división celular asimétrica

Una división celular asimétrica produce dos células hijas con destinos celulares diferentes. Esto contrasta con las divisiones celulares simétricas , que dan lugar a células hijas con destinos equivalentes. Cabe destacar que 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 tipo de célula no madre. (Durante el crecimiento o la regeneración, las células madre también pueden dividirse simétricamente, produciendo dos copias idénticas de la célula original. ^{[ 1 ]} )

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

Para que se produzca la 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 procesos se ha estudiado principalmente en tres modelos animales : el ratón , el nematodo Caenorhabditis elegans y la mosca de la fruta Drosophila melanogaster . Posteriormente, se ha prestado especial atención al desarrollo en espiralias .

En C. elegans , una serie de divisiones celulares asimétricas en el embrión temprano son cruciales para establecer los ejes anterior/posterior, dorsal/ventral e izquierda/derecha del plan corporal . ^{[ 3 ]} Después de la fertilización , ya ocurren eventos en el cigoto que permiten 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 causa 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 defective), 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 por 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 experimentar una división celular asimétrica; sin embargo, la orientación en la que ocurre la división también es un factor importante. El huso mitótico debe estar correctamente orientado para asegurar que los determinantes del destino celular adecuados se distribuyan apropiadamente a las células hijas. La alineación del huso está mediada por las proteínas PAR, que regulan el posicionamiento de los centrosomas a lo largo del eje anteroposterior (A/P), así como el movimiento del huso mitótico a lo largo de dicho eje. ^{[ 3 ]} Tras esta primera división asimétrica, la célula hija AB se divide simétricamente, dando lugar a ABa y ABp, mientras que la célula hija P1 experimenta 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 juega 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 (CMG). El neuroblasto experimenta repetidamente esta división celular asimétrica mientras que la CMG continúa produciendo un par de neuronas. Dos proteínas juegan 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 CMG 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 génica en las CMG. Se distribuye uniformemente 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 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. Tras la generación del GMC, Miranda libera a Prospero y luego se degrada. ^{[ 11 ] [ 13 ]} La segregación de Numb está mediada por Pon (la proteína asociada a Numb). Pon se une a Numb y colocaliza con ella durante la división celular del neuroblasto. ^{[ 11 ]}

El huso mitótico también debe alinearse paralelamente 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, el posicionamiento del huso mitótico y de los determinantes del destino celular entre sí se vuelve aleatorio. 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 ]} El mecanismo en cambio depende de la organización espacial y temporal de la miosina en la corteza celular y sus componentes aguas arriba. La localización apical de Pins (Partner of Inscuteable) por Inscuteable permite la localización apical dependiente de Pins de la proteína quinasa N (Pkn) 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 posiciona el surco de segmentación. 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 resulta en 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 resulta en una división celular simétrica, y el retraso de los flujos de miosina basal impide 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 segmentación, para llevar la miosina al surco de segmentación y para impulsar la eliminación basal de la miosina. ^{[ 14 ] [ 19 ]}

Los flujos corticales basados ​​en actomiosina dirigen una reorganización de la membrana plasmática y la corteza celular del neuroblasto, lo cual es necesario para generar la diferencia de tamaño entre las células hijas. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} Al comienzo de la mitosis, los flujos corticales recogen pliegues y protrusiones 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 invaginación del surco de segmentación provoca un aumento de 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 ]}

Los espirales (comúnmente sinónimos de lofotrocozoos ) representan un clado diverso de animales cuyas especies constituyen la mayor parte de los animales bilaterales actuales. Algunos ejemplos son los moluscos , los anélidos y los entoproctos . Si bien se conoce mucho a nivel celular y molecular sobre los otros clados bilaterales ( ecdisozoos y deuterostomados ), la investigación sobre los procesos que rigen el desarrollo de los espirales es relativamente escasa. Sin embargo, una característica común a los espirales es el patrón de segmentación en el embrión temprano conocido como segmentación espiral . ^{[ 25 ]}

Mecanismos de división asimétrica (véase la figura, panel derecho):

• Tubifex tubifex: Se ha demostrado que el gusano de lodo Tubifex tubifex presenta una interesante división celular asimétrica en el punto de la primera segmentación 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 segmentación en tubifex depende del número de centrosomas . ^{[ 26 ]} Los embriones heredan un único centrosoma que se localiza en el citoplasma de la célula CD, que será 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, que será más pequeña, emite solo microtúbulos que se comprometen con el huso mitótico y no con los ásteres corticales. Cuando los embriones se comprimen o deforman, aún se forman husos asimétricos, y la tinción para tubulina gamma revela que el segundo centro organizador de microtúbulos carece de la firma molecular de un centrosoma. Además, cuando se duplica el número de centrosomas, los embriones de 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 que C. elegans y tubifex , pero se basa en 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 corteza. En robusta, la tinción con anticuerpos revela que el huso mitótico se forma simétricamente hasta la metafase y proviene de dos centrosomas sesastrosos. ^{[ 27 ]} Al comienzo de la metafase, la asimetría se hace evidente a medida que el centrosoma de la célula CD prospectiva más grande alarga los ásteres corticales mientras que los ásteres de la célula AB prospectiva más pequeña se regulan negativamente. Los experimentos con nocodazol y taxol respaldan esta observación. El taxol, que estabilizó los microtúbulos, obligó a un número significativo de embriones a dividirse 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, indujeron de manera similar una división simétrica en un número significativo de embriones. El tratamiento con cualquiera de los fármacos a 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 la división celular asimétrica en el desarrollo espilariano. ^{[ 27 ]}
• Ilyanasa obsoleta: Se ha descubierto un tercer mecanismo, menos tradicional, que contribuye a la división celular asimétrica en el desarrollo espiraliano en el molusco Ilyanasa obsoleta . Los experimentos de hibridación in situ e inmunofluorescencia muestran que los transcritos de ARNm se localizan junto con los centrosomas durante la segmentación temprana. ^{[ 28 ]} En consecuencia, estos transcritos se heredan de forma estereotípica a células distintas. Todos los transcritos de ARNm estudiados se han relacionado con la formación del eje corporal, y la hibridación in situ para transcritos asociados con otras funciones no muestra dicha localización. Además, la interrupción de la polimerización de microtúbulos con nocodazol y de la polimerización de actina con citocalasina 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. Finalmente, la introducción de múltiples centrosomas en una célula mediante la inhibición de la citocinesis muestra que el ARNm se localiza de forma fiable en el centrosoma correcto, lo que sugiere diferencias intrínsecas entre cada composición centrosomal. Estos resultados reflejan experimentos realizados después de las dos primeras divisiones, pero aun así demuestran un mecanismo molecular diferente para establecer la asimetría en una célula en división. ^{[ 28 ]}

Los animales están compuestos por una gran cantidad de distintos tipos de células . Durante el desarrollo, el cigoto experimenta numerosas divisiones celulares que dan origen a diversos tipos de células, incluidas las células madre embrionarias. Las divisiones asimétricas de estas células embrionarias dan lugar a una célula con la misma capacidad ( autorrenovación ) y a otra que puede tener la misma capacidad o ser estimulada para diferenciarse aún más en tipos celulares especializados, 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 de células madre original, 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 altamente sulfatadas, que la estimulan a diferenciarse mientras la otra célula hija permanece en el nicho original en un estado quiescente.

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 alteración de la división celular asimétrica conduce a una autorrenovación aberrante y perjudica la diferenciación , y podría constituir, por lo tanto, un paso temprano en la transformación tumoral de las células madre y progenitoras. En las células madre normales no tumorales, se han descrito varios genes 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 se muestra que su expresión aberrante es esencial para la formación de la masa celular tumoral. ^{[ 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 ]}

Otro tipo de mutación en las divisiones celulares asimétricas que participan en el crecimiento tumoral son las mutaciones con pérdida de función. La primera sugerencia de que la pérdida de la división celular asimétrica podría estar implicada en la tumorigénesis provino de estudios en Drosophila . Los estudios de mutaciones con pérdida de función en reguladores clave de la división celular asimétrica, como lgl, aurA, polo, numb y brat, revelaron fenotipos hiperproliferativos in situ. En estos mutantes, las células se dividen de forma más simétrica y generan progenie mal especificada que no logra salir del ciclo celular ni diferenciarse, sino que prolifera continuamente y forma una masa de células tumorales. ^{[ 34 ]}