Mecanismos moleculares que regulan la migración celular colectiva

Programa de doctorado en Biotecnología y Tecnología QuímicaLa migración celular es un proceso fundamental tanto en el desarrollo embrionario como a lo largo de la vida del organismo. En organismos adultos, tiene gran importancia en los procesos homeostáticos como la respuesta inmune y la reparación de tejidos. La migración celular también puede contribuir a algunos procesos patológicos, incluyendo enfermedades vasculares, enfermedades inflamatorias crónicas y procesos metastáticos (Friedl et al., 2004). Durante el desarrollo, existen dos modos principales de movimiento celular, la migración individual y la migración colectiva. Las células que migran de forma individual son células procedentes de epitelios que mediante una transición epitelio-mesénquima (EMT), en el que tiene lugar cambios en la polaridad y adhesión celular, se delaminan y se convierten en células mesenquimales con capacidad de migrar. La migración colectiva se entiende como el movimiento de varias células, bien formando parte de un grupo, de una fila o de una capa, que mantienen características similares a las células epiteliales. Este tipo de migración no se rige por una EMT como tal ya que no pierde totalmente la identidad epitelial. Existen varios ejemplos de migración colectiva durante el desarrollo como es la gastrulación y de procesos patológicos como la metástasis. En general, la migración celular se considera un proceso cíclico. Este ciclo comienza con la adquisición de una polaridad celular que genera una asimetría espacial entre la parte frontal y la trasera de la célula. Esta polarización se debe a la recepción de señales externas, estímulos quimiotácticos, factores de decrecimiento o proteínas de la matriz extracelular, las cuales determinan la dirección de la migración. Estas señales activan a receptores de membrana situados en el frente celular como son los receptores tirosina kinasas EGFR y PDGF (Forsberg-Nilsson et al., 1998; Simpson and Armstrong, 1999). Estos receptores se activan gracias a la fosforilación de su dominio intracelular por la unión de sus ligandos al dominio extracelular. Otra proteína implicada en el establecimiento de la polaridad celular y en la adhesión y mantenimiento de epitelios es la proteína E-cadherina. Esta proteína ejerce un papel importante en la migración colectiva durante el desarrollo, donde si bien la disminución de los niveles de E-cadherina en el frente de células pertenecientes a un epitelio promueve la migración, el aumento de expresión de esta proteína la inhibe (revisado en Shapiro and Weis, 2009 y en Peinado et al., 2004; Acloque et al., 2009). Esto ocurre en el cierre del tubo neural o durante la gastrulación en el desarrollo embrionario. Esta polarización y la consecuente activación de las rutas de señalización de los receptores EGFR y PDGF, implica la emisión de proyecciones transitorias en el frente celular (Sarmiento et al., 2008). Estas prolongaciones o extensiones, conocidas como filopodios y lamelipodios, son responsables del movimiento celular. Una molécula importante implicada en la formación de estas extensiones es la actina, un componente del citoesqueleto celular. La polimerización y despolimerización de actina para la formación de proyecciones celulares depende de reorganizaciones del citoesqueleto. En este proceso están involucradas las proteínas pertenecientes a las Rho GTPasas, Rac1 y Cdc42 (Sander et al., 1999). Varios estudios han mostrado que la activación de Rac1 o Cdc42 resulta en un incremento de la formación de lamelipodios y filopodios, respectivamente (Ridley et al., 1992; Machesky and Hall, 1997). Una vez formados estos lamelipodios y filopodios, deben anclarse al sustrato, ya sea a la matriz extracelular o a otras células adyacentes. Estos anclajes se denominan adhesiones focales o fibras de estrés. El proceso de unión de las proyecciones al sustrato se lleva a cabo por otro miembro de la familia de las Rho GTPasas denominado Rho, a través de su interacción con actina. Al mismo tiempo que se generan las adhesiones focales en las proyecciones del frente celular, la parte trasera de la célula debe retraerse para permitir el movimiento celular. En este proceso también se encuentra implicada la proteína Rho, la cual debe ser inhibida en la parte trasera para desestabilizar las uniones de la célula al sustrato a la vez que ejerce su papel en la contracción del cuerpo celular mediante su interacción con la miosina (Ridley and Hall, 1992; Ridley and Hall, 1994; Chrzanowska-Wodnicka and Burridge, 1996). Las Rho GTPasas deben estar bien reguladas para poder ejercer de forma correcta su papel de reorganización del citoesqueleto de actina durante la migración celular. Las Rho GTPasas presentan dos estados conformacionales que dependen de su unión a GTP (activa) o a GDP (inactiva). La regulación de este ciclo de activación/inactivación va a depender de tres tipos de proteínas distintas: unas proteínas activadoras denominadas GEF del inglés Guanine Nucleotide Exchange Factor, las cuales catalizan la unión de las proteínas a GTP; unas proteínas inactivadoras GAP, que procede del inglés GTPase Activating Proteins, implicadas en la hidrólisis del GTP y la posterior unión de las Rho GTPasas a GDP; y unas proteínas inhibidoras de la disociación de nucleótidos de guanina, GDI del inglés Guanine Nucleotide Disociation Inhibitor, las cuales se mantienen unidas a las Rho GTPasas inhibiendo la asociación con el nucleótido de guanina previniendo así su activación (Kjoller and Hall, 1999). Los factores GEFs son los más estudiados respecto a la activación de las GTPasas. Los miembros pertenecientes a la familia de las RhoGEF se caracterizan por poseer el complejo DH-PH, que interviene tanto en la localización de las RhoGEFs en la membrana plasmática como en la regulación la actividad catalítica (revisado en Rossman et al., 2005). Cabe destacar el GEF Vav por ser una proteína que contiene un bucle de autoinhibición situado en el extremo amino-terminal que regula negativamente al dominio catalítico DH, bloqueando así la accesibilidad a las Rho GTPasas (Schmidt and Hall, 2002). Además, esta proteína contiene los dominios SH2-SH3-SH2 en su extremo carboxi-terminal, por el cual se activa mediante fosforilación (Bishop and Hall, 2000). Vav ha sido situado corriente abajo de algunos receptores tirosina kinasas. Tras la estimulación de estos receptores, Vav es fosforilado, lo que produce la estimulación del dominio catalítico DH, pudiendo así interaccionar con las Rho GTPasas (Garrett et al., 2007). Concretamente, se ha implicado en la regulación de la proteína Rac1 y se ha establecido su papel en migración celular principalmente en células en cultivo, donde se ha mostrado que mutaciones de vav pueden generar una disminución de la activación de Rac1 impidiendo así la migración en células en cultivo (Citterio et al., 2012; Lin et al., 2012). En resumen, los receptores tirosina kinasas juegan un papel fundamental en la migración celular dirigida, ya que su activación por señales externas, activan una cascada de señalización que a través de GEFs y Rho GTPasas controlan la reorganización del citoesqueleto y por tanto la migración celular. Los mecanismos moleculares por los cuales las Rho GTPasas y sus activadores, los GEFs, regulan la migración celular han sido mayormente descritos in vitro o in vivo mediante experimentos en cultivos celulares. Por ello, poco se sabe de su función en situaciones fisiológicas en el contexto de un organismo vivo. En esta tesis utilizaremos como modelo de migración las células del borde del ovario de Drosophila melanogaster para tratar de descifrar in vivo el papel de estas proteínas reguladoras del citoesqueleto de actina durante procesos de migración celular que tienen lugar durante el desarrollo. El sistema reproductivo de la hembra adulta de Drosophila melanogaster está compuesto por dos ovarios situados en el abdomen. Cada ovario tiene aproximadamente entre 16 y 20 ovariolas, conteniendo cada una de ellas una hilera de 14 cámaras huevo en distintos estadios del desarrollo. Las cámaras huevo están formadas por 15 células nutricias y un oocito que proceden de la línea germinal. Rodeando a la cámara huevo se encuentran las células foliculares, las cuales proceden de la línea somática. (...)Universidad Pablo de Olavide. Centro de Estudios de PostgradoCentro Andaluz de Biología del Desarroll

CartoCell, a high-content pipeline for 3D image analysis, unveils cell morphology patterns in epithelia

Decades of research have not yet fully explained the mechanisms of epithelial self-organization and 3D packing. Single-cell analysis of large 3D epithelial libraries is crucial for understanding the assembly and function of whole tissues. Combining 3D epithelial imaging with advanced deep-learning segmentation methods is essential for enabling this high-content analysis. We introduce CartoCell, a deep-learning-based pipeline that uses small datasets to generate accurate labels for hundreds of whole 3D epithelial cysts. Our method detects the realistic morphology of epithelial cells and their contacts in the 3D structure of the tissue. CartoCell enables the quantification of geometric and packing features at the cellular level. Our single-cell cartography approach then maps the distribution of these features on 2D plots and 3D surface maps, revealing cell morphology patterns in epithelial cysts. Additionally, we show that CartoCell can be adapted to other types of epithelial tissues.Ministerio de Ciencia e Innovación PID2019-103900GB-I00, PID2020-120367GB-I00, PID2021-126701OB-I00Junta de Andalucía US-1380953, PY18-631Ministerio de Economía y Competitividad BES-2022-07778