Com s’organitza un individu?

Ahir dimecres 17 d’octubre, va venir Cristina Pujades, del Departament de Ciències Experimentals i de la Salut (UPF), per parlar-nos sobre com s’organitza un individu. Durant el desenvolupament, a partir d’una sola cèl·lula apareixerà un organisme. Com s’estructurarà? Quins són els patrons que segueix un embrió? Com sorgeixen els diferents òrgans dels sentits que ens permeten de conèixer el nostre entorn? Com s’organitzen les diverses parts per a que cada cosa vagi al seu lloc? Cristina ens explica que és afortunada treballant al PRBB (Parc de Recerca Biomèdica de Barcelona), no només perquè és davant del mar -que també-, sinó perquè hi treballen mil persones de diverses procedències, que pertanyen a sis centres de recerca, cosa que permet un intercanvi d’idees molt fructífer. Ella dirigeix un laboratori de sis persones, dos dels quals són post-docs. Reconeix que, si el seu grup publica bé, és perquè té una certa habilitat seleccionant investigadors que són millors que ella, amb la qual cosa tiren el grup amunt. El seu camp d’estudi és el romboencèfal o cervell posterior, l’estructura embrionària transitòria més conservada al llarg de l’evolució i que conté, entre d’altres, els nucles que controlen funcions fonamentals com la respiració o la deglució. La recerca comença amb una hipòtesi de treball, a la que segueix el plantejament dels experiments, la seva realització i la interpretació dels resultats. Finalment, de les respostes sorgeixen noves preguntes. Ara, però, els científics ja no són més com els del segle XX. Ara els grups són multidisciplinaris, perquè requereixen la presència, a més de biòlegs, de programadors, de bioenginyers… Com a animal model fan servir el peix zebra. No perquè els interessi saber com és el peix, sinó perquè els patrons de la formació del cervell és semblant a la nostra, cosa que proveeix d’una certa humilitat… La formació d’un individu Tots els individus ens formem a partir d’una cèl·lula. Aquesta primera és totipotent, capaç de donar totes les cèl·lules de l’organisme. La Biologia del Desenvolupament estudia quins mecanismes el controlen. Les cèl·lules que es van generant a partir de la divisió d’altres al mateix temps han de col·locar-se al lloc on van. I, a mesura que es van especialitzant, van perdent capacitat de tornar-se altres cèl·lules. El procés ve controlat pels gens. Totes les cèl·lules tenen els mateixos gens, atès que contenen la dotació genòmica total (la meitat heretada del pare i la meitat de la mare). I, com s’expressen els gens que cal en cada una de les posicions i en cada un dels moments? Doncs, de tot el genoma, un u per cent codifica per gens; l’altre noranta-nou per cent -que abans se’n deia “DNA escombraries” – ara s’ha trobat que regula l’expressió dels gens en un determinat moment i en un determinat lloc. En els primers estadis del procés, les cèl·lules primer s’especialitzen, s’adrecen a les diferents parts que després conformaran l’organisme. A mesura que els entorns van definint-se, es diu que les cèl·lules veuen determinat el seu destí. En la darrera fase, les cèl·lules es diferencien; ja han canviat les seves característiques de manera permanent i les seves descendents ja mantindran les característiques. Tot el procés és ben programat i coordinat; i en la seva comprensió hem de tenir present el pas del temps i el canvi de morfologia en l’espai. Tot es fa seguint uns plànols ben establerts; no succeeix com suggeria Aristòtil, que era preformacionista, és a dir, que considerava que dins l’ou hi havia un humà en miniatura. I de la mateixa manera que en la resolució de plànols, primer es fan les estructures bàsiques; després, es van estructurant cada cop les més fines. Les capes Un cop fertilitzat l’ou, les cèl·lules es van dividint produint una forma esfèrica. Més endavant, en tots els animals té lloc la gastrulació, que és la invaginació d’una part de la massa de cèl·lules. Unes cèl·lules quedaran dins, altres fora, i altres, al mig. Aquí hi haurà la determinació dels grans tipus de teixits. L’endoderma donarà lloc a les vísceres; el mesoderma, als músculs i la sang, i l’ectoderma, al sistema nerviós i la pell. Els eixos En la fase d’especialització, es determinaran els eixos de l’embrió i tindrà lloc alhora el canvi de forma. Primer unes cèl·lules aniran a formar el cap (amb el cervell) i unes altres la cua (la medul·la), dibuixant l’eix antero-posterior. Desprès es formarà l’eix dorso-ventral, que determinarà, en el cas dels vertebrats, la posició de columna vertebral i la de les vísceres. I, dins el sistema nerviós, també hi ha una orientació dorso-ventral: a la part dorsal hi acabaran les neurones sensorials; mentre que a la part ventral, les motores. L’últim eix en definir-se serà el corresponent a la simetria bilateral: esquerra-dreta, que defineix la posició dels òrgans no simètrics, com són el cor i el fetge. Tot està ben coordinat; el dia 16, les cèl·lules d’un embrió humà ja tindran clar si seran sistema nerviós o una altra cosa. El dia 22 ja té els eixos determinats. La morfogènesi En determinades zones hi ha una concentració superior d’una determinada proteïna, cosa que farà que les cèl·lules prenguin un camí o un altre. Les més allunyades tindran una influència molt menor i seguiran altres camins. Per això, segons quines cèl·lules són veïnes, la influència és una o una altra. Els veïns condicionen. Per tota aquesta combinació del pas del temps i la ocupació d’un determinat espai en l’embrió es fan pel·lícules per a veure com succeeix. Abans els vídeos eren per descriure; ara, són per a descobrir com es desenvolupa un embrió. Els ous que s’han de desenvolupar es tracten amb diferents proteïnes fluorescents; s’enganxa un determinat color a un determinat gen, de manera que es veu com es desenvolupa d’una manera molt vistosa. En combinar genètica, imatge, computació… els equips han de ser forçosament multidisciplinaris. Zebrafish Development from Royal Microscopical Society on Vimeo. Cèl·lules mare Inevitablement parlem de cèl·lules mare. La primera cèl·lula que donarà lloc a un organisme és totipotent, pot donar qualsevol altra. A mesura que es forma l’embrió, les cèl·lules deixen de tenir aquesta capacitat. En formar-se els eixos i anar prenent forma, les cèl·lules de cada regió donen lloc als òrgans corresponents. Això no vol dir que no puguin desfer-se camins; però arriba un punt en què unes cèl·lules diferenciades només donaran lloc a cèl·lules iguals. De tota manera, a determinades regions del cos sempre hi haurà cèl·lules capaces de generar noves cèl·lules, sobre tot en determinats teixits. El moll de l’ós, per exemple, és on es formen les cèl·lules de la sang. I això és perquè les cèl·lules es divideixen de forma asimètrica: de les dues cèl·lules que surten de la divisió, una serà una cèl·lula com la primera (potencial) i l’altre, específica. De vegades es revertir la diferenciació de les cèl·lules. La primera persona a fer-ho va ser John Gurdon; va prendre el nucli de la cèl·lula del budell d’un cap gros i va trasplantar-lo al citoplasma d’un oòcit, i va obtenir un individu adult. El 2012 va rebre el Premi Nobel amb Shinya Yamanaka, que també va provar que les cèl·lules adultes es poden re-programar per a convertir-les en pluripotents. Tot i que encara hi ha dificultats en la implantació d’aquestes tècniques en humans, perquè les cèl·lules tractades amb els factors de Yamanaka moren aviat, són una finestra oberta a la medicina personalitzada. Els segments A partir d’una determinada complexitat, els éssers vius acostumen a segmentar-se. És a dir, a repetir patrons per a solucions diferents. Per exemple: un escamarlà té els diversos “segments” ben diferenciats; entre tots fan la cua i li permeten de desplaçar-se. Nosaltres tenim les vèrtebres molt similars, però totes diferents. Si comparem les extremitats, veiem que la part proximal, tant de les superiors com de les inferiors, està formada per un sol os: l’húmer o el fèmur, segons el cas. Dos ossos en la part mitja (ràdio i cúbit, i tíbia i peroné). Una part distal formada per molts ossos: el carp i el metacarp, en cas de la mà; i el tars i el metatars, en el del peu. Els segments de les extremitats s’especifiquen gradualment. Per això, entre els afectats per la talidomida, que interferia en el desenvolupament embrionari, provocava malformacions en el segment medial del braç. Resten moltes preguntes per resoldre. Com sap un òrgan que ha acabat de créixer? Com sap un elefant quan ha arribat a la seva mida? I, d’aquí, inevitablement es passa a parlar de càncer, perquè és el creixement cel·lular sense control. El peix zebra Un dels avantatges més considerables del peix zebra per estudiar el desenvolupament de vertebrats és que ponen ous, de manera que els embrions són externs. Així és pot actuar directament sobre ells per a treure imatges en viu. Seria molt més complicat d’estudiar amb ratolins, perquè el desenvolupament és intern; amb la mosca, que és molt diferent; o amb el pollet, amb el qual no es pot fer genètica. En total tenen uns tres-mil peixos que guarden en tancs on hi ha entorn a vint o vint-i-cinc. Són sotmesos a un cicle de llum de 12 hores i els mantenen a una temperatura d’entorn 28ºC, atès que són originaris del Pakistan i l’Índia. Mengen artèmia, un petit crustaci. Als tres mesos de vida ja són sexualment fèrtils; aleshores poden plantejar-se de creuar-los en un altre tanc, amb una mena de cubeta perforada per on s’escolaran els ous. Els peixos són fèrtils fins a l’any i mig o dos. Segueixen tots els protocols d’ètica animal. “Life of fish at the PRBB” by Eva Jiménez Guri from Intervals PRBB on Vimeo. Cristina, i per què vas fer biologia? Primer pensava que voldria fer matemàtiques, però vaig pensar que no seria capaç de tanta abstracció. Ara penso que potser si ho seria. Però m’agradava fer recerca perquè té la part intel·lectual de pensar, idear, comprendre, amb rigor científic; i la part més manual, d’enginyeria, d’elaborar un protocol per a un experiment. M’agrada molt pensar com pots adreçar un problema. Crec que he trobat la meva feina. Més informació La cara diu molt de tu (27/06/2018) De les instruccions a l’individu (24/09/2014) De cucs i mosques, fins a peixos i ratolins (24/10/2010) A zebrafish embryo develops from Harvard Medical School on Vimeo.