factores que determinan los ritmos de desarrollo específicos de cada especie. Estudios anteriores han sugerido que los ritmos de ciertas reacciones bioquímicas, incluidas los que rigen la producción y degradación de proteínas en la célula, se aceleran en especies de rápido desarrollo. Sin embargo, aún no se conoce la causa de estas diferencias.

Para el estudio actual, los científicos desarrollaron un modelo basado en células que replica la doble diferencia en los ritmos de desarrollo de embriones prematurnos humanos y de ratones. Consiguieron que las células madre pluripotentes humanas y de ratones se convirtieran en células del mesodermo presomítico (PSM), un tipo de tejido embrionario a partir del cual se forman las estructuras que dan lugar a las vértebras, las costillas y los músculos esqueléticos. Estas estructuras, llamadas somitas, crecen de manera secuencial en un proceso que funciona según un “reloj de segmentación” celular. Este reloj, que activa y desactiva periódicamente ciertos genes, establece el ritmo para la formación de somitas y sirve para evaluar la velocidad del desarrollo embrionario.

Resultados

Mediante un sistema experimental, los investigadores encontraron que los ritmos metabólicos específicos de masa, los ritmos a los que las células consumen energía por gramo de peso celular, eran superiores en las células del PSM de los ratones, en comparación con las células del PSM humanas.

Luego evaluaron qué aspecto del metabolismo está involucrado en la regulación del ritmo de desarrollo. El bloqueo parcial de la cadena de transporte de electrones mitocondriales, que produce energía para alimentar la célula, ralentizó el reloj de segmentación reduciendo la relación de NAD+ a NADH, dos formas de una molécula central para el metabolismo celular. En última instancia, esto redujo el ritmo de la síntesis de proteínas en la célula. Por otro lado, cuando los científicos manipularon las células del PSM humanas para aumentar la relación de NAD+ a NADH, el ritmo de la síntesis de proteínas aumentó y el reloj de segmentación se aceleró.

Importancia

Los hallazgos brindan un punto de partida para desarrollar estrategias para manipular el ritmo de desarrollo, lo que abre numerosas posibilidades para la investigación y la medicina. Acelerar el ritmo de desarrollo permitiría a los investigadores crear modelos de enfermedades basados en células madre y terapias basadas en células con mayor rapidez. Es posible que las estrategias para disminuir el ritmo de desarrollo de las células tumorales de rápido crecimiento resulten prometedoras como terapias contra el cáncer. Dichas estrategias también podrían servir para tratar enfermedades y procesos relacionados con el envejecimiento, que en muchos casos dependen de los niveles de NAD+.

Referencia

Diaz Cuadros M et al. Metabolic regulation of species-specific developmental rates en el contenido de Inglés Notificacion de salida. Nature DOI: 10.1038/s41586-022-05574-4 (2023)