In los meses oscuros y gélidos del invierno, las crías de tortugas pintadas se esconden en nidos helados y poco profundos donde entran en un estado de animación suspendida.1 Sus corazones dejan de latir; sus metabolismos se ralentizan; y más de la mitad del agua de sus cuerpos se convierte en hielo. Con la llegada de la primavera, las crías de tortuga comienzan a descongelarse y vuelven las señales de vida.
La tortuga pintada tiene una notable capacidad para sobrevivir a temperaturas bajo cero y períodos prolongados sin oxígeno, que son adaptaciones únicas que convierten a estos reptiles en modelos ideales para estudiar la hipoxia, la anoxia y la tolerancia a las heladas. Humanos y tortugas pintadas comparten algunos de los genes que se activan en el reptil durante condiciones de bajo oxígeno, pero surgen diferencias en su regulación.2 Una comprensión más profunda de los genes y mecanismos moleculares que impulsan estos estados podría informar nuevos enfoques para tratar la lesión hipóxica después de un derrame cerebral o un ataque cardíaco, así como estrategias de criopreservación para el trasplante de órganos. Sin embargo, la disponibilidad limitada de herramientas genómicas y modelos in vitro para estudiar la especie limita los conocimientos mecanicistas.
En un estudio publicado en Biología de las Comunicacioneslos investigadores introdujeron un método para generar células madre derivadas organoides de hígado de tortuga.3 Los investigadores esperan que su nueva tecnología facilite una exploración más profunda de los mecanismos que impulsan las adaptaciones únicas de la tortuga.
“La idea de este proyecto era generar herramientas que puedan ser adoptadas por otros investigadores”, dijo Nicole Valenzuela, biólogo evolutivo de la Universidad Estatal de Iowa y coautor del estudio. “Pueden responder las preguntas que quisieron hacer pero no pudieron”.
Valenzuela ha trabajado con tortugas durante casi 30 años, enfocándose en determinación del sexo.4 Su equipo había identificado una serie de genes que podrían regular este proceso biológico dependiente de la temperatura, pero no existían herramientas para la genómica funcional específica de las tortugas. “Nos topamos con un muro”, dijo Valenzuela.
A diferencia de los animales de laboratorio de vida corta y reproducción rápida, como las moscas de la fruta y los ratones, las tortugas pintadas se reproducen estacionalmente y viven entre 20 y 60 años. “No son el típico organismo modelo”, dijo Valenzuela. “Las tortugas tienen una biología fascinante, pero son difíciles de estudiar”.
Las líneas celulares humanas impulsan la investigación biomédica y varios avances tecnológicos y terapéuticos en la ciencia han utilizado estas herramientas. “No tenemos eso con la tortuga”, dijo Kyle Biggar, bioquímico de la Universidad de Carleton que no participó en este estudio. “Esta es una limitación importante”. En cambio, los biólogos de tortugas se han basado en estudios observacionales y experimentos terminales que proporcionan una serie de instantáneas descriptivas de vías de transducción de señales o adaptaciones metabólicas que se fijan en un único punto temporal. “Antes estábamos formulando hipótesis, pero no podíamos comprobarlas”, afirma Biggar. “La investigación sobre organoides es realmente interesante porque brinda al campo una herramienta moderna y avanzada para aprender más sobre la adaptación a niveles bajos de oxígeno y la posible tolerancia a la congelación”.
Hace unos años, Valenzuela estuvo en un evento en el campus donde conoció a investigadores de la Facultad de Medicina Veterinaria que estaban desarrollando organoides intestinales a partir de perros para pruebas de drogas.5 La fascinación de Valenzuela con el enfoque creció hasta convertirse en una colaboración con los investigadores para probar si podían aplicar esta tecnología a las tortugas. “Este trabajo da la respuesta categórica que sí”, afirmó Valenzuela. “Acabamos de producir los primeros organoides de tortuga del mundo”.
Nicole Valenzuela, bióloga evolutiva de la Universidad Estatal de Iowa, ha estudiado las tortugas durante más de 30 años y está interesada en los genes que regulan la determinación del sexo, la anoxia y la tolerancia a la congelación.
Christopher Gannon, Universidad Estatal de Iowa
Valenzuela y su equipo se enfocaron en generar hígado modelos dado el papel crítico del órgano en la orquestación de las superabilidades de la tortuga pintada.6 Después de recolectar muestras de tejido hepático de tortugas pintadas adultas, los investigadores recolectaron células madre y les proporcionaron algo de andamiaje y un cóctel de factores que estimulan el crecimiento. Las células no solo generaron organoides, sino que los investigadores también descubrieron que podían congelarlas y revivirlas indefinidamente para obtener una fuente continua de material experimental. “El simple hecho de tener una línea celular de tortuga manejable con la que se pueda trabajar es un gran paso adelante”, afirmó Biggar. Utilizando el mismo protocolo de cultivo, crearon organoides a partir de embriones y crías de tortugas pintadas, así como de otras dos especies de tortugas.
Con los organoides en la mano, los investigadores se propusieron caracterizar los mini hígados y explorar cómo se apilaban con su tejido de origen. El uso de enfoques histológicos clásicos junto con la microscopía electrónica ayudó a confirmar que algunos de los tipos de células presentes en el hígado también emergieron en sus organoides. Los mini hígados se enriquecieron con células epiteliales, específicamente colangiocitos y hepatocitos. Para caracterizar la composición molecular de las células, los investigadores utilizaron la secuenciación de ARN. La mayoría de los genes identificados en los organoides también se expresaron en el tejido de origen.
El uso de diferentes especies de tortugas y etapas de vida permitió a los investigadores explorar diferencias específicas de especies y edades que sientan las bases para futuros experimentos dentro y entre especies. Los análisis transcriptómicos y proteómicos preliminares produjeron una colección de genes y proteínas expresados diferencialmente, respectivamente, que los investigadores pueden investigar más a fondo para aislar las moléculas que regulan las adaptaciones únicas de la tortuga pintada.
“Los autores hicieron un buen trabajo al mostrar cuál es el potencial de estos recursos, [but] En realidad, no demostraron si estos organoides son capaces de responder adecuadamente a períodos de bajo nivel de oxígeno, que obviamente es lo siguiente que hay que hacer”, dijo Biggar. También señaló que la adaptación al oxígeno es una respuesta de todo el organismo que integra señales hormonales y ambientales e implica una interacción entre múltiples tejidos, por lo que el organoide puede funcionar de manera diferente al órgano original. A pesar de esta limitación, Biggar añadió: “Sin duda, todavía se obtienen muchos conocimientos novedosos”.
Ahora, los biólogos de tortugas tienen acceso a una plataforma que, cuando se utiliza junto con herramientas genómicas funcionales como la edición de genes CRISPR, podría facilitar experimentos mecanicistas. Valenzuela y su equipo todavía están optimizando los organoides, pero está entusiasmada por probar el papel de genes específicos en la regulación de la tolerancia a la congelación y la anoxia. Dijo que los próximos pasos implican rastrear los cambios moleculares que ocurren cuando exponen los organoides a diferentes condiciones ambientales.
“Aún queda mucho trabajo descriptivo por hacer, pero pase lo que pase, es un paso iterativo importante hacia [larger models of understanding]”, dijo Biggar.
Referencias
- Planta KB, Planta JM. Fisiología molecular de la tolerancia a la congelación en vertebrados.. Physiol Rev. 2017;97(2):623-665.
- Shaffer HB y col. El genoma de la tortuga pintada occidental, un modelo para la evolución de adaptaciones fisiológicas extremas en un linaje que evoluciona lentamente. Genoma biológico. 2013;14(3):R28.
- Zdyrski C, et al. El establecimiento y caracterización de organoides de hígado de tortuga proporciona un modelo potencial para decodificar sus adaptaciones únicas. Biol Comunitario. 2024;7(1):218.
- Bista B, Valenzuela N. Perspectivas de las tortugas sobre la evolución del cariotipo reptil y la arquitectura genómica de la determinación del sexo. genes. 2020;11(4):416.
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