Ett internationellt team av forskare har upptäckt en ny cellulär mekanism som förklarar hur celler kan anpassa sig till tryckförändringar under vävnadstillväxt genom att packa sig själva i en unik form.
Forskare vid UC San Diegos Scripps Institution of Oceanography, Stanford Universitys Hopkins Marine Station och Institute of Biomedicine i Sevilla (IBiS) i Spanien ledde forskningen, som är ny för dess användning av sjöstjärnembryon som modellorganismer i detta sammanhang. Deras resultat publicerades i tidskriften Development den 7 maj.
Labbarbetet utfördes vid Scripps Oceanographys Center for Marine Biotechnology and Biomedicine (CMBB) i Lyons Lab, som är inriktat på att utveckla området för evolutionär utvecklingsbiologi med hjälp av marina ryggradslösa djur. Studien är känd för sin användning av marina embryon – särskilt embryot till havsstjärnan Patiria miniata – för att förstå hur celler hanterar förändringar i sin fysiska miljö.
"Vår forskning visar att celler tar upp en ovanlig geometrisk form som svar på tryck. Det belyser hur celler klarar av förändringar i sin fysiska miljö, som sker dynamiskt i varje vävnad", säger huvudförfattaren Vanessa Barone, som ledde arbetet samtidigt som en postdoktor vid Scripps Oceanography.
"Det är också ett fascinerande exempel på hur studier av en marin organism kan leda till allmänt relevant kunskap om grundläggande cellbiologi."
Författarna sa att resultaten kan ha framtida konsekvenser för att förstå hur friska celler kan anpassa sig till trycket som utövas av tumörceller som växer okontrollerat.
Även om cellernas ovanliga geometriska form, en scutoid, hade beskrivits tidigare, troddes den uppstå mest på grund av formen på vävnaden där cellerna är inbäddade. Scutoids har en prismaliknande form, med sex sidor upptill och fem sidor längst ner.
Tidigare arbete har visat att när vävnaden är böjd på ett visst sätt, som i rör eller äggformade former, kommer en del av cellerna att bli scutoider eftersom det är den energimässigt gynnsamma formen att ha i den situationen.
I den nya studien använde forskarna en kombination av levande avbildning av sjöstjärnans embryonutveckling, detaljerad bildanalys och beräkningsmodellering för att visa att celler också blir scutoider under andra, mycket vanligare, omständigheter.
De fann att cellerna blev scutoider efter att celldelningar inträffade i kompakta epitelvävnader. Celler är byggstenarna i djur. Under embryonal utveckling delar sig dessa celler snabbt och ökar i antal.
Epitelceller utmärker sig genom sina starka sammankopplingar och förmåga att täcka ytor i kroppen. Dessa celler bildar lager som skapar en skyddande barriär som skiljer yttre ytor från inre håligheter hos vuxna djur. Dessutom bildar epitelvävnad körtlar och är den dominerande vävnaden i många organ, såsom levern eller njurarna.
När antalet av dessa celler ökar behöver de ofta anpassa sig till begränsat utrymme, vilket leder till vävnadskomprimering. Därför måste epitelceller organisera sig effektivt, samtidigt som de tål trycket från närliggande celler som också prolifererar. Denna studie visar att epitelcellerna sannolikt kunde hysa de nybildade cellerna genom att anta en scutoidform.
"Genom att titta på havsstjärnornas embryon avslöjar vi viktig ny information om cellbiologi, med potentiella kopplingar till människors hälsa", säger Deirdre Lyons, medförfattare och marinbiolog vid Scripps Oceanography.
"Detta är den första studien som faktiskt visar epitelcellernas packning och celldelning när sjöstjärnembryot utvecklas, fångat i livefilmer. Våra fynd har breda konsekvenser för att förstå den cellulära strukturen hos dessa vävnader."
Havsstjärnembryot är idealiskt för att förstå hur celler organiserar sig i ett epitellager medan de förökar sig. Detta beror på att havsstjärneceller genomgår flera omgångar av synkrona celldelningar som leder till bildandet av ett epitellager.
Dessutom utvecklas dessa embryon i havsvatten, de är ganska genomskinliga och de är lätta att avbilda i ett högupplöst mikroskop. Dessa egenskaper gjorde det möjligt för forskarna att följa varje enskild cell över tiden, samtidigt som de tittade på hela epitelvävnaden när den bildas.
"Den korrekta koordinationen mellan celltillväxt och organisation är en mycket komplex process. Genom att använda sjöstjärnembryot som modell har vi kunnat dynamiskt studera dess tidiga utvecklingsstadier", säger Luis María Escudero, medförfattare till studien och forskare vid IBiS.
Forskarna vid Scripps Oceanography fångade levande bilder i labbet som visar dessa cellprocesser på gång. IBiS-teamet använde sedan CartoCell, en ny bildanalysmetod som nyligen publicerats av Escuderos grupp, för att analysera bilderna ytterligare. CartoCell är ett djupinlärningsbaserat mjukvaruverktyg som möjliggör snabb och automatisk bearbetning av tredimensionella bilder, till exempel de från sjöstjärnans embryo-timelapses.
"Vi observerar att omedelbart efter celldelning ökar sannolikheten att en cell antar scutoidformen avsevärt," sa Escudero. "Därför drar vi slutsatsen att ökningen i celltäthet orsakad av proliferation är relaterad till förändringen i form. Denna formförändring uppstår troligen eftersom celler bättre tål kompression när de är scutoider."
Genom att visa hur celler organiserar sig i vävnader som svar på stress kan denna studie öppna dörren för framtida tillämpningar relaterade till cancerforskning.
"Vår studie kan hjälpa till att förstå de förändringar som sker i vävnader som är komprimerade, oavsett om det beror på normala processer eller sjukdomsrelaterade situationer", säger Barone, som nu är biträdande professor vid Stanford University.
Förutom Barone, Escudero och Lyons inkluderade forskargruppen den första författaren Antonio Tagua från IBiS, samt studiemedförfattarna Jesus Á. Andrés-San Román och Juan Garrido-García från IBiS, och Amro Hamdoun från Scripps Oceanography.
Mer information: Vanessa Barone et al, Lokala och globala förändringar i celltäthet inducerar omorganisation av 3D-packning i ett prolifererande epitel, Utveckling (2024). DOI:10.1242/dev.202362
Journalinformation: Utveckling
Tillhandahålls av University of California - San Diego
