A divisão celular é fundamental para a vida, mas os cientistas têm lutado para explicar completamente como funciona durante as fases iniciais do desenvolvimento embrionário, especialmente em animais que põem ovos. Pesquisadores do grupo Brugués do Cluster de Excelência Física da Vida (PoL) da Universidade de Tecnologia TUD Dresden identificaram agora um mecanismo até então desconhecido que permite que grandes células embrionárias se dividam sem formar um anel contrátil completo, que há muito é considerado essencial para este processo. Suas descobertas, publicadas a naturezaDesafie os modelos tradicionais dos livros didáticos, mostrando como os componentes do citoesqueleto e as propriedades físicas do interior da célula (ou citoplasma) funcionam juntos através de um mecanismo de ‘catraca’ para impulsionar a divisão.
Em muitos organismos, as células se dividem formando um anel feito da proteína actina no ponto médio da célula. Essa estrutura se aperta como um cordão, comprimindo a célula em duas células-filhas. Embora este modelo de bolsa seja amplamente aplicável, ele não explica a divergência em espécies com células embrionárias particularmente grandes, incluindo tubarões, ornitorrincos, aves e répteis. Nesse caso, o tamanho da célula e a presença de um grande saco vitelino impedem que o anel de actina se feche completamente. Durante anos, os pesquisadores se perguntaram como essas células grandes podem se dividir.
“Com uma gema tão grande nas células embrionárias, há uma restrição geométrica. Como uma faixa contrátil, com pontas soltas, permanece estável e gera força suficiente para dividir essas células enormes?” perguntou Alison Kikuth, uma estudante de doutorado recentemente formada pelo Grupo de Bruges do Cluster de Excelência em Física da Vida (PoL) e principal autora do estudo. Teste de equipe, relatório a naturezaForneça uma resposta.
Zebrafish revela um papel estabilizador para microtúbulos
Para investigar, os investigadores concentraram-se nos embriões de peixe-zebra, que se desenvolvem rapidamente e contêm células grandes e ricas em gema numa fase inicial. Usando um laser para cortar com precisão a banda de actina, Allison descobriu que a banda continuou a mover-se para dentro mesmo depois de ter sido cortada. Isto sugere que ele foi apoiado ao longo de seu comprimento, em vez de simplesmente ancorado nas extremidades.
A equipe também notou que os microtúbulos, outra parte fundamental do citoesqueleto, dobram-se e espalham-se quando a banda de actina é cortada. Essas fibras ajudam a estabilizar a banda à medida que ela aperta. Para testar a sua importância, os investigadores romperam os microtúbulos de duas maneiras. Eles induziram quimicamente a despolimerização (interrompendo efetivamente a formação de novos microtúbulos) e interferiram fisicamente neles, inserindo uma pequena gota de óleo como barreira. Em ambos os casos, a banda de actina entrou em colapso sem microtúbulos, demonstrando que estas estruturas fornecem importante suporte mecânico e sinalização durante a formação e contração da banda.
A rigidez citoplasmática muda durante o ciclo celular
O citoesqueleto se reorganiza naturalmente à medida que a célula progride no ciclo celular. Este ciclo consiste em uma fase mitótica (fase M), quando o DNA é separado, e uma interfase, quando a célula cresce e replica seu DNA. Após a segregação do DNA, grandes estruturas de microtúbulos chamadas ásteres se estendem por todo o citoplasma. Durante a interfase, esses ásteres ajudam a determinar onde a banda de actina se formará, marcando o futuro local de divisão.
Como os microtúbulos podem afetar a rigidez do citoplasma, os pesquisadores perguntaram se os ásteres poderiam ajudar a ancorar as bandas de actina, endurecendo o interior da célula. Para medir isso, eles colocaram esferas magnéticas dentro da célula e rastrearam como as esferas se moviam sob a força magnética. Isso permitiu avaliar mudanças na rigidez citoplasmática em diferentes estágios do ciclo celular.
Eles descobriram que o citoplasma endurece durante a interfase, criando uma estrutura de suporte que estabiliza as bandas de actina. Durante a fase M, entretanto, o citoplasma torna-se mais fluido, permitindo que a banda se mova para dentro entre as duas células em brotamento. Estas mudanças entre solidez e fluidez desempenham um papel central na viabilização da segmentação.
Uma catraca mecânica impulsiona a divisão ao longo do tempo
Um quebra-cabeça permaneceu. Se o citoplasma se tornar mais fluido durante a fase M, como a banda de actina evita o colapso? Ao rastrear as extremidades da banda ao longo do tempo, a equipe descobriu que ela se torna instável ao contrair durante a fase M, mas não falha completamente. Em vez disso, a sua retração parcial é “resgatada” pela rápida aceleração do ciclo celular embrionário inicial.
Quando a célula entra na próxima interfase e reforma o áster, o citoplasma solidifica novamente e estabiliza a banda. A banda continua para dentro na próxima fase fluida. Este padrão de instabilidade transitória é seguido por uma estabilização renovada até que a célula se divida completamente. O mecanismo atua como uma ‘catraca mecânica’, progredindo lentamente a divisão sem a necessidade de um anel contrátil totalmente fechado. Em vez de completar a divisão em um único ciclo, a célula consegue isso passo a passo através da alternância de estados físicos do citoplasma.
“O mecanismo de catraca temporal muda fundamentalmente a nossa visão de como funciona a citocinese”, enfatiza Jan Brugues, autor correspondente do estudo. Os investigadores propõem que este processo proporciona uma solução viável para células embrionárias muito grandes que se dividem rapidamente e não podem confiar em modelos convencionais.
“Os peixes-zebra são um caso interessante, porque a divisão citoplasmática em suas células embrionárias é inerentemente instável. Para superar essa instabilidade, suas células se dividem rapidamente, permitindo a penetração de bandas em diferentes ciclos celulares, alternando entre estabilização e liquefação até que a divisão seja completada”, destacou Allison sobre a descoberta.
Este trabalho introduz uma nova estrutura para a compreensão da divisão celular em embriões grandes e ricos em gema e pode ser aplicável a muitas espécies que põem ovos. Também ressalta a importância de mudanças precisamente cronometradas nas propriedades materiais do citoplasma na regulação dos processos celulares. Tais insights poderiam remodelar a forma como os cientistas estudam o desenvolvimento inicial em diferentes organismos.
Financiamento: Esta pesquisa foi apoiada pela Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fundação Alemã de Pesquisa) no âmbito da Estratégia de Excelência da Alemanha – EXC-2068-390729961- Life’s Cluster of Physics na TU Dresden. Os pesquisadores também foram apoiados pela bolsa Volkswagen ‘LIFE’ número 96827.
