Proceso paso a paso de recableado de células para generar precursores de células germinales

Los diferentes tipos de células, por ejemplo, las células del corazón, el hígado, la sangre y el esperma, poseen características que las ayudan a llevar a cabo sus funciones únicas en el cuerpo. En general, esas características están cableadas. Sin intervención, una célula del corazón no se transformará espontáneamente en una célula del hígado.

Sin embargo, los investigadores de la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad de Pensilvania, en colaboración con los colaboradores de la Universidad de Texas en San Antonio y el Instituto de Investigación Biomédica de Texas, han llevado a las células sanguíneas de tití a adquirir la flexibilidad de las células madre. Luego dirigieron esas células madre para que adquirieran las características de los precursores del esperma.

en el diario eLife, informan sobre su proceso paso a paso de recableado de células. Los hallazgos, el primero en el tití, un pequeño mono, abren nuevas posibilidades para estudiar la biología de los primates y desarrollar nuevas tecnologías de reproducción asistida como in vitro gametogénesis, un proceso de generación de células germinales, espermatozoides u óvulos, en una placa de laboratorio, similar a cómo in vitro la fertilización implica la generación de un embrión fuera del cuerpo humano.

Los científicos saben cómo generar espermatozoides y óvulos funcionales a partir de células madre pluripotentes inducidas en ratones, pero las células germinales de ratón son muy diferentes de las células germinales humanas. Al estudiar los titíes, cuya biología se parece más a la nuestra, podemos cerrar la brecha”.

Kotaro Sasaki, profesor asistente en Penn Vet

Para comprender cómo generar células germinales, los investigadores estudiaron primero los precursores de células germinales de embriones de tití, que nunca se habían caracterizado rigurosamente para la especie. Descubrieron que estas células en etapa temprana, conocidas como células germinales primordiales (PGC), tenían ciertos marcadores moleculares que podían rastrearse a lo largo del tiempo. La secuenciación del ARN de una sola célula en estas células reveló que las PGC expresaban genes característicos de las células germinales en etapa temprana y aquellos relacionados con modificaciones epigenéticas, que regulan la expresión génica. Sin embargo, las PGC no expresaron genes que se sabe que se activan más tarde en el proceso de desarrollo de las células germinales, cuando las células precursoras migran a los ovarios o los testículos para completar su maduración.

Sus hallazgos fueron “consistentes con la noción de que las células germinales de los titíes se someten a un proceso de reprogramación”, dice Sasaki, que “desactiva” ciertos marcadores y permite que las PGC avancen a través de las etapas del desarrollo de las células germinales. Los patrones que los investigadores observaron en las células de los titíes se parecían mucho a los encontrados tanto en humanos como en otras especies de monos, pero eran distintos de los de los ratones, otra razón por la que los titíes podrían ser un modelo valioso para los estudios de biología reproductiva.

Con esa información en la mano, el equipo se dispuso a intentar reconstituir el proceso de desarrollo artificialmente, en el laboratorio. El primer paso: transformar las células sanguíneas en células madre pluripotentes inducidas (iPSC), células que conservan la capacidad de dar lugar a otros tipos de células.

“Tengo mucha experiencia trabajando con cultivos celulares y células madre pluripotentes inducidas, pero establecer un cultivo estable para las células de tití fue una parte difícil del estudio”, dice Yasunari Seita, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Sasaki y autora principal. .

Después de muchas pruebas y errores y de aplicar las lecciones aprendidas de las investigaciones con ratones, humanos y otras, Seita aterrizó en una estrategia que le permitió generar y mantener cultivos estables de iPSC. Una clave del éxito fue la adición de un inhibidor de la vía de señalización gobernada por la proteína Wnt, que está involucrada en una variedad de funciones celulares, como la diferenciación celular.

El siguiente paso fue pasar de iPSC a precursores de células germinales. Una vez más, se llevó a cabo una experimentación considerable para desarrollar el protocolo para esta transformación. El método que mejor funcionó implicó agregar un cóctel de factores de crecimiento para lograr que entre el 15 y el 40 % de su cultivo adquiriera las características de estos precursores de células germinales.

“Estábamos emocionados de ver esa eficiencia y pudimos expandir nuestras culturas, pasándolas varias veces y viendo un crecimiento agradable y exponencial”, dice Sasaki. “Las células mantuvieron marcadores clave de células germinales, pero no expresaron otros marcadores asociados con la migración a la gónada”.

En una etapa final del estudio, el equipo de investigación persuadió a estas células cultivadas en laboratorio para que asumieran las características de las células germinales en una etapa posterior. Basado en un método que Sasaki y sus colegas habían establecido anteriormente en células humanas y lo informaron en un 2020 Comunicaciones de la naturaleza papel, cultivaron las células con células testiculares de ratón en el transcurso de un mes. El resultado fue un crecimiento exitoso con algunas células que comenzaron a activar genes asociados con precursores de células espermáticas en etapas posteriores.

El desarrollo de nuevos enfoques para estudiar el tití prepara a los equipos de Penn y la Universidad de Texas en San Antonio, así como a la comunidad científica en general, para hacer uso de la especie como un importante modelo de investigación. Los titíes, por ejemplo, tienen un funcionamiento cognitivo que se parece al de los humanos en muchos aspectos y, por lo tanto, podrían conducir a nuevos conocimientos en neurociencia.

Para el grupo de Sasaki, más interesado en el desarrollo del sistema reproductivo, los titíes representan una nueva vía para realizar estudios de desarrollo normal y anormal, así como de fertilidad.

“Cuando piensas en las aplicaciones clínicas de una tecnología de reproducción asistida como in vitro gametogénesis, hay muchas preocupaciones éticas, legales y de seguridad que podrían surgir”, dice Sasaki. “Definitivamente necesitamos un buen modelo preclínico para explorar antes de pasar a la traducción clínica humana”.