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| Imagen de microscopía confocal de una cabeza de pez cebra adulto con células derivadas de la cresta neural en rojo. El laboratorio Crump ha utilizado la secuenciación unicelular para entender cómo estas células construyen y reparan el esqueleto de la cabeza, con implicaciones para entender los defectos de nacimiento craneofaciales humanos y mejorar la reparación de los tejidos esqueléticos. (Imagen de Hung-Jhen Chen/Laboratorio Crump) |
Las células derivadas de la cresta neural craneal (CNCC) son una población específica de los vertebrados, a menudo denominada cuarta capa germinal. Tienen un potencial extraordinario para formar diversos tipos de células. Además de las células pigmentarias y el sistema nervioso periférico, las CNCC forman el ectomesénquima que puebla los arcos faríngeos y da lugar a gran parte del esqueleto y el tejido conectivo de las mandíbulas y la cara.
Todavía no se ha resuelto cómo las células de la cresta neural adquieren un potencial de linaje tan extraordinario como para generar una enorme diversidad de derivados, incluida la mayor parte de los tejidos conectivos y esqueléticos de la cabeza de los vertebrados.
Ahora, los científicos del laboratorio de Gage Crump han creado una serie de atlas a lo largo del tiempo para comprender las decisiones moleculares por las que las CNCC se comprometen a formar tejidos específicos en el pez cebra en desarrollo. Sus hallazgos, publicados en Nature Communications, pueden aportar nuevos conocimientos sobre el desarrollo normal de la cabeza, así como sobre los defectos de nacimiento craneofaciales.
"Las CNCC llevan mucho tiempo fascinando a los biólogos por la increíble diversidad de tipos celulares que pueden generar. Al estudiar este proceso en el pez cebra, genéticamente manejable, hemos identificado muchos de los posibles interruptores que permiten a las CNCC formar estos tipos celulares tan diferentes", dijo Gage Crump, profesor de biología de células madre y medicina regenerativa en la Escuela de Medicina Keck de la USC.
Dirigido por el postdoc Peter Fabian y los estudiantes de doctorado Kuo-Chang Tseng, Mathi Thiruppathy y Claire Arata, el equipo de científicos marcó permanentemente las CNCC con una proteína roja fluorescente para hacer un seguimiento de los tipos de células que proceden de las CNCC a lo largo de la vida del pez cebra.
Para comprender la aparición y diversificación de los linajes de CNCC a lo largo de la vida de un vertebrado, los investigadores construyeron un atlas longitudinal de células individuales de la expresión génica y la accesibilidad de la cromatina de los derivados de CNCC del pez cebra.
La enorme cantidad de datos generados obligó a los científicos a desarrollar una nueva herramienta computacional para darles sentido.
"Creamos un tipo de análisis computacional que llamamos 'Constelaciones', porque el resultado visual final de la técnica recuerda a las constelaciones de estrellas en el cielo", dijo Fabian. "A diferencia de la astrología, nuestro algoritmo Constellations puede predecir realmente el futuro de las células y revelar los genes clave que probablemente controlan su desarrollo".
Gracias a este nuevo enfoque bioinformático, el equipo descubrió que las CNCC no empiezan con toda la información necesaria para crear la enorme diversidad de tipos de células. Por el contrario, solo después de dispersarse por el embrión, las CNCC comienzan a reorganizar su material genético en preparación para convertirse en tejidos específicos. Las Constelaciones identificaron con precisión las señales genéticas que señalan estos destinos específicos para las CNCC. Los experimentos de la vida real confirmaron que Constellations señaló correctamente el papel de una familia de genes "FOX" en la formación del cartílago facial, y una función antes no apreciada de los genes "GATA" en la formación de los tipos de células respiratorias de las branquias que permiten a los peces respirar.
"Al llevar a cabo uno de los estudios unicelulares más completos de una población de células de vertebrados hasta la fecha, no solo hemos obtenido información importante sobre el desarrollo de la cabeza de los vertebrados, sino que también hemos creado una herramienta computacional de gran utilidad para estudiar el desarrollo y la regeneración de los sistemas de órganos de todo el cuerpo", dijo Crump.
Fuentes, créditos y referencias:
Fabian, P., Tseng, KC., Thiruppathy, M. et al. Lifelong single-cell profiling of cranial neural crest diversification in zebrafish. Nat Commun 13, 13 (2022). DOI: 10.1038/s41467-021-27594-w