División celular asimétrica

Una división celular asimétrica produce dos células hijas con destinos celulares diferentes, a diferencia de las divisiones celulares simétricas , que dan lugar a células hijas con destinos equivalentes. En particular, las células madre se dividen asimétricamente para dar lugar a dos células hijas distintas: una copia de la célula madre original y una segunda célula hija programada para diferenciarse en un destino distinto al de una célula madre. (En épocas de crecimiento o regeneración, las células madre también pueden dividirse simétricamente para producir dos copias idénticas de la célula original. ^[1] )

En principio, existen dos mecanismos por los cuales se pueden conferir propiedades distintas a las células hijas de una célula en división. En uno, las células hijas son inicialmente equivalentes, pero se induce una diferencia mediante la señalización entre las células, de las células circundantes o de la célula precursora. Este mecanismo se conoce como división celular asimétrica extrínseca. En el segundo mecanismo, las futuras células hijas son inherentemente diferentes en el momento de la división de la célula madre. Debido a que este último mecanismo no depende de las interacciones de las células entre sí o con su entorno, debe basarse en la asimetría intrínseca . El término división celular asimétrica generalmente se refiere a tales divisiones asimétricas intrínsecas. ^[2]

Para que se produzca una división asimétrica, la célula madre debe estar polarizada y el huso mitótico debe estar alineado con el eje de polaridad. La biología celular de estos eventos se ha estudiado principalmente en tres modelos animales : el ratón , el nematodo Caenorhabditis elegans y la mosca de la fruta Drosophila melanogaster . Un enfoque posterior se ha centrado en el desarrollo en la espiralia .

En C. elegans , una serie de divisiones celulares asimétricas en el embrión temprano son fundamentales para establecer los ejes anterior/posterior, dorsal/ventral e izquierdo/derecho del plan corporal. ^[3] Después de la fertilización , ya se están produciendo eventos en el cigoto para permitir la primera división celular asimétrica. Esta primera división produce dos blastómeros claramente diferentes , denominados AB y P1. Cuando el espermatozoide fertiliza el óvulo , el pronúcleo y los centrosomas del espermatozoide se depositan dentro del óvulo, lo que provoca un flujo citoplasmático que resulta en el movimiento del pronúcleo y los centrosomas hacia un polo. ^[4] Los centrosomas depositados por el espermatozoide son responsables del establecimiento del polo posterior dentro del cigoto. ^[5] Los espermatozoides con centrosomas mutantes o ausentes no logran establecer un polo posterior. ^{[6] [7] [8]} El establecimiento de esta polaridad inicia la distribución polarizada de un grupo de proteínas presentes en el cigoto llamadas proteínas PAR (partitioning flawless), que son un grupo conservado de proteínas que funcionan en el establecimiento de la polaridad celular durante el desarrollo. ^[9] Estas proteínas se distribuyen inicialmente de manera uniforme en todo el cigoto y luego se polarizan con la creación del polo posterior. Esta serie de eventos permite que el cigoto unicelular obtenga polaridad a través de una distribución desigual de múltiples factores.

La célula individual está ahora preparada para sufrir una división celular asimétrica, pero la orientación en la que se produce la división también es un factor importante. El huso mitótico debe estar orientado correctamente para garantizar que los determinantes del destino celular adecuados se distribuyan adecuadamente entre las células hijas. La alineación del huso está mediada por las proteínas PAR, que regulan la posición de los centrosomas a lo largo del eje A/P, así como el movimiento del huso mitótico a lo largo del eje A/P. ^[3] Después de esta primera división asimétrica, la célula hija AB se divide simétricamente, dando lugar a ABa y ABp, mientras que la célula hija P1 sufre otra división celular asimétrica para producir P2 y EMS. Esta división también depende de la distribución de las proteínas PAR. ^[10]

En Drosophila melanogaster , la división celular asimétrica desempeña un papel importante en el desarrollo neuronal. Los neuroblastos son las células progenitoras que se dividen asimétricamente para dar lugar a otro neuroblasto y una célula madre ganglionar (GMC). El neuroblasto sufre repetidamente esta división celular asimétrica mientras que la GMC continúa produciendo un par de neuronas. Dos proteínas desempeñan un papel importante en el establecimiento de esta asimetría del destino celular en el neuroblasto, Prospero y Numb. Estas proteínas se sintetizan en el neuroblasto y se segregan solo en la GMC durante las divisiones. ^[11] Numb es un supresor de Notch, por lo tanto, la segregación asimétrica de Numb a la corteza basal sesga la respuesta de las células hijas a la señalización de Notch, lo que resulta en dos destinos celulares distintos. ^[12] Prospero es necesario para la regulación genética en las GMC. Se distribuye de manera uniforme por todo el citoplasma del neuroblasto, pero se localiza en la corteza basal cuando el neuroblasto comienza a experimentar mitosis. Una vez que el GMC se desprende de la corteza basal, Prospero se transloca al núcleo del GMC para actuar como un factor de transcripción. ^[11]

Otras proteínas presentes en el neuroblasto median la localización asimétrica de Numb y Prospero. Miranda es una proteína de anclaje que se une a Prospero y lo mantiene en la corteza basal. Después de la generación de GMC, Miranda libera Prospero y luego se degrada. ^{[11] [13]} La segregación de Numb está mediada por Pon (el compañero de la proteína Numb). Pon se une a Numb y se colocaliza con él durante la división celular del neuroblasto. ^[11]

El huso mitótico también debe alinearse en paralelo a los determinantes del destino celular distribuidos asimétricamente para permitir que se segreguen en una célula hija y no en la otra. La orientación del huso mitótico está mediada por Inscuteable, que se segrega en la corteza apical del neuroblasto. Sin la presencia de Inscuteable, la posición del huso mitótico y los determinantes del destino celular en relación entre sí se vuelve aleatoria. Los mutantes de Inscuteable muestran una distribución uniforme de Miranda y Numb en la corteza, y las células hijas resultantes muestran destinos neuronales idénticos. ^[11]

Además de que las dos células hijas tienen destinos separados, tienen diferentes tamaños celulares; el neuroblasto resultante es mucho más grande que el GMC. ^[14] Sin embargo, a diferencia de la segregación adecuada de los determinantes del destino, la división celular asimétrica que da lugar a la asimetría del tamaño celular es independiente del huso. ^{[15] [16]} En cambio, el mecanismo se basa en la organización espacial y temporal de la miosina en la corteza celular y sus componentes ascendentes. La localización apical de Pins (socio de Inscuteable) por Inscuteable permite la localización apical de la proteína quinasa N (Pkn) dependiente de Pins durante la metafase. Pkn inhibe la Rho-quinasa (Rok) , lo que resulta en la pérdida oportuna de miosina y Rok de la corteza apical al inicio de la anafase. ^{[17] [18] [19]} La miosina apical fluye basalmente hacia donde se ubica el surco de escisión. Posteriormente, las proteínas Tum y Pav en el huso central reclutan miosina para aumentar la concentración de miosina, generando un gradiente de miosina para impulsar el flujo de miosina apical desde la corteza basal. ^{[19] [20]} Este control espaciotemporal de la localización de la miosina da como resultado la pérdida asimétrica de la tensión cortical que normalmente empuja contra la presión hidrostática . En otras palabras, la pérdida de miosina cortical apical permite que la presión hidrostática empuje contra la membrana celular apical, aumentando el tamaño de la región apical que está destinada a convertirse en el neuroblasto más grande después de la división celular. ^{[14] [19]} La generación de flujos de miosina apical y basal simultáneamente da como resultado una división celular simétrica, y el retraso de los flujos de miosina basal previene la expansión normal de la región basal de la célula en división. ^{[14] [19]} Aunque este mecanismo es independiente del huso, el huso es importante para establecer la posición del surco de escisión, para llevar la miosina al surco de escisión y para impulsar la limpieza de la miosina basal. ^{[14] [19]}

Los flujos corticales basados ​​en actomiosina dirigen una reorganización de la membrana plasmática y la corteza celular del neuroblasto, que es necesaria para generar la diferencia de tamaño entre las células hijas. ^{[21] [22] [23] [24]} Al principio de la mitosis, los flujos corticales recogen pliegues y protuberancias de la membrana alrededor del polo apical formando un reservorio de membrana polarizada. ^{[21] [22]} A medida que la miosina se elimina de la corteza apical y la ingresión del surco de escisión hace que aumente la presión hidrostática, las reservas de membrana dentro del reservorio se utilizan para expandir la región apical que se convierte en la célula hija más grande después de la división. ^[21]

Spiralia (comúnmente sinónimo de lophotrochozoa ) representa un clado diverso de animales cuyas especies comprenden la mayor parte de los animales bilaterales presentes en la actualidad. Los ejemplos incluyen moluscos , gusanos anélidos y entoprocta . Aunque se sabe mucho a nivel celular y molecular sobre los otros clados bilaterales ( ecdysozoa y deuterostomia ), la investigación sobre los procesos que gobiernan el desarrollo espiral es comparativamente escasa. Sin embargo, una característica unificadora compartida entre los spiralia es el patrón de división en el embrión temprano conocido como división espiral . ^[25]

Mecanismos de división asimétrica (ver figura, panel derecho):

• Tubifex tubifex: Se ha demostrado que el gusano del lodo Tubifex tubifex presenta una interesante división celular asimétrica en el punto de la primera división embrionaria. A diferencia de la idea clásica de diferencias corticales en la membrana cigótica que determinan la asimetría del huso en el embrión de C. elegans , la primera división en tubifex depende del número de centrosomas . ^[26] Los embriones heredan un único centrosoma que se localiza en el citoplasma de la célula CD prospectiva más grande y emite microtúbulos radiales durante la anafase que contribuyen tanto al huso mitótico como a los ásteres corticales. Sin embargo, el centro organizador de microtúbulos de la célula AB prospectiva más pequeña emite solo microtúbulos que se comprometen con el huso mitótico y no con los ásteres unidos a la corteza. Cuando los embriones se comprimen o deforman, aún se forman husos asimétricos, y la tinción para gamma tubulina revela que el segundo centro organizador de microtúbulos carece de la firma molecular de un centrosoma. Además, cuando el número de centrosomas se duplica, los embriones tubifex se dividen simétricamente, lo que sugiere que este mecanismo monoastral de división celular asimétrica depende del centrosoma. ^[26]
• Helobdella robusta: La sanguijuela Helobdella robusta exhibe una asimetría similar en la primera división embrionaria como C. elegans y tubifex , pero depende de un mecanismo modificado. Los experimentos de compresión en el embrión de robusta no afectan la división asimétrica, lo que sugiere que el mecanismo, como tubifex, utiliza una vía molecular independiente de la cortical. En robusta, la tinción de anticuerpos revela que el huso mitótico se forma simétricamente hasta la metafase y proviene de dos centrosomas biastrales. ^[27] Al inicio de la metafase, la asimetría se hace evidente a medida que el centrosoma de la posible célula CD más grande alarga los ásteres corticales mientras que los ásteres de la posible célula AB más pequeña se regulan a la baja. Los experimentos con nocodazol y taxol respaldan esta observación. El taxol, que estabilizó los microtúbulos, obligó a una cantidad significativa de embriones a escindirse simétricamente cuando se usó en una concentración moderada. Además, los embriones tratados con nocodazol, que secuestra los dímeros de tubulina y promueve la despolimerización de los microtúbulos, también forzaron una división simétrica en un número significativo de embriones. El tratamiento con cualquiera de los dos fármacos en estas concentraciones no altera la dinámica normal del centrosoma, lo que sugiere que un equilibrio entre la polimerización y la despolimerización de los microtúbulos representa otro mecanismo para establecer una división celular asimétrica en el desarrollo espilar. ^[27]
• Ilyanasa obsoleta: Un tercer mecanismo, menos tradicional, que contribuye a la división celular asimétrica en el desarrollo espiral se ha descubierto en el molusco Ilyanasa obsoleta . Los experimentos de hibridación in situ e inmunofluorescencia muestran que las transcripciones de ARNm se co-localizan con los centrosomas durante la escisión temprana. ^[28] En consecuencia, estas transcripciones se heredan de manera estereotipada a células distintas. Todas las transcripciones de ARNm seguidas se han implicado en la formación de patrones del eje corporal, y la hibridación in situ para las transcripciones asociadas con otras funciones no muestra dicha localización. Además, la interrupción de la polimerización de microtúbulos con nocodazol y de la polimerización de actina con citocalisina B muestra que el citoesqueleto también es importante en esta asimetría. Parece que los microtúbulos no son necesarios para reclutar el ARNm al centrosoma, y ​​que la actina es necesaria para unir el centrosoma a la corteza. Por último, la introducción de múltiples centrosomas en una célula mediante la inhibición de la citocinesis demuestra que el ARNm se localiza de manera confiable en el centrosoma correcto, lo que sugiere diferencias intrínsecas entre la composición de cada centrosoma. Es importante señalar que estos resultados reflejan experimentos realizados después de las dos primeras divisiones, pero aún así demuestran un medio molecular diferente para establecer la asimetría en una célula en división. ^[28]

Los animales están compuestos por una gran cantidad de tipos de células diferentes . Durante el desarrollo, el cigoto sufre muchas divisiones celulares que dan lugar a varios tipos de células, incluidas las células madre embrionarias. Las divisiones asimétricas de estas células embrionarias dan lugar a una célula de la misma potencia (autorrenovación) y otra que puede tener la misma potencia o ser estimulada para diferenciarse aún más en tipos de células especializadas, como las neuronas. Esta diferenciación estimulada surge de muchos factores que pueden dividirse en dos grandes categorías: intrínsecos y extrínsecos. Los factores intrínsecos generalmente implican diferentes cantidades de determinantes del destino celular que se distribuyen en cada célula hija. Los factores extrínsecos implican interacciones con las células vecinas y el micro y macroambiente de la célula precursora. ^[29]

Además del ejemplo neuronal de Drosophila mencionado anteriormente, se propuso que los órganos macrosensoriales de Drosophila, específicamente las células gliales, también surgen de un conjunto similar de división asimétrica de una sola célula progenitora a través de la regulación de la vía de señalización Notch y factores de transcripción . ^[30] Un ejemplo de cómo los factores extrínsecos provocan este fenómeno es el desplazamiento físico de una de las células hijas fuera del nicho original de células madre, exponiéndola a moléculas de señalización como el sulfato de condroitina . ^[31] De esta manera, la célula hija se ve obligada a interactuar con las moléculas fuertemente sulfatadas, que la estimulan a diferenciarse mientras que la otra célula hija permanece en el nicho original en un estado inactivo.

En las células madre y progenitoras normales , la división celular asimétrica equilibra la proliferación y la autorrenovación con la salida del ciclo celular y la diferenciación. La interrupción de la división celular asimétrica conduce a una autorrenovación aberrante y perjudica la diferenciación , y por lo tanto podría constituir un paso temprano en la transformación tumorogénica de las células madre y progenitoras. En las células madre normales no tumorales, se han descrito varios genes que son responsables de la pluripotencia, como Bmi-1 , Wnt y Notch . Estos genes también se han descubierto en el caso de las células madre cancerosas, y muestran que su expresión aberrante es esencial para la formación de la masa de células tumorales. ^[32] Por ejemplo, se ha demostrado que los cánceres gastrointestinales contienen una subpoblación rara de células madre cancerosas que son capaces de dividirse asimétricamente. La división asimétrica en estas células está regulada por el nicho del cáncer (microambiente) y la vía Wnt. El bloqueo de la vía Wnt con IWP2 (antagonista de WNT) o siRNA-TCF4 resultó en una alta supresión de la división celular asimétrica. ^[33]

Otra mutación en las divisiones celulares asimétricas que está involucrada en el crecimiento tumoral son las mutaciones de pérdida de función. La primera sugerencia de que la pérdida de la división celular asimétrica podría estar involucrada en la tumorogénesis provino de estudios de Drosophila . Estudios de mutaciones de pérdida de función en reguladores clave de la división celular asimétrica, incluyendo lgl, aurA, polo, numb y brat, revelaron fenotipos hiperproliferativos in situ. En estos mutantes, las células se dividen más simétricamente y generan progenie mal especificada que no logra salir del ciclo celular y diferenciarse, sino que prolifera continuamente y forma una masa de células tumorales. ^[34]