L'inizio della vita è avvolto nel mistero. Sebbene le complesse dinamiche della mitosi siano ben studiate nelle cosiddette cellule somatiche – le cellule che hanno una funzione specializzata, come le cellule della pelle e dei muscoli – rimangono sfuggenti nelle prime cellule del nostro corpo, le cellule embrionali. La mitosi embrionale è notoriamente difficile da studiare nei vertebrati, poiché le analisi funzionali dal vivo e l'imaging di embrioni sperimentali sono tecnicamente limitate, il che rende difficile monitorare le cellule durante l'embriogenesi.
Tuttavia, i ricercatori della Cell Division Dynamics Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) hanno pubblicato un articolo su Nature Communications , insieme ai professori Toshiya Nishimura dell'Università di Hokkaido (in precedenza all'Università di Nagoya), Minoru Tanaka dell'Università di Nagoya, Satoshi Ansai dell'Università di Tohoku (attualmente all'Università di Kyoto) e Masato T. Kanemaki dell'Istituto nazionale di genetica.
Lo studio compie i primi importanti passi verso la risposta alle domande sulla mitosi embrionale, grazie a una combinazione di nuove tecniche di imaging, tecnologia di modifica del genoma CRISPR/Cas9, un moderno sistema di knockdown delle proteine e medaka, o pesce di riso giapponese (Oryzias latipes). /P>
I timelapse che hanno prodotto aiutano a rispondere a domande fondamentali sull’intricato processo di divisione equa dei cromosomi durante la mitosi embrionale e, contemporaneamente, a tracciare la prossima frontiera dell’esplorazione scientifica. Come il professor Tomomi Kiyomitsu, autore senior dello studio, descrive i timelapse, dicendo:"Sono belli, sia di per sé sia perché gettano una nuova base per chiarire la mitosi embrionale".
Al centro del mistero della mitosi embrionale c’è il passaggio cruciale in cui i cromosomi, che contengono tutte le informazioni genetiche della cellula, sono allineati e segregati equamente nelle cellule figlie. Un attore chiave in questo processo è il fuso mitotico, che è costituito da microtubuli – lunghe fibre proteiche utilizzate per la struttura e il trasporto intracellulare – che si irradiano dai poli opposti del fuso e si attaccano ai cromosomi nel mezzo. Il fuso cattura correttamente i cromosomi duplicati e li separa equamente nelle cellule figlie durante la divisione.
Ci sono molti fattori che determinano la formazione del fuso e uno di questi è la proteina Ran-GTP, che svolge un ruolo essenziale nella divisione cellulare delle cellule riproduttive femminili, che mancano di centrosomi - organelli cellulari responsabili dell'assemblaggio dei microtubuli - ma non nelle piccole cellule somatiche. che hanno centrosomi. Tuttavia, non è chiaro da tempo se il Ran-GTP sia necessario per l'assemblaggio del fuso negli embrioni precoci dei vertebrati, che contengono centrosomi ma hanno caratteristiche uniche, come dimensioni cellulari più grandi.
A differenza degli embrioni precoci dei mammiferi, le cellule embrionali dei pesci sono trasparenti e si sviluppano in modo sincrono in uno strato uniforme e unicellulare, il che ne rende molto più facile il tracciamento. I medaka si sono rivelati particolarmente adatti per i ricercatori, poiché questi pesci tollerano un'ampia gamma di temperature, producono uova ogni giorno e hanno un genoma relativamente piccolo.
Essere resistenti alla temperatura significa che le cellule embrionali medaka potrebbero sopravvivere a temperatura ambiente, rendendole particolarmente adatte per la fotografia timelapse dal vivo e di lunga durata.
Il fatto che i medaka producano uova frequentemente e abbiano una dimensione del genoma relativamente piccola li rende buoni candidati per l’editing genomico mediato da CRISPR/Cas9. Con questa tecnologia, i ricercatori hanno creato un medaka geneticamente modificato, o transgenico, le cui cellule embrionali evidenziano letteralmente la dinamica di alcune proteine coinvolte nella mitosi.
Studiando i tempi dello sviluppo del fuso mitotico in embrioni medaka transgenici vivi, i ricercatori hanno scoperto che i grandi embrioni precoci assemblano fusi unici diversi dai fusi somatici. Inoltre, il Ran-GTP svolge un ruolo decisivo nella formazione del fuso nelle prime divisioni embrionali, ma l'importanza diminuisce negli embrioni allo stadio successivo. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che la struttura del fuso viene rimodellata man mano che le cellule diventano più piccole durante lo sviluppo, anche se il motivo esatto è oggetto di ricerche future.
I ricercatori hanno anche scoperto che le cellule embrionali precoci non hanno un punto di controllo dedicato per l'assemblaggio del fuso, che caratterizza la maggior parte delle cellule somatiche e che serve a garantire che i cromosomi siano correttamente allineati prima della segregazione.
Come dice il professor Kiyomitsu:"Il checkpoint non è attivo, eppure le segregazioni cromosomiche sono ancora molto precise. Ciò potrebbe essere spiegato dal fatto che le cellule embrionali devono dividersi molto rapidamente, ma è qualcosa che vogliamo studiare ulteriormente".
Sebbene la modifica genetica del pesce medaka e lo studio dei primi embrioni abbiano portato a nuove conoscenze chiave sulla mitosi embrionale, questo è solo l'inizio per il professor Kiyomitsu e il suo team.
Oltre alle domande relative alla diminuzione del ruolo del Ran-GTP nelle fasi successive e alla mancanza del punto di controllo dell'assemblaggio del fuso, sottolinea la soddisfacente simmetria delle divisioni cellulari nei timelapse. "La formazione del fuso è caratterizzata da un alto grado di simmetria, poiché le cellule sembrano dividersi in dimensioni e direzioni definite, e il fuso è costantemente al centro delle cellule. Come può il fuso orientarsi in modo così regolare attraverso le cellule? , e come riesce a trovare ogni volta il centro?"
Andando oltre i timelapse, il team spera anche di consolidare ulteriormente queste nuove basi con ulteriori linee genetiche medaka che servano da modelli per la ricerca sulle cellule embrionali e allo stesso tempo ottimizzino il processo di modifica del genoma.
Infine, il team vuole verificare la generalizzabilità dei loro risultati studiando la mitosi embrionale in altri organismi e, in una fase successiva, vuole esplorare l'evoluzione dell'assemblaggio del fuso e delle divisioni embrionali, che contribuirebbe anche a una migliore comprensione dell'embriogenesi umana e allo sviluppo della diagnosi e del trattamento dell'infertilità umana.
"Con questo articolo abbiamo creato una solida base", afferma il professor Kiyomitsu, "ma abbiamo anche aperto una nuova frontiera. La mitosi embrionale è bella, misteriosa e stimolante da studiare e speriamo che con il nostro lavoro potremo finalmente avvicinarsi un po' di più alla comprensione dei complessi processi all'inizio della vita."
Ulteriori informazioni: Ai Kiyomitsu et al, Ran-GTP assembla una struttura del fuso specializzata per un'accurata segregazione cromosomica negli embrioni precoci di medaka, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45251-w
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Okinawa Institute of Science and Technology
