Linaje celular

El linaje celular denota la historia del desarrollo de un tejido u órgano a partir del óvulo fecundado . ^{[ 1 ]} Esto se basa en el seguimiento de la ascendencia celular de un organismo debido a las divisiones y reubicaciones celulares a lo largo del tiempo. Comienza con las células originarias y termina con una célula madura que ya no puede dividirse. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Este tipo de linaje se puede estudiar marcando una célula (con moléculas fluorescentes u otros marcadores rastreables) y siguiendo su progenie después de la división celular. Algunos organismos, como C. elegans , tienen un patrón predeterminado de progenie celular y el macho adulto siempre constará de 10³¹ células. Esto se debe a que la división celular en C. elegans está determinada genéticamente y se conoce como eutelia . ^{[ 4 ] [ 5 ]} Esto hace que el linaje celular y el destino celular estén altamente correlacionados. Otros organismos, como los humanos, tienen linajes variables y números de células somáticas variables.

Como uno de los primeros pioneros del estudio del linaje celular, en la década de 1960, el Dr. Sydney Brenner comenzó a observar la diferenciación y sucesión celular en el nematodo Caenorhabditis elegans . El Dr. Brenner eligió este organismo debido a su cuerpo transparente, su rápida reproducción, su fácil acceso y su pequeño tamaño, lo que lo hacía ideal para seguir el linaje celular bajo el microscopio.

En 1976, el Dr. Brenner y su colaborador, el Dr. John Sulston , identificaron parte del linaje celular en el sistema nervioso en desarrollo de C. elegans . Los resultados iniciales mostraron que el nematodo era eutélico (cada individuo experimenta las mismas vías de diferenciación). Sin embargo, el trabajo de Sulston y Richard Horvitz demostró que varias células necesarias para la reproducción se diferencian después de la eclosión. Estas células incluyen células vulvares, así como músculo y neuronas. Esta investigación también condujo a las primeras observaciones de la muerte celular programada , o apoptosis .

Después de mapear varias secciones del C. elegans' linaje celular, el Dr. Brenner y sus asociados lograron reconstruir el primer mapa de destino celular completo y reproducible. Posteriormente, recibieron el Premio Nobel de 2002 por su trabajo en la regulación genética del desarrollo de órganos y la muerte celular programada. ^{[ 6 ]} Dado que C. elegans es hermafrodita, posee órganos masculinos y femeninos, donde almacena esperma y puede autofecundarse. C. elegans contiene 302 neuronas y 959 células somáticas, de las cuales 1031 comienzan con neuronas, de las cuales 72 experimentan apoptosis, que es la muerte celular programada. Esto convierte a C. elegans en un organismo modelo para estudiar el linaje celular y observar las divisiones celulares debido a su fenotipo transparente. ^{[ 7 ]}

Uno de los primeros estudios sobre linajes celulares tuvo lugar en la década de 1870, realizado por Whitman, quien estudió los patrones de segmentación en sanguijuelas y pequeños invertebrados . Descubrió que algunos grupos, como los nematodos y las ascidias, forman un patrón de división celular idéntico e invariable entre individuos. Se creía que esta alta correlación entre el linaje celular y el destino celular estaba determinada por factores de segregación dentro de las células en división. Otros organismos presentaban patrones estereotipados de división celular y producían sublinajes que eran la progenie de células precursoras específicas. Se cree que estos destinos celulares más variables se deben a la interacción de las células con el entorno. Gracias a los avances en el seguimiento de células con mayor precisión, la comunidad biológica ha podido beneficiarse, ya que ahora se utilizan diversos colores para mostrar las células originales y facilitar su seguimiento. Estos colores son fluorescentes y se marcan en las proteínas mediante inyecciones para rastrear dichas células. ^{[ 8 ]}

El linaje celular se puede determinar mediante dos métodos: la observación directa o el análisis clonal. A principios del siglo XIX, se utilizaba la observación directa, pero esta era muy limitada, ya que solo permitía estudiar muestras pequeñas y transparentes. La invención del microscopio confocal posibilitó el estudio de organismos más grandes y complejos. ^{[ 9 ]}

Perhaps the most popular method of cell fate mapping in the genetic era is through site-specific recombination mediated by the Cre-Lox or FLP-FRT systems. By using the Cre-Lox or FLP-FRT recombination systems, a reporter gene (usually encoding a fluorescent protein) is activated and permanently labels the cell of interest and its offspring cells, thus the name cell lineage tracing.^[10] With the system, researchers could investigate the function of their favorite gene in determining cell fate by designing a genetic model where within a cell one recombination event is designed for manipulating the gene of interest and the other recombination event is designed for activating a reporter gene. One minor issue is that the two recombination events may not occur simultaneously; thus the results need to be interpreted with caution.^[11] Furthermore, some fluorescent reporters have such an extremely low recombination threshold that they may label cell populations at undesired time-points in the absence of induction.^[12]

Synthetic biology approaches and the CRISPR/Cas9 system to engineer new genetic systems that enable cells to autonomously record lineage information in their own genome have been developed. These systems are based on engineered, targeted mutation of defined genetic elements.^[13][14] By generating new, random genomic alterations in each cell generation, these approaches facilitate reconstruction of lineage trees. These approaches promise to provide more comprehensive analysis of lineage relationships in model organisms. Computational tree reconstruction methods^[15] are also being developed for datasets generated by such approaches.

En los seres humanos, tras la fecundación , el cigoto se divide en dos células. Las mutaciones somáticas que surgen inmediatamente después de la formación del cigoto, así como posteriormente durante el desarrollo, pueden utilizarse como marcadores para rastrear los linajes celulares en todo el cuerpo. ^{[ 16 ]} A partir de las divisiones del cigoto, se observó que los linajes contribuían de forma desigual a las células sanguíneas . Se descubrió que hasta el 90 % de las células sanguíneas derivaban de solo uno de los dos primeros blastómeros . Además, el desarrollo normal puede dar lugar a características desiguales en órganos simétricos, como entre la corteza cerebral frontal y occipital izquierda y derecha . Se propuso que la eficiencia de la reparación del ADN contribuye al desequilibrio de los linajes, ya que el tiempo adicional que una célula dedica a la reparación del ADN puede disminuir la tasa de proliferación. ^{[ 16 ]}

• Potencia celular
• Edición genómica de matrices de objetivos sintéticos para el rastreo de linajes ( GESTALT )