Atrás do jornal: “Mudanças de topologia de Hidra Definir defeitos de orientação da actina como organizadores da morfogênese”
Ordem de longo alcance e defeitos topológicos como modeladores de tecido
Meu doutorado se concentrou em estudar o papel das isoformas CDC42 durante a polarização e migração celular1. Como o CDC42 é um regulador bem conhecido da polimerização de actina, desenvolvi um extenso treinamento para entender a regulação e a dinâmica da actina no contexto de polarização e migração celular.
No último ano do meu doutorado, durante meu tempo no Instituto Curie em Paris, encontrei o campo cativante da matéria ativa biológica. Lá, fui apresentado às obras de vários biofísicos de renome trabalhando na interseção de física e biologia. Fiquei profundamente intrigado com os estudos emergentes nesse campo, que é amplamente impulsionado por biofísicos que exploram a ordem de longo alcance em sistemas biológicos e investigando se as singularidades nessa ordem-conhecidas como defeitos topológicos-como centros organizacionais que facilitam os principais processos biológicos.
Um exemplo impressionante veio de Benoit Ladoux, que demonstrou que os eventos de extrusão celular podem ocorrer em locais de defeitos topológicos em monocamadas epiteliais2. Isto foi seguido por duas pré -impressões atraentes. O primeiro, do laboratório Roux em UniGe, mostrou que os mioblastos confinados a manchas circulares se organizam em ordem nemática (ou seja, alinhamento de longo alcance, semelhante a roscas). Em defeitos topológicos do tipo Aster, eles observaram extrusões de células a granel 3D do tipo twister celular, imitando um in vitro reconstituição de eventos semelhantes à morfogênese muscular3. A segunda pré -impressão, do laboratório Keren em 2020, revelou que Hidra exibe ordenação nemática de longo alcance em sua organização de actina supracelular, com defeitos topológicos correlacionando-se com a morfogênese da cabeça e dos pés4 (Fig. 1). Circiando de volta ao meu doutorado e meu treinamento em biologia de actina, vendo essas estruturas de actina altamente organizadas de uma célula em uma regeneração em escala de tecido em Hidra foi fascinante e intrigante ao mesmo tempo. Eu tinha tantas perguntas agitadas.
Começando o pós -doutorado: os defeitos topológicos são modeladores de in vivo morfogênese?
Comecei no Roux Lab de Aurélien Roux em setembro de 2021 – foi um começo rochoso, pois eu ainda estava encerrando meu manuscrito de doutorado e me inscrevendo para bolsas de pós -doutorado, com os prazos se aproximando rapidamente. Eu também estava me recuperando de condições médicas que pioraram devido ao estilo de vida sedentário imposto a nós durante a Covid.
Apesar desses gargalos, fiquei genuinamente empolgado por assumir um novo projeto para estudar o papel da matéria ativa na morfogênese, especialmente à luz dos recentes avanços no campo. Aurélien e eu decidimos explorar a hipótese de se – como – defeitos topológicos são necessários para moldar tecidos biológicos, usando vários organismos modelo. Nós nos aventuramos na morfogênese radicular em Arabidopsis (Em colaboração com Luis Lopez Molina), a morfogênese da lesma em Dictyostelium (em colaboração com Thierry Soldati), e especificamente, a regeneração da cabeça em Hidra mutantes de várias cabeças (em colaboração com Brigitte Galliot).
Enquanto eu estava fazendo malabarismos com esses diferentes organismos e estudando seus fascinantes eventos morfogenéticos, encontrei uma questão prática: meu Hidra estavam se movendo constantemente durante a imagem. Eu estava realizando esses experimentos com a ajuda de Matthias Vogg, depois um pós -doutorado sênior no Galliot Lab. Para abordar a questão do movimento, decidi imaginá -los usando um método de confinamento de laje de agarose normalmente usado para plantas de imagem – e Matthias concordou. Mal sabia eu que isso comprimia o animal, levando a uma indução mecânica de morfogênese de duas cabeças em Hidra.
Montando nessa descoberta acidental, comecei a seguir o fenômeno da morfogênese induzida mecanicamente em Hidra. Durante a regeneração sob compressão, rastreei o surgimento de novos defeitos topológicos na organização da actina do animal, que se correlacionava com a formação de novas cabeças. Esta observação confirmou a hipótese proposta pelo Keren Lab, que sugeriu que os defeitos topológicos de ASTER estão associados à nova formação de cabeça durante Hidra regeneração.
Defeitos topológicos moldam tecidos de animais de maneira dependente de curvatura
Depois disso, Aurélien ficou emocionado e sugeriu que eu chegasse a um físico teórico para explorar os mecanismos físicos por trás de como esses defeitos topológicos adicionais poderiam influenciar a modelagem de tecidos. Ele me conectou com Daniel Pearce, um físico teórico de matéria ativa (então um pós-doutorado no laboratório de Karsten Kruse), que já havia desenvolvido um modelo matemático descrevendo como a organização de longo prazo em Hidra poderia moldar o tecido5.
Quando mostrei a Daniel minhas descobertas, ele ficou extremamente empolgado e imediatamente entrou a bordo para ajudar a desenvolver simulações teóricas de tecidos sob compressão. Usando seu modelo elástico nemático, ele descreveu como os defeitos topológicos de +1 de Aster organizam tensões e geram curvatura positiva (formas de cúpula), que lembra a forma da forma do Hidra cabeça. Em simulações sob compressão lateral, observamos que a colocação de defeitos topológicos nas extremidades, como visto em nossos experimentos de regeneração, levou à evolução de duas estruturas em forma de cúpula.
Além disso, foi Dan que previu que a orientação da compressão tecidual poderia ditar o destino da regeneração. A direção da compressão influencia como a orientação da actina de longo alcance experimenta e responde ao estresse. Como ele sugeriu, observamos que, quando o tecido period orientado paralelo à laje de agarose compressiva, os locais dos defeitos de +1 de Aster se dobraram (formas de cúpula invertida) e sofreram rasgo, que depois curaram para formar um toróide sem defeito (Fig. 2).
Foi uma observação inovadora-foi a primeira vez que observamos a abolição do eixo do corpo em um tecido animal que permaneceu viável. Eu segui o toro sem defeito durante vários dias e observei que ele não conseguiu se regenerar, pois mantinha uma configuração de actina perfeitamente simétrica na qual nunca surgiram ásters de novo +1. O tecido tentou continuamente regenerar uma cabeça, mas falhou, devido à ausência de um defeito topológico de +1.
Por fim, todos pensamos coletivamente, no entanto, ainda devemos ser capazes de gerar toroid com um ASTER de +1. Até então, também estávamos em contato com o Kerren Lab e ela me convidou para Israel para uma estadia em seu laboratório. Todos sugeriram que teoricamente um toro com defeitos pudesse ser gerado. Então, eu suponho que, se a compactação ocorreu em um tecido com actina desordenada para começar e ocorreu uma lágrima simultânea, então, enquanto a ferida cura para criar um orifício em 3D para o toro, a actina desordenada o ordenará ao mesmo tempo em que gera um ASTER necessário para uma cabeça. Foi exatamente o que aconteceu quando comprimimos o tecido esferóide que passa por um distúrbio inicial da actina e depois pedindo. Dessa forma, geramos um toro com um aster de +1, portanto, um animal hidra adulto toroidal. Esta period realmente a cereja no topo para ver um animal com uma organização e topologia de músculos tão distorcidos.
Em conclusão, esses experimentos estabeleceram a necessidade de defeitos topológicos de +1 de actina de Aster como modeladores de cabeça no animal. A presença deles molda a cabeça e sua ausência dá origem a nenhuma formação de cabeça, como observado no toro sem defeito. A pesquisa prospectiva é tentar identificar morfógenos físicos de longo alcance em outros organismos e fortalecer o entendimento da matéria ativa biológica.
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