Livros didáticos desafiados por novas descobertas sobre como as células se dividem

Em muitos organismos, as células se dividem construindo um anel feito de 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 se aplique amplamente, ele não explica a divisão em espécies com células embrionárias especialmente grandes, incluindo tubarões, ornitorrincos, aves e répteis. Nestes casos, o tamanho da célula 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 conseguem se dividir.

“Com uma gema tão grande na célula embrionária, há uma restrição geométrica. Como uma faixa contrátil, com pontas soltas, permanece estável e gera força suficiente para dividir essas células enormes?” perguntou Alison Kickuth, estudante de doutorado recém-formada do grupo Brugués do Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) e principal autora do estudo. Os experimentos da equipe, relatados em Naturezaforneça uma resposta.

Zebrafish revela um papel estabilizador para microtúbulos

Para investigar, os investigadores recorreram a embriões de peixe-zebra, que se desenvolvem rapidamente e também contêm células grandes e ricas em gema durante as fases iniciais. Usando um laser para cortar com precisão a banda de actina, Alison descobriu que a banda continuava a se mover para dentro mesmo depois de ser cortada. Isso sugeria que ele era 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, dobravam-se e espalhavam-se quando a banda de actina era cortada. Essas fibras pareciam ajudar a estabilizar a banda à medida que ela se apertava. Para testar a sua importância, os investigadores romperam os microtúbulos de duas maneiras. Eles induziram quimicamente a despolimerização (impedindo efetivamente a formação de novos microtúbulos) e interferiram fisicamente neles, inserindo uma pequena gota de óleo como obstáculo. Em ambos os casos, a banda de actina entrou em colapso sem microtúbulos, demonstrando que estas estruturas fornecem suporte mecânico crucial e sinalização durante a formação e contração da banda.

Alterações na rigidez citoplasmática durante o ciclo celular

O citoesqueleto se reorganiza naturalmente à medida que as células progridem no ciclo celular. Este ciclo inclui uma fase mitótica (fase M), quando o DNA é separado, e uma interfase, quando a célula cresce e duplica seu DNA. Após a separação do DNA, grandes estruturas de microtúbulos chamadas ásteres se expandem 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 influenciar a rigidez do citoplasma, os pesquisadores perguntaram se os ásteres poderiam ajudar a ancorar a banda 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 força magnética. Isso permitiu avaliar mudanças na rigidez citoplasmática em diferentes estágios do ciclo celular.

Eles descobriram que o citoplasma fica mais rígido durante a interfase, criando uma estrutura de suporte que estabiliza a banda 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 emergentes. Estas mudanças entre rigidez e fluidez desempenham um papel central ao permitir a divisão.

Uma divisão de acionamentos de catraca mecânica 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 percebeu que ela se torna instável durante a contração durante a fase M, mas não falha completamente. Em vez disso, a sua retração parcial é “resgatada” pelo ritmo acelerado dos primeiros ciclos celulares embrionários.

Quando a célula entra na próxima interfase e os ásteres se reformam, o citoplasma endurece novamente e estabiliza a banda. A banda então continua se movendo para dentro durante a próxima fase fluida. Este padrão de instabilidade temporária seguido por uma estabilização renovada repete-se 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 contrátil totalmente fechado. Em vez de completar a divisão em um único ciclo, a célula consegue isso passo a passo, através de estados físicos alternados do citoplasma.

“O mecanismo de catraca temporal altera fundamentalmente a nossa visão de como funciona a citocinese”, enfatizou Jan Brugués, autor correspondente do estudo. Os investigadores propõem que este mecanismo fornece uma solução eficaz para células embrionárias muito grandes que se dividem rapidamente e não podem confiar no modelo convencional.

“O peixe-zebra é um caso fascinante, pois a divisão citoplasmática em suas células embrionárias é inerentemente instável. Para superar essa instabilidade, suas células se dividem rapidamente, permitindo a entrada da banda ao longo de vários ciclos celulares, alternando entre estabilidade e fluidização até que a divisão seja completada”, destacou Alison sobre essa descoberta.

Este trabalho introduz uma nova estrutura para a compreensão da divisão celular em embriões grandes e ricos em gema e pode ser aplicada a muitas espécies que põem ovos. Também ressalta a importância de mudanças precisamente cronometradas nas propriedades materiais do citoplasma no controle dos processos celulares. Insights como esses podem remodelar a forma como os cientistas estudam o desenvolvimento inicial em diferentes organismos.

Financiamento: Este estudo foi apoiado pela Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fundação Alemã de Pesquisa) no âmbito da Estratégia de Excelência da Alemanha – EXC-2068-390729961- Cluster de Excelência em Física da Vida da TU Dresden. Os pesquisadores também foram apoiados pela bolsa Volkswagen ‘Life’ número 96827.