Ser o no ser? Células madre y diferenciación celular. Nara Guisoni Grupo de Sistemas Complejos IFLYSIB CONICET Dep. de Ciencias Biológicas FCE - UNLP

Transcripción

1 Ser o no ser? Células madre y diferenciación celular Nara Guisoni Grupo de Sistemas Complejos IFLYSIB CONICET Dep. de Ciencias Biológicas FCE - UNLP Programa Interdisciplinario de Sistemas Complejos Universidad Nacional de General Sarmiento Abril 2017

2 Colaboradores: Jordi García Ojalvo y Rosa Martínez Corral Dynamical Systems Biology, Universitat Pompeu Fabra Joaquín de Navascués European Cancer Stem Cell Research Institute, Cardiff University

3 Células madre: tienen la capacidad de replicarse y diferenciarse en diversos tipos de células especializadas

4 Células madre: equilíbrio entre la división celular y la diferenciación (homeostasis) división celular diferenciación Intestino: alto grado de recambio celular. Objeto de estudio: Drosophila melanogaster (mosca de la fruta) - organismo modelo en biología - 75% genes humanos vinculados a enfermedades tienen su homólogo en la Drosophila

5 Foto: Diana Martinez Llaser Drosophila melanogaster intestino

6 Intestino de la Drosophila adulta 4 tipos de células: Células no diferenciadas - Intestinal Stem Cells (ISC) - EnteroBlasts (EB) Células diferenciadas - EnteroCytes (EC) - EnteroEndocrines (EE) de Navascués et al., EMBO J., 2012 de Navascués et al., EMBO J., 2012 Lee et al. Development 2009

7 Distribución espacial de las células ~ 5-8% EnteroEndocrines ~ 55% EnteroCytes ~ 18% Intestinal Stem Cells Arm/ Catenin ISCs EBs de Navascués et al., EMBO J., 2012 ~ 18% EnteroBlasts Células no diferenciadas se encuentran en pequeños aglomerados

8 Como se dividen las células madre? EB división asimétrica: una célula hija mantiene la identidad de célula madre y la otra se diferencia división simétrica: las dos células hijas son iguales EL DESTINO ES DECIDIDO DESPUÉS DE LA PROLIFERACIÓN pérdida de células madre

9 Evidéncia experimental de división simétrica en el intestino de Drosophila y de ratones de Navascués et al., EMBO J., 2012 Snippert et al.,cell, 2010 EB EB EB Tejido dinámico: homeostasis exige flexibilidad

10 Si la división es simétrica, como las células madre del intestino de Drosophila deciden sus destinos??

11 Vías de señalización definición destino celular intestino Drosophila Hou, J. Cell. Physiol., 2010 Expresa Delta (Dl+) Notch activado (N*)

12 La frecuencia relativa de células EB e ISC está correlacionada con el nivel de actividad de Notch mutantes Guisoni, Martinez-Corral, Garcia-Ojalvo, de Navascués, Development 2017 knock-down (mismo background genético)

13 La vía de señalización de Notch y Delta (inhibición lateral) r j r j Collier, Monk, Maini, Lewis. J. Theor. Biol., 96 Formosa-Jordan, PhD Tesis 2013

14 inhibición lateral: mecanismo general involucrado en la diferenciación celular (amplificación ruído intrínseco) desarrollo de nuevos indivíduos mantenimiento de tejidos (adultos) Formosa-Jordan, PhD Tesis 2013 Sprinzak Lab formación de patrones

15 Inhibición lateral para 2 células (simulación modelo solución numérica) Expresa Delta (Dl+) Notch activado (N*) Dos células iguales pasan a tener destinos diferentes Ferrell, Curr. Biol Collier et al. J. Theor. Biol., 96

16 Destino de pares de células no diferenciadas Datos experimentales para 508 pares de células en el intestino de Drosophila Guisoni et al., Development 2017 de Navascués et al., EMBO J., 2012 como explicar con inhibición lateral?

17 Hay variabilidad entre las células? r j r j variabilidad en los parámetros del modelo umbral de activación de Notch por Delta (interacción trans entre células) posibilidad: área de contacto

18 Si consideramos que los parámetros son variables, que resultados obtenemos con el modelo para inhibición lateral?

19 Modelo usual para inhibición lateral estado estacionario para 2 células encontramos los tres destinos posibles para pares de células (ISC-ISC, EB-EB, ISC-EB) EBEB ISCEB ISCISC área de contacto tiene relación con el destino celular Cálculos analíticos/numéricos: análisis de estabilidad lineal

20 EBEB ISCEB ISCISC

21 En el experimento: Como es el contacto entre pares de células? Imágenes de microscopio confocal (proyección en z) Es variable!

22 Experimentos: medimos el área de contacto entre 508 pares de células Encontramos variabilidad en el área de contacto entre pares de células!

23 En los experimentos hay relación entre el destino celular y el área de contacto entre los pares? área de contacto Kolmogorov-Smirnov: test no paramétrico para comparar las distribuciones P-value es la probabilidad de que provengan de la misma distribución

24 Las células ISC y EB tienen el mismo tamaño? Arm/ Catenin ISCs EBs de Navascués et al., EMBO J., 2012 Puede existir un sesgo en los resultados debido a eso?

25 Medimos el area proyectada (volumen) de todas las células ISCs y EBs EBs son significativamente más grandes

26 Seleccionamos los pares ISC-EB en que las EBs tienen tamaño igual o menor que las ISCs

27 Pares ISC-ISC presentan menor area de contacto que los pares ISC-EB No depende del tamaño de las EBs No consideramos los pares EB-EB

28 El modelo logra reproducir los datos experimentales? mutantes Generamos una distribución de áreas para el modelo con la misma distribución que la observada experimentalmente (Smooth Kernel Distribution). knock-down

29 knock-down mutantes Acuerdo entre modelo y experimentos control

30 Acuerdo entre modelo y experimentos para otros valores de los parámetros (H) entropía relativa de Kullback-Leibler: medida de similitud entre dos distribuciones de probabilidad

31 Altura de la caja: H<0.02 Base de la caja: distribución de areas experimental (smooth kernel distribution) mutantes knock-down Control (mutantes y knock-down): pares ISC-ISC aparecen para menores valores de area que pares ISC-EB (de acuerdo con datos experimentales!)

32 Cambio en los parámetros del modelo en línea con la naturaleza de las modificaciones genéticas: mutantes knock-down Pérdida de función de N (mutante N55e11 y knock-down): aumenta (aumento de ), aproximadamente constante Aumento de función de N (mutante l(1)nb): disminuye (disminución de ), disminuye (aumento de )

33 Conclusiones La variabilidad poblacional (ruído extrínseco) en el modelo para inhibición lateral lleva a un comportamiento más complejo que el usualmente conocido: más destinos posibles

34 El arreglo espacial de las células tiene impacto en el comportamiento de las células madre arreglo físico de las células + señalización por moléculas ambos aspectos son importantes en el mantenimiento del equilíbrio entre células madre y células diferenciadas

35 Una charla entre la física y la biología... Mecanismo molecular para decisión del destino celular de las células madre del intestino de Drosophila es la inhibición lateral Datos experimentales para pequeños aglomerados de células Proponemos una ampliación del modelo para inhibición lateral Área de contacto entre células está relacionada con el destino celular: modelo y experimentos Análisis modelo: variabilidad en el área de contacto entre las células

36 Muchas gracias! Beca Externa para Jóvenes Investigadores Parc de la Reserca Biomédica de Barcelona (PRBB) Universitat Pompeu Fabra, Barcelona