El linaje celular denota la historia del desarrollo de un tejido u órgano a partir del óvulo fertilizado . [1] Esto se basa en el seguimiento de la ascendencia celular de un organismo debido a las divisiones celulares y la reubicación a medida que avanza el tiempo, esto comienza con las células originarias y termina con una célula madura que ya no puede dividirse. [2] [3]
Este tipo de linaje se puede estudiar marcando una célula (con moléculas fluorescentes u otros marcadores rastreables) y siguiendo su progenie después de la división celular. Algunos organismos, como C. elegans , tienen un patrón predeterminado de progenie celular y el macho adulto siempre constará de 1031 células, esto se debe a que la división celular en C. elegans está determinada genéticamente y se conoce como eutelia . [4] [5] Esto hace que el linaje celular y el destino celular estén altamente correlacionados. Otros organismos, como los humanos, tienen linajes variables y números de células somáticas.
Como uno de los primeros pioneros del linaje celular, en la década de 1960 el Dr. Sydney Brenner comenzó a observar la diferenciación y la sucesión celular en el nematodo Caenorhabditis elegans . El Dr. Brenner eligió este organismo debido a su cuerpo transparente, reproducción rápida, facilidad de acceso y pequeño tamaño, lo que lo hacía ideal para seguir el linaje celular bajo un microscopio.
En 1976, el Dr. Brenner y su asociado, el Dr. John Sulston , habían identificado parte del linaje celular en el sistema nervioso en desarrollo de C. elegans . Los resultados iniciales mostraron que el nematodo era eutélico (cada individuo experimenta las mismas vías de diferenciación), sin embargo, el trabajo de Sulston y Richard Horvitz mostró que varias células necesarias para la reproducción se diferencian después de la eclosión. Estas células incluyen células vulvares, así como músculos y neuronas. Esta investigación también condujo a las observaciones iniciales de muerte celular programada o apoptosis.
Después de mapear varias secciones del linaje celular de C. elegans , el Dr. Brenner y sus asociados pudieron reconstruir el primer mapa completo y reproducible del destino del linaje celular. Más tarde recibieron el premio Nobel de 2002 por su trabajo en la regulación genética del desarrollo de órganos y la muerte celular programada. [6] Dado que C. elegans es hermafrodita, constan de órganos masculinos y femeninos, donde almacenan esperma y pueden autofecundarse. C. elegans contiene 302 neuronas y 959 células somáticas, donde comienzan con 1031, donde 72 experimentan apoptosis, que es muerte celular programada. Esto hace que C. elegans sea un organismo modelo para estudiar el linaje celular y poder observar las divisiones celulares debido a su fenotipo transparente. [7]
Uno de los primeros estudios de linajes celulares tuvo lugar en la década de 1870 por Whitman, quien estudió los patrones de división en sanguijuelas y pequeños invertebrados . Descubrió que algunos grupos, como los gusanos nematodos y las ascidias, forman un patrón de división celular que es idéntico entre individuos e invariable. Se pensaba que esta alta correlación entre el linaje celular y el destino celular estaba determinada por factores segregantes dentro de las células en división. Otros organismos tenían patrones estereotipados de división celular y producían sublinajes que eran la progenie de células precursoras particulares. Se cree que estos destinos celulares más variables se deben a la interacción de las células con el medio ambiente. Debido a los nuevos avances en el seguimiento de células con mayor precisión, esto ayudó a la comunidad biológica, ya que ahora se utilizan una variedad de colores para mostrar las células originales y poder rastrearlas fácilmente. Estos colores son fluorescentes y se marcan en las proteínas mediante la administración de inyecciones para rastrear dichas células. [8]
El linaje celular se puede determinar mediante dos métodos: la observación directa o el análisis clonal. A principios del siglo XIX se utilizaba la observación directa, pero era muy limitada, ya que solo se podían estudiar muestras pequeñas y transparentes. Con la invención del microscopio confocal, esto permitió estudiar organismos más grandes y complejos. [9]
Tal vez el método más popular de mapeo del destino celular en la era genética es a través de la recombinación específica del sitio mediada por los sistemas Cre-Lox o FLP-FRT . Al utilizar los sistemas de recombinación Cre-Lox o FLP-FRT , se activa un gen reportero (que generalmente codifica una proteína fluorescente) y marca permanentemente la célula de interés y sus células descendientes, de ahí el nombre de rastreo de linaje celular. [10] Con el sistema, los investigadores podrían investigar la función de su gen favorito en la determinación del destino celular mediante el diseño de un modelo genético donde dentro de una célula un evento de recombinación está diseñado para manipular el gen de interés y el otro evento de recombinación está diseñado para activar un gen reportero. Un problema menor es que los dos eventos de recombinación pueden no ocurrir simultáneamente, por lo que los resultados deben interpretarse con cautela. [11] Además, algunos reporteros fluorescentes tienen un umbral de recombinación tan extremadamente bajo que pueden marcar poblaciones de células en puntos temporales no deseados en ausencia de inducción. [12]
Se han desarrollado enfoques de biología sintética y el sistema CRISPR / Cas9 para diseñar nuevos sistemas genéticos que permitan a las células registrar de forma autónoma información de linaje en su propio genoma. Estos sistemas se basan en mutaciones dirigidas y diseñadas de elementos genéticos definidos. [13] [14] Al generar nuevas alteraciones genómicas aleatorias en cada generación celular, estos enfoques facilitan la reconstrucción de árboles de linaje. Estos enfoques prometen proporcionar un análisis más completo de las relaciones de linaje en organismos modelo. También se están desarrollando métodos de reconstrucción de árboles computacionales [15] para conjuntos de datos generados por dichos enfoques.
En los seres humanos, después de la fertilización , el cigoto se divide en dos células. Las mutaciones somáticas que surgen directamente después de la formación del cigoto, así como más tarde en el desarrollo, se pueden utilizar como marcadores para rastrear linajes celulares en todo el cuerpo. [16] Comenzando con las divisiones del cigoto, se observó que los linajes contribuían de manera desigual a las células sanguíneas . Se encontró que hasta el 90% de las células sanguíneas se derivaban de solo uno de los dos primeros blastómeros . Además, el desarrollo normal puede dar lugar a características desiguales de órganos simétricos, como entre la corteza cerebral frontal y occipital izquierda y derecha . Se propuso que la eficiencia de la reparación del ADN contribuye al desequilibrio del linaje, ya que el tiempo adicional que una célula dedica a la reparación del ADN puede disminuir la tasa de proliferación. [16]