DA pesar de su descripción inicial hace 180 años, los científicos durante muchos años no lograron comprender el significado de la estructuras solitarias parecidas a pelos que se extienden desde la superficie de muchos tipos de células, incluidas las células epiteliales y las neuronas.1 Conocidos como cilios primarios, las diferencias físicas entre estos orgánulos inmóviles y los cilios móviles que propulsan fluidos no eran evidentes. En la década de 1950, microscopía electrónica de transmisión permitió a los investigadores distinguir la ultraestructura de estas dos formas de cilios y cómo funcionan los cilios primarios en la salud y las enfermedades humanas.2
Ahora, en un artículo publicado recientemente Revista de biología celular En el artículo, los científicos utilizaron una técnica de microscopía electrónica más nueva, llamada microscopía electrónica de volumen (vEM), para examinar cómo los cilios primarios de las neuronas en desarrollo cambian durante la diferenciación.3 La investigación proporciona información valiosa sobre un proceso crítico para los tejidos del cerebro en desarrollo y adultos y más allá.
Carolyn Ott y su equipo descubrieron cómo las células granulares en diferenciación del cerebelo deconstruyen permanentemente sus cilios primarios.
Matt Staley
Los cilios primarios son orgánulos sensoriales importantes que desempeñan un papel en la señalización y el desarrollo celular. “A veces la gente piensa en [primary cilium] como antena porque están recubiertos de receptores y los tipos de mensajes que los cilios pueden recibir dependen de qué receptores expresa la célula y se mueve hacia los cilios”, dijo Carolyn Ottbiólogo celular del Instituto Médico Howard Hughes y coautor del estudio. “Entonces, es una estructura de señalización sintonizable”.
Aunque numerosos procesos dentro del cerebro involucran a cilios primarios, los investigadores entienden muy poco acerca de cómo las modificaciones en la ultraestructura del orgánulo afectan el desarrollo neurológico. Las células granulares inmaduras (GC), que se convierten en el tipo de neurona más abundante en el cerebro adulto, ofrecen una oportunidad única para responder a esta pregunta.
Durante el desarrollo, el ligando erizo sónico (SHH) se une a los receptores en los cilios primarios de los GC progenitores, lo que lleva a la proliferación, diferenciación y migración de las células a capas más profundas del cerebelo.4 Pero, una vez que comienza la etapa de diferenciación, las células dejan de responder a SHH. Además, el análisis de inmunofluorescencia ha revelado que los GC en diferenciación tienen menos cilios y más cortos que sus contrapartes inmaduras, y los GC adultos rara vez poseen estas estructuras. Esto sugiere que estas células desmontan sus cilios durante la maduración. Sin embargo, examinar suficientes orgánulos para caracterizar completamente este proceso de desmontaje presentó un desafío para los investigadores.
“Los cilios son difíciles de encontrar si se realiza una EM convencional”, dijo Ott. “Son estructuras de baja frecuencia. Hay un cilio por célula”.
Para analizar más cilios primarios, Ott y su equipo examinaron conjuntos de datos VEM disponibles públicamente sobre cerebelo de ratón en desarrollo. Debido a que la etapa de desarrollo de los GC corresponde a su profundidad en el tejido, un único volumen reconstruido captura células de diferentes fases de maduración. A partir de estos volúmenes, Ott y su equipo determinaron que los cilios primarios se desmontan permanentemente a medida que se diferencian los progenitores de GC. Dado que este desmontaje ocurre en células posmitóticas, los investigadores llamaron a este proceso deconstrucción de los cilios para distinguirlo del desmontaje transitorio de los cilios que ocurre antes de la división celular.
A través de microscopía electrónica de volumen, los investigadores observaron que las células granulares en diferenciación con frecuencia ocultan sus cilios primarios (cian) que se desmontan del entorno extracelular. Los cilios primarios se originan a partir de los centriolos madre (púrpura), que se acoplan a la membrana plasmática durante este proceso de deconstrucción.
Carolyn Ott
Al examinar la ultraestructura de los cilios primarios durante la deconstrucción de los cilios, los investigadores observaron que muchos GC diferenciadores poseían cilios cortos que estaban completamente encerrados dentro de un compartimento membranoso en su citoplasma. Esto ocultó estas estructuras en desmontaje de estímulos en el entorno extracelular, como SHH.
Durante la deconstrucción de los cilios, Ott y su equipo también observaron que los centriolos madre, que son responsables de la formación inicial de los cilios, finalmente se acoplan a la membrana plasmática pero permanecen sin ciliar. Esto sorprendió a los investigadores, ya que los científicos sólo han observado unos pocos ejemplos de centríolos que se acoplan sin formar cilios. Los investigadores detectaron nuevos intermediarios de deconstrucción que eran diferentes de los observados durante el desmontaje de los cilios premitóticos, lo que sugiere procesos distintos. Sin embargo, el equipo no pudo ordenar los intermedios en una única vía lineal. En cambio, sugirieron que existen varias rutas posibles de deconstrucción de los cilios que podrían generar GC adultos no ciliados con centríolos madre acoplados.
“Este es un buen estudio que combina algunas tecnologías y análisis nuevos para responder algunas preguntas sobre los cilios primarios que no se habían estudiado bien antes y arroja algunos hallazgos interesantes e inesperados que serán importantes para el campo y la biología celular más amplia”. comunidad”, dijo David Breslowbiólogo celular de la Universidad de Yale que no participó en el estudio. “Una pregunta interesante que surge es cuántas formas diferentes de desmontar los cilios existen y qué versiones de estos procesos se utilizan en diferentes contextos fisiológicos”. Breslow espera que los investigadores se den cuenta del potencial de volver a analizar estos conjuntos de datos vEM ricos en información para obtener nuevos conocimientos sobre el cerebro y otros tejidos. “Ahora nos estamos dando cuenta, a través de trabajos como este, de que estos conjuntos de datos pueden extraerse para obtener otros tipos de información relevante para los cilios u otros fenómenos biológicos celulares”.
Si bien la deconstrucción de los cilios podría ser importante para la diferenciación de otros progenitores ciliados, este proceso también puede desempeñar un papel en el desarrollo del meduloblastoma. Estos tumores cerebrales son el resultado de una proliferación aberrante de GC en el cerebelo y, en algunos tipos de este cáncer, las células tumorales poseer cilios primarios y responder a la señalización SHH.5 Esto sugiere que ocultar y descomponer los cilios es importante para prevenir la estimulación continua de SHH, que podría causar cáncer. “Comprender lo que está sucediendo con los cilios puede ser importante para comprender qué salió mal en el tumor, lo que con suerte conducirá a nuevos objetivos”, dijo Ott.