A divisão celular é fundamental para a vida, mas os cientistas têm lutado para explicar completamente como funciona nas fases iniciais do desenvolvimento embrionário, especialmente em animais que põem ovos. Pesquisadores do Grupo Bruggers do Cluster de Excelência em Física da Vida (PoL) da TU Dresden descobriram agora um mecanismo até então desconhecido que permite que grandes células embrionárias se dividam sem formar um anel contrátil completo, que há muito se pensava ser necessário para este processo. Suas descobertas foram publicadas em naturezadesafia os modelos tradicionais dos livros didáticos, mostrando como os componentes do citoesqueleto e as propriedades físicas do interior da célula (ou citoplasma) funcionam juntos por meio de um mecanismo de “catraca” para impulsionar a divisão.
Em muitos organismos, as células se dividem construindo anéis feitos 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 funcione de forma ampla, não explica as divisões em espécies com células embrionárias particularmente grandes, incluindo tubarões, ornitorrincos, aves e répteis. Nestes casos, o grande tamanho das células e a presença de um grande saco vitelino impedem o fechamento completo do anel de actina. Durante anos, os pesquisadores se perguntaram como essas células superdimensionadas se dividem.
“Com uma gema tão grande nas células embrionárias, existem restrições geométricas. Como as faixas contráteis soltas nas extremidades permanecem estáveis e geram força suficiente para dividir essas células enormes?” perguntou Alison Kickuth, uma recente estudante de doutorado no Grupo Bruggers do Excellence in Physics of Life Cluster (PoL) e principal autora do estudo. Os experimentos da equipe são relatados em naturezadê a resposta.
Zebrafish revela papel estabilizador dos microtúbulos
Para conduzir o estudo, os investigadores recorreram a embriões de peixe-zebra, que se desenvolvem rapidamente e também contêm um grande número de células ricas em gema nas suas fases iniciais. Allison usou um laser para cortar com precisão as fitas de actina e descobriu que mesmo depois de cortadas, as fitas de actina continuaram a se mover para dentro. Isto sugere que ele é apoiado ao longo de seu comprimento, em vez de ancorado apenas nas extremidades.
A equipe também observou que os microtúbulos, outra parte fundamental do citoesqueleto, dobram-se e desdobram-se quando as fitas de actina são cortadas. Essas fibras parecem ajudar a estabilizar a banda à medida que ela se aperta. Para testar a sua importância, os investigadores romperam os microtúbulos de duas maneiras. Eles induziram quimicamente a despolimerização (prevenindo efetivamente a formação de novos microtúbulos) e os romperam fisicamente, inserindo minúsculas gotículas de óleo como barreiras. Em ambos os casos, as fitas de actina colapsaram na ausência de microtúbulos, sugerindo que estas estruturas fornecem suporte mecânico crítico e sinalização durante a formação e contração das fitas.
Mudanças na rigidez citoplasmática durante o ciclo celular
À medida que as células progridem no ciclo celular, o citoesqueleto se reorganiza naturalmente. Este ciclo inclui mitose (fase M), quando o DNA é separado, e interfase, quando as células crescem e replicam seu DNA. Depois que o DNA é isolado, grandes estruturas de microtúbulos chamadas ásteres se expandem por todo o citoplasma. Durante a interfase, esses ásteres ajudam a determinar onde as bandas de actina se formarão e marcarão futuros locais de divisão.
Como os microtúbulos afetam a rigidez do citoplasma, os pesquisadores perguntaram se o áster poderia ajudar a ancorar as fitas de actina, endurecendo o interior da célula. Para medir isso, eles colocaram esferas magnéticas dentro das células e rastrearam como as esferas se moviam sob a influência do magnetismo. Isso permitiu avaliar mudanças na rigidez citoplasmática durante diferentes estágios do ciclo celular.
Eles descobriram que o citoplasma fica mais rígido durante a interfase, formando uma estrutura de suporte que estabiliza as fitas de actina. Contudo, durante a fase M, o citoplasma torna-se mais fluido, permitindo que a tira se mova para dentro entre as duas células emergentes. Estas transições entre rigidez e fluidez desempenham um papel central na obtenção da fragmentação.
A catraca mecânica se divide com o tempo
Resta um enigma. Se o citoplasma se tornar mais fluido durante a fase M, como as fitas de actina evitam o colapso? Ao acompanhar o fim da banda ao longo do tempo, a equipe descobriu que ela se tornou instável à medida que se contraía durante a fase M, mas não falhou totalmente. Em vez disso, parte da sua retração é “resgatada” pelo ritmo rápido do ciclo celular embrionário inicial.
Quando as células entram na próxima interfase e os ásteres se reformam, o citoplasma endurece novamente e estabiliza as bandas. A banda então continua a se mover para dentro durante o próximo estágio fluido. Esse padrão de desestabilização temporária e depois de reestabilização se repete ao longo de vários ciclos celulares até que a célula se divida completamente. O processo funciona como uma “catraca mecânica”, avançando gradualmente a divisão sem a necessidade de um anel de contração totalmente fechado. As células não se dividem em um ciclo, mas se dividem gradualmente, alterando o estado físico do citoplasma.
Jan Bruggers, o autor correspondente do estudo, enfatizou: “O mecanismo de catraca temporal muda fundamentalmente a nossa visão de como funciona a citocinese”. Os investigadores propõem que este mecanismo fornece uma solução eficaz para células embrionárias muito grandes que se dividem rapidamente e não podem confiar nos modelos tradicionais.
“O peixe-zebra é um exemplo fascinante porque a divisão citoplasmática nas suas células embrionárias é inerentemente instável. Para superar esta instabilidade, as suas células dividem-se rapidamente, alternando entre estabilização e fluidização, permitindo a entrada de bandas ao longo de vários ciclos celulares até que a divisão esteja completa”, destaca Allison esta descoberta.
Este trabalho introduz uma nova estrutura para a compreensão da divisão celular em embriões grandes e ricos em gema e pode ser aplicado a muitas espécies que põem ovos. Também destaca a importância de mudanças precisas nas propriedades do material citoplasmático no controle dos processos celulares. Insights como esse 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 Alemã – EXC-2068-390729961 – Cluster de Excelência em Biofísica na TU Dresden. Os pesquisadores também foram apoiados pela bolsa Volkswagen “Life” número 96827.
