Por Claudio Hernández-López e Aditya Singh Rajput
Depois de uma viagem de táxi de Heathrow para o Buxted Park, o primeiro dia da conferência começou em uma nota alta, pois todos foram tratados com um almoço saudável com vista para os vastos jardins. Mais tarde, tendo encontrado nosso caminho através dos muitos corredores do resort, tivemos algumas palavras dos organizadores da conferência, Lendert Gelens e Julia Kamenz e também de Laura Hankins em nome da Companhia de Biólogos. Todos os palestrantes se apresentaram e apresentaram seus interesses de pesquisa e hobbies fora do corpo. E assim, o cenário foi preparado para a primeira sessão da conferência: Actin e sua regulamentação bioquímica
Actina I: ondas bioquímicas em turbilhão em córtices naturais e artificiais
Andrew Goryachev, professor da Universidade de Edimburgo, apresentou a todos as ondas de Rho-Actin (RhoA) no córtex dos oócitos de estrela do mar. Uma parte crítica do ciclo celular é a citocinese, ou seja, a capacidade da célula de restringir sua membrana e formar duas células separadas. Essas ondas são resultado da excitabilidade cortical antes desse processo. Andrew nos mostrou sua evolução espaço-temporal hipnotizante em filmes de microscopia de fluorescência, exibindo atividade correlacionada em regiões com tamanhos de cerca de 10 mícrons (1). Os sistemas de difusão de reação bioquímica são capazes de produzir padrões espaço-temporais e espalhar ondas. No entanto, dependendo das interações moleculares entre as espécies químicas, as propriedades dessas ondas podem mudar. Dois modelos concorrentes foram propostos na literatura para explicar essas ondas, diferindo na presença ou ausência de uma espécie química explícita que inibe a RhoA. Os dados experimentais atuais medem a concentração complete de RhoA ou a concentração ativa de RhoA no espaço e no tempo, e esses dois modelos não podem ser distinguidos da dinâmica observada de uma concentração sozinha. Andrew apresentou novos dados experimentais de gravações simultâneas espaciais do RHOA complete e ativo. Essas medidas indicam que as alterações nas rhoA ativas precedem as alterações no RHOA complete, de acordo com um modelo, incluindo um inibidor explícito de RhoA.
Um grande impulso no campo é também estudar e recapitular a propensão intrínseca do córtex da actomiosina para formar padrões. Nesta direção, o laboratório de Jennifer Landino, professor assistente do Dartmouth School, vem trabalhando no desenvolvimento de córtices reconstituídos para estudar o surgimento de padrões espaço-temporais por uma interação de F-actina e Rho. Essas bicamadas lipídicas suportadas (SLBs) (2) exibem ondas e oscilações localizadas que foram observadas anteriormente em oócitos de sapo e estrelas do mar. Isso fornece fortes evidências da natureza auto-organizada desses padrões, com o suggestions mútuo entre F-actina e Rho, tornando a excitação do córtex. A dinâmica observada nas SLBs apresenta diferenças cruciais em comparação às células vivas, em specific, sem ondas periódicas de viagem. Mudanças nas propriedades do materials após Xenopus A adição de extrato permitiu que mais de uma única frente de onda se propagasse, chamando a atenção assim à importância da composição e design desses sistemas reconstituídos.
Actina II: Geometria, fluxos e deformações no desenvolvimento inicial
A segunda parte da sessão em Actin começou com Claudio Hernández-López, que recentemente terminou seu doutorado em Ens Paris e atualmente é um pós-doutorado em Amsterdã, discutindo o desenvolvimento inicial de Drosophila melanogaster. O embrião pré-gastrulação, ou seja, dos ciclos celulares 1-14, é um sincício: todos os núcleos compartilham um citoplasma comum. Antes da gastrulação, os núcleos migram para o córtex, formando suas membranas celulares durante o ciclo celular 14. A sincronia do ciclo celular ao longo do embrião de 500 mícrons depende da densidade nuclear no espaço, portanto, é importante que os núcleos alcancem um uniforme Distribuição no embrião antes da celularização. Experimentos anteriores mostraram que a expansão da nuvem nuclear ao longo do eixo anterior-posterior é mediada por fluxos citoplasmáticos acionados por contrações corticais da actomiosina (3). Claudio apresentou uma nova estrutura de modelagem compreendendo dois fluidos: um gel ativo (actomiosina) e um citosol passivo (4). Um acoplamento menoquímico entre a posição dos núcleos e a ativação localizada da miosina-II no córtex reproduziu medições experimentais anteriores nos fluxos e no posicionamento nuclear. Notavelmente, esse posicionamento auto-organizado é robusto, o que significa que, independentemente da localização do núcleo inicial após a fertilização, a distribuição nuclear last permanecerá uniforme.
Aditya Singh Rajput, um estudante de doutorado da ICTS-TIFR, Bengaluru, continuou a sessão discutindo a ingressão assimétrica em embriões. Esse fenômeno parece ser altamente conservado entre os filos múltiplos, com as geleias de pente sendo um dos principais exemplos. A discussão começou olhando para a ingresso no nematóide C. elegans e destacar o surgimento das não homogeneidades da miosina que levam a essa assimetria. Ele então discutiu seu trabalho para entender isso da lente da física da matéria ativa e do tratamento do córtex da actomiosina como uma superfície de fluido ativa. Devido ao surgimento de diferentes escalas de ingressão e fluxo cortical, a citocinese pode ser simétrica ou assimétrica, dependendo da contratilidade cortical. As previsões dessa teoria também parecem ser verdadeiras quando comparadas à dinâmica da primeira clivagem no C. elegans embrião.
Hervé Turlier, líder do grupo de pesquisa da Collège de France, discutiu o trabalho de seu grupo para construir modelos físicos e computacionais para o desenvolvimento inicial de organismos multicelulares. O grupo vem desenvolvendo ferramentas computacionais gerais para simular (5), bem como reconstruir (6) superfícies de células e tecidos, o que poderia ajudar a entender, por exemplo, padrões de clivagem nos embriões iniciais. Um dos principais problemas abertos no campo da mecanobiologia do desenvolvimento é a medição experimental de forças nos tecidos, à medida que elas sofrem crescimento e morfogênese. Para esse fim, o grupo do Dr. Turlier vem trabalhando na análise de redes totalmente tridimensionais de contatos celulares para inferir tensões celulares. Este método, chamado Foambryodepende da reconstrução da malha para capturar com precisão a geometria celular e depois inferir as tensões relativas dos comprimentos juncionais. Essas ferramentas físicas e computacionais não apenas fornecem uma janela única para o comportamento mecânico dos embriões iniciais, mas também demonstram ser generalizáveis e escaláveis para diferentes espécies e vários estágios de desenvolvimento.
Processamento de informações em escalas
Trocando as engrenagens, a sessão nas informações foi iniciada por Rob Phillips com uma discussão sobre idioma, palavras e informações nele. Ao comparar o conteúdo da informação em exemplos de obras da vida diária de literatura, enciclopédias e bibliotecas inteiras- com o conteúdo da informação dos genomas, Rob trouxe à luz as vastas regiões desconhecidas das seqüências de genoma que permanecem estudadas até agora. Com seu laboratório, ele está desenvolvendo novas ferramentas (7) para entender a fossa transcricional entre genes de uma maneira de alto rendimento para desenvolver uma genômica Rosetta Stone Isso ajuda a preencher nossa compreensão do mapa do genótipo-fenótipo. Ele falou sobre como esse trabalho tenta inferir as redes reguladoras de genes subjacentes, estudando interações termodinâmicas e vinculando afinidades e combinando isso com ferramentas da teoria da informação. Além do problema de decifrar o próprio mapa do genótipo-fenótipo, Rob destacou como a natureza muitos para um deste mapa vem com complexidades adicionais de diferentes genes com graus variados de impacto em seus fenótipos associados, que também é outro aspecto que este A caixa de ferramentas pode ajudar a trazer à tona de uma maneira mais quantitativa.
Sophie de Buyl, professora do Vrije Universiteit Bruxel, fechou esta sessão falando sobre o desenvolvimento do embrião ascídico. Esses alimentadores de filtro apresentam duas características que os tornam particularmente atraentes para estudos experimentais em biologia do desenvolvimento. Primeiro, seu padrão de clivagem é invariante. Segundo, não há um crescimento de migração celular, morte ou embrião durante seu desenvolvimento. O trabalho teórico anterior realizado em seu laboratório se concentrou na diferenciação do tecido neural nos estágios iniciais do desenvolvimento dessa espécie. Esse processo depende da ativação do ERK, que é regulada pela concentração de pistas de sinalização externa. Em specific, o ativador ERK está localizado no lado basal das células mais externas, e o repressor ERK está localizado nas junções células-células. Portanto, a geometria das células é uma variável relevante para estudar em relação à diferenciação celular (8). Uma questão abrangente na biologia do desenvolvimento é como os sistemas vivos integram sinais de seu ambiente para decidir o destino celular robustamente, e as ferramentas da teoria da informação nos permitem lançar esse problema em uma forma matemática tratável. Como resultado essencial desse novo estudo, Sophie mostrou que a maximização da transmissão de informações da entrada externa para a expressão celular produz uma geometria celular prevista que corresponde de perto aos valores medidos experimentalmente. Além disso, essa transmissão máxima de informações suporta diferenciação confiável entre quatro destinos celulares possíveis diferentes (9).
Pensamentos finais
As primeiras divisões celulares embrionárias surgem de uma interação entre pistas bioquímicas e mecânicas, abrangendo várias escalas temporais e espaciais. Dado que as vias regulatórias são geralmente menos ativas nesse estágio, sentimos que um diálogo abrangente entre teoria e experimentos no desenvolvimento inicial pode ser um terreno fértil para uma compreensão mais ampla não apenas da divisão celular, mas também do surgimento de comportamentos complexos nas células metazoárias. Indo além, talvez uma compreensão mais biofísica das divisões embrionárias possa nos dizer algo sobre a evolução das diversas redes regulatórias que observamos em organismos existentes, potencialmente aprendendo mais sobre a divisão celular nos primeiros organismos multicelulares.
Referências
- Chomchai, Dominic A., Marcin Leda, Adriana E. Golding, George von Dassow, William M. Bement e Andrew B. Goryachev. ““Modelos de teste de geração de ondas do córtex celular por Rho GTPases. ” biorxiv
(2024): 2024-04.
- Landino, Jennifer, Marcin Leda, Ani Michaud, Zachary T. Swider, Mariah Promenade, Christine M. Subject, William M. Bement, Anthony G. Vecchiarelli, Andrew B. Goryachev e Ann L. Miller. ““Rho e F-actina se auto-organizam dentro de um córtex celular synthetic. ” Biologia atual 31, no. 24 (2021): 5613-5621.
- Deneke, Victoria, Alberto Puliafito, Daniel Krueger, Avaneesh V. Narla, Alessandro de Simone, Luca Primo, Massimo Vergassola, Stefano de Renzis e Stefano Di Talia. O posicionamento nuclear auto-organizado sincroniza o ciclo celular em embriões de Drosophila. Cell, 177 (4) (2019), 925-941.
- Hernández-López, Claudio, Alberto Puliafito, Yitong Xu, Ziqi Lu, Stefano di Talia e Massimo Vergassola. ““Dinâmica de dois fluidos e camadas limites de microns-finas moldam fluxos citoplasmáticos em embriões iniciais de Drosophila. ” Anais da Academia Nacional de Ciências 120, no. 44 (2023): E2302879120.
- Da Rocha, Hudson Borja, Jeremy Bleyer e Hervé Turlier. ““Uma teoria viscosa de concha ativa do córtex celular. ” Jornal da Mecânica e Física dos Sólidos 164 (2022): 104876.
- Ichbiah, Sacha, Fabrice Delbary, Alex McDougall, Rémi Dumollard e Hervé Turlier. ““Cartografia de mecânica embrionária: inferência de atlas de força 3D da microscopia de fluorescência. ” Métodos da natureza 20, não. 12 (2023): 1989-1999.
- Pan, Rosalind Wenshan, Tom Röschinger, Kian Faizi, Hernan G. Garcia e Rob Phillips. “Decifrar arquiteturas regulatórias de promotores bacterianos de padrões de expressão sintética. ” PLOS Biologia Computacional 20, no. 12 (2024): E1012697.
- Bettoni, Rossana, Clare Hudson, Géraldine Williaume, Cathy Sirour, Hitoyoshi Yasuo, Sophie de Buyl e Geneviève Dupont. ““Modelo de indução neural no embrião ascidiano. ” PLOS Biologia Computacional 19, no. 2 (2023): E1010335.
- Bettoni, Rossana, Geneviève Dupont., Aleksandra Walczak e Sophie de Buyl. ““Otimizando a transmissão de informações em indução neural restringe contatos de superfície celular de embriões ascidianos. ” Arxiv pré -impressão (2024) arxiv: 2410.18143.
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