Celulele: de ce contează forma Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Tehnici noi arată cum celulele îşi controlează forma, dar şi cum modificările pot avertiza de timpuriu apariţia bolilor.

Miliarde de ani de evoluție au dat organismelor vii o diversitate uimitoare de aspecte și de forme, de la neregularitatea amorfă a animalelor simple, cum ar fi spongii, până la formele sculptate și simetrice ale unor creaturi mai complexe, inclusiv oamenii. Dar nu numai corpurile organismelor au o varietate mare de forme, ci și celulele lor componente.

De obicei formele celulelor sunt legate de funcția lor. De exemplu, neuronii din creierul nostru au ramuri stelate pentru a se conecta cu alți neuroni, iar celulele roșii din sânge au forma unor discuri biconcave pentru a-şi maximiza capacitatea de a transporta oxigen, permițându-le totodată să se strecoare şi prin cele mai înguste vase de sânge. Prin contrast, macrofagele (un tip de celule albe din sânge) s-au adaptat altfel, forma lor de amibă ajutându-le să înghită corpuri străine. În lumea plantelor, formele de celule variază de la formele spinoase elaborate ale granulelor de polen – adaptate pentru a capta vântul sau pentru a adera la insecte polenizante – până la forma de rinichi expandabilă a celulelor de protecţie, care deschid și închid porii frunzelor. Celulele pot avea și forme mai complicate, cum ar fi prismele răsucite sau ‘scutoidele’, acestea fiind calea naturii de a permite țesuturilor epiteliale să se curbeze.

Human blood, showing biconcave red blood cells
Sânge uman, prezentând celule roșii biconcave, celule T (portocaliu) și trombocite (verde)
ZEISS Microscopy/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
Pollen grains from a variety of common plants
Granule de polen dintr-o varietate de plante comune, arătându-şi formele diverse
Dartmouth College Electron Microscope Facility/Wikimedia Commons, CC0

Modificarea formelor

Deși forma unei celule este legată de rolul său funcțional, multe celule au potențialul de a-și schimba forma. Această abilitate este esențială în dezvoltarea embrionară, atunci când țesuturile suferă transformări dramatice de pliere, ridare și îndoire, pe măsură ce se generează organele. De exemplu, în embrionii muștei-de-fructe procesul de gastrulare – în timpul căruia o biluţă embrionară de celule începe să se diferențieze în țesuturi distincte – este condus de o schimbare a formei celulare cunoscută sub numele de constricție apicală. Celulele epiteliale de pe o parte a embrionului îşi schimbă forma de la aspectul de coloană la aspectul de sticlă, determinând epiteliul să se înfășoare într-un tub (figura 1).

Modificări majore ale formei celulelor apar și atunci când grupuri de celule migrează dintr-o parte a embrionului în alta. În embrionii peştelui-zebră, celulele implicate în dezvoltarea ‘liniei laterale’ (un organ de simţ al peștelui) cresc mici protuberanțe mobile numite filopodia și lamellipodia. Ele apar la marginea din faţă a ciorchinelui de celule ca și când ar conduce întregul grup într-o anumită direcție (figura 2).

Gastrulation in fruit fly embryos
Figura 1: Gastrulaţia în embrionul muştei-de-fructe: celulele epiteliale îşi modifică forma, determinând plierea.
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Embryo: Embrion; Epithelial cells: Celule epiteliale
 
Migrating cell cluster in zebrafish
Figura 2: Migrarea ciorchinelui de celule, arătând modificările formei celulei pe marginea anterioară
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Protrusions on leading edge: Protuzii pe muchia anterioară; Direction of migration: Direcţia migrării

De asemenea, schimbarea formei este importantă şi în diviziunea celulară, care joacă un rol crucial în multe procese de dezvoltare. Când începe mitoza (diviziunea celulară), forma celulelor se modifică din plată în sferică. Experimentele care au vizat celule aflate în diviziune în interiorul unor canale microscopice care le restricționau dimensional au arătat că etapa sferică este esențială pentru a distribui egal cromozomii între celulele fiice. Dacă se împiedică această schimbare de formă, diviziunea celulară eșuează (Lancaster et al., 2013).

Controlarea formei celulei

Dar ce anume controlează forma celulei? Deși deocamdată nu am ajuns la o înțelegere deplină, am descoperit câteva dintre procesele moleculare și mecanice care determină forma celulei. Aceste descoperiri vin în mare parte de la cercetări ale unor organisme de laborator familare, precum muștele-de-fructe și peştele-zebră, sau de la celule canceroase crescute în cultură, însă multe dintre procesele implicate sunt susceptibile de a fi universale.

O parte importantă a celulei care influențează forma este cortexul – o rețea de proteine structurale ce formează un strat sub membrana exterioară a celulei. Proprietățile fizice ale cortexului determină cât de rigidă sau cât de moale este suprafața celulei și, prin urmare, cât de maleabilă este celula în ansamblu. Cortexul constă în principal din două tipuri de proteine care sunt înrudite cu proteinele ce fac fibrele musculare să se contractate: actina, care formează microfilamente lungi; și miozina, care se leagă de microfilamentele cu actină și foloseşte energia chimică pentru a le trage, acționând ca un motor. Acest sistem generează contracție într-un mod similar sistemului actomiozinic din mușchi.

Human skin cells in culture
Imaginea unei celule de pielă umană în cultură, arătând filamentele de actină în roşu şi nucleul celulei în albastru
Vshivkova/Shutterstock.com
 

De asemenea, oamenii de știință au identificat sute de proteine regulatoare ce interacționează cu microfilamentele actinice din cortex. Aflarea modului în care aceste proteine afectează cortexul, şi deci şi forma celulară, constituie o arie de cercetare activă. O tehnică comună folosită pentru a le studia constă în a bloca la un moment dat producția de proteine regulatoare folosind siRNA (mici molecule de interferență ARN). Alte experimente au investigat modul în care oprirea ‘motoarelor’ de miozină sau tăierea microfilamentelor de actină în fragmente afectează forma celulei.

O descoperire cheie constă în faptul că cortexul actomiozinic controlează forma celulară prin crearea de tensiune în suprafața celulei, similar tensiunii din învelişul unui balon. Dacă motoarele de miozină sunt inhibate, sau dacă filamentele actinei sunt descompuse, tensiunea se pierde și suprafața celulei formează umflături, perturbându-i forma.

În multe cazuri, formele celulelor sunt dictate de forțe externe. De exemplu, celulele epiteliale din aripile unei muște-de-fructe formează forme hexagonale deoarece ele sunt împachetate împreună într-un fagure strâns, cu fiecare celulă înconjurată de cel puţin șase celule-vecin. În mod similar, celulele care se aliniază pentru a forma capilarele sanguine sunt sculptate de fluxul de sânge, determinându-le să devină alungite și aliniate paralel cu fluxul.

Forma celulei şi bolile

Anumite modificări în forma celulelor au un rol-cheie în dezvoltarea multor boli, inclusiv cele cauzate de organismele infecțioase sau cele declanșate de gene defecte. De exemplu, mutațiile cauzatoare de cancer pot face ca celulele să-și piardă acea aderență care le ţine legate de celulele vecine, făcându-le amorfe și deformabile – şi astfel facilitându-le să călătorească și să crească în alte părți ale corpului. În boala Alzheimer, mutațiile afectează dendritele ramificate care adună laolaltă celule ale creierului, făcându-le mai scurte sau mai grosier ramificate. În anemia falciformă (siclemia), o mutație impune celulelor roșii sanguine o formă curbată, de seceră, în timp ce în malarie – boală ce apare atunci când parazitul Plasmodium infectează celulele roșii din sânge – celulele devin mai rigide și mai puțin deformabile.

Red blood cells, some showing sickled shape
Celule sanguine roşii, unele prezentând forma caracteristică curbată ce cauzează anemia falciformă
Viv Caruna/Flickr, CC BY-2.0
Red blood cell infected with malaria
Celule sanguine roşii, între care una (în centru) cu modificare a formei datorată malariei
Rick Fairhurst/Jordan Zuspann/National Institute of Allergy and Infectious Diseases/National Institutes of Health/Flickr, CC BY-NC 2.0
 

Chiar dacă acum știm că anomalii ale formei celulare sunt văzute în unele dintre cele mai comune și mai greu tratabile boli (cum ar fi cancerul sau boala Alzheimer), nu este întotdeauna clar dacă aceste defecte au rol de cauzalitate sau sunt doar simptome de boală (efecte ale bolii). Cu toate acestea, studiul formei celulare și noile tehnici folosite oferă o nouă linie de cercetare pentru investigarea modului în care se dezvoltă astfel de boli.

De exemplu, colaborarea dintre biologi și fizicieni a produs o tehnică numită citometrie de deformabilitate în timp-real, sau RTDC (vedeţi caseta de text). Pe lângă progresul înțelegerii formei celulare și a rolului ei în dezvoltare și în boală, această nouă tehnică se poate dovedi o modalitate eficientă de detectare a celulelor canceroase într-un stadiu incipient. Astfel de tehnici oferă speranța de noi metode de diagnostic care ar putea salva vieți prin detectarea prematură a bolii, când tratamentul are șanse mult mai mari de succes.

Tehnologia formei celulare

Tehnologiile din ultimii ani au făcut posibilă măsurarea tensiunii în membrana celulelor individuale, care, la rândul lor, ne indică cât de multă tensiune există în cortexul subiacent. Cele mai cunoscute trei tehnici pentru măsurarea tensiunii celulare sunt microscopia forței atomice, aspirația prin micropipetă și ablația laser.

Atomic force microscopy
Figura 3: Microscopia forței atomice
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Fine probe (tip deflected):
Senzor filar (vârf deviat); Cell
membrane: Membrana celulei;
Cortex: Cortex

Microscopia forței atomice foloseşte un mic vârf de metal, mai subţire decât un fir de păr, pentru a cerceta suprafața celulei (figura 3). Măsura deformării înregistrate de sondă arată cât de rigidă este suprafața. Folosind această tehnică, oamenii de ştiinţă au descoperit că o creştere a tensiunii superficiale conduce la schimbarea formei de la plat la sferic în stadiul incipient al diviziunii celulare. Cea de-a doua tehnică, aspirația prin micropipetă, implică măsurarea forței necesare pentru a aspira o porțiune dintr-o celulă (din membrana celulei) într-o pipetă microscopică (figura 4). Ablația laser presupune întreruperea rețelei de microfilamente de actină în cortex cu un laser și măsurarea reculului ulterior pe măsură ce acele două laturi ale cortexului se fixează înapoi ca niște benzi de cauciuc tăiate.

Micropipette aspiration
Figura 4: Aspirația prin micropipetă
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Micropipette: Micropipetă;
Cell membrane: Membrana
celulei; Cortex: Cortex

 

Deși toate aceste trei metode sunt eficiente, ele evaluează doar o singură celulă la un moment dat. O altă tehnică, citometria cu deformabilitate în timp-real (RTDC), poate evalua sute de celule pe secundă (Otto et al., 2015). În RTDC, o suspensie de celule este pompată cu seringa printr-un canal microscopic. Forțele din lichidul care curge determină celulele anormal de moi – cum ar fi celulele canceroase – să se deformeze, în timp ce celulele mai rigide sunt mai puțin afectate. O cameră video/foto conectată la microscop înregistrează imagini ale celulelor care trec, iar acestea sunt procesate prin software.

Progresele din domeniul opticii au făcut posibilă şi captarea de imagini 3D detaliate ale celulelor vii și chiar ale moleculelor individuale de proteine din interiorul celulelor, prin folosirea de microscoape cu scanare laser. Aceste microscoape de rezoluție foarte mare au arătat că filamentele actinice ale cortexului se organizează în legături paralele la ecuatorul celular în timpul mitozei, maximizând tensiunea pe care o generează și astfel prinzând celula între două celule fiice.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Priyamvada Chugh s-a născut în Delhi, India. În calitate de cercetător lucrând în laboratoare din India, Germania și Marea Britanie, ea a studiat modificările de formă ale celulelor utilizând modele sistemice, inclusiv celule stem, muște-de-fructe și celule canceroase. În prezent, în calitate de editor pentru un jurnal științific, ea este pasionată de comunicarea științei și de posibilitatea de a se adresa unei audiențe diverse.


Review

Legătura dintre forma celulei și funcția sa este fundamentală pentru înțelegerea biologiei celulelor și a țesuturilor. Acest articol oferă o privire incitantă asupra lumii biologiei celulare, arătând cât de importantă este forma celulei în dezvoltarea organismelor, în morfologia și funcția țesuturilor, dar și în depistarea bolilor.

Articolul poate fi util ca o lectură mai cuprinzătoare despre biologia celulară, destinată elevilor din clasele superioare. Subiectul ar putea fi legat şi de observarea la microscop a celulelor și a țesuturilor. Inserarea mai multor teme de biologie moleculară în programa de învăţământ a liceelor şi colegiilor oferă oportunitatea de a introduce funcțiile moleculelor siRNA, care sunt menționate în articol. În plus, elevii ar putea folosi ideea ‘formei celulare ca marker al bolilor’ pentru a realiza un poster cu tipurile de celule și cu formelor acestora, arătând modul în care forma celulelor se schimbă la apariţia bolii și cum acest lucru se poate utiliza în diagnosticarea afecţiunilor.


Dr. Shelley Goodman, profesoară de ştiinţe aplicate, Marea Britanie




License

CC-BY