25 noviembre, 2010

De qué depende el tamaño del núcleo de una célula?

Una de las preguntas más elementales de la biología celular, pero que hasta ahora no ha podido ser resuelta es ¿de qué depende el tamaño de una célula o de los organelos presentes dentro de ella?. ¿Por qué las mitocondrias, los cloroplastos, el núcleo, son de ese tamaño y no más grandes o más pequeños? ¿Qué “fuerza misteriosa” rige sus tamaños? De hecho, la célula debe usar algún tipo de “regla molecular” para regular el tamaño de sus organelos.

Pero, lo que sí se sabe es que los tamaños del núcleo y la célula están relacionados de tal manera que mantienen una proporción volumétrica constante (Vn/Vc=k, Vn y Vc: volumen del núcleo y de la célula, respectivamente); la cual dependerá del tipo de célula. Desviaciones con respecto al valor de esta constante puede estar asociado a ciertas enfermedades. Pero, ¿cómo está regulada esta proporción? Para poder responder esto, muchos científicos trataron de perturbar la Vn/Vc en levaduras, pero no lo consiguieron ya que ni la cantidad de ADN, ni los medios de cultivo especiales, ni el tratamiento con drogas, pudo afectar esta proporción.

En el 2007, Neumann y Nurse usaron unas levaduras de fisión con muchos núcleos (multinucleadas) y observaron que el tamaño de cada uno de sus núcleos era proporcional a la cantidad de citoplasma que había a su alrededor. Entonces, más que el volumen de la célula, era el volumen del citoplasma quien podría regular el tamaño del núcleo. Ahora nace otra pregunta: ¿Cómo puede afectar el citoplasma al tamaño del núcleo?

Fue así que Daniel L. Levy y Rebecca Heald, del Departamento de Biología Celular y Molecular de la UC Berkeley, usando huevos de ranas, nos dan algunas claves para poder responder, al menos, una parte de esta interrogante. Su trabajo fue publicado el mes pasado en la revista Cell.

Lo que hicieron Levy & Heald fue usar células de dos especies relacionadas de ranas: Xenopus laevis y Xenopus tropicalis. Las células de estas ranas difieren en un par de cosas, en el tamaño y el número de cromosomas (ploidía). X. laevis es una rana mucho más grande que su prima X. tropicalis, y además es tetraploide (cuatro juegos de cromosomas, 4n). Como las células de X. laevis son más grandes, también los serán sus núcleos. Además, usaron estas ranas gracias a que tienen una importante característica: su núcleo puede ser ensamblado in vitro sin necesidad de la célula, sólo requiere de cromatina (el ADN enrollado en proteínas) y extracto de citoplasma de los huevecillos.

Así que Levy & Heald hicieron un par de experimentos. Primero extrajeron el citoplasma de los huevos de X. laevis y X. tropicalis y lo pusieron en tubitos diferentes, y luego extrajeron la cromatina de las células de las dos ranas y las pusieron dentro de cada uno de los extractos de citoplasma. Para su sorpresa, los núcleos formados en el citoplasma de X. laevis fueron grandes, sin importar de quien fuera la cromatina y, por el contrario, los núcleos formados en el citoplasma de X. tropicalis fueron siempre pequeños, a pesar de tener la cromatina de X. laevis, que era mucho más grande. [Ver figura a]:

xenopus

Con este experimento demostraron que no era la cantidad de ADN el que regulaba el tamaño del núcleo, sino, el responsable era algún factor presente en el citoplasma. Así que Levy & Heald extrajeron todas las proteínas presentes en cada extracto citoplasmático y encontraron que dos proteínas se expresaban de manera diferente en las dos especies: la importina-α y la NTF2. Ambas proteínas participan en el proceso de importación nuclear (transporte de proteínas, factores de transcripción y otras moléculas hacia el interior del núcleo). En X. laevis, la importina-α se expresaba más y la NTF2 se expresaba menos que en X. tropicalis. Entonces, la importina-α podría estar relacionada directamente con el aumento de tamaño del núcleo, mientras que la NTF2, con su reducción, actuando de manera antagónica.

Para demostrar esto hicieron un segundo experimento. Esta vez usaron el extracto citoplasmático de X. tropicalis al cual le añadieron diferentes concentraciones de importina-α. Los investigadores observaron que al añadir importina-α, el núcleo aumentaba ligeramente su tamaño, pero, no tanto como el de X. laevis. Sin embargo, cuando añadieron importina-α más un inhibidor de la NTF2, el núcleo creció tanto como en X. laevis. [Ver Figura b].

xenopus2En otras palabras, el mecanismo de importación nuclear podría estar relacionado directamente con el tamaño del núcleo, mientras que las importinas-α promueven el transporte de componentes al interior del núcleo, las NTF2 las restringen. Pero, recordemos que este es un estudio in vitro, con muchos parámetros controlados.

Por ejemplo, Levy & Heald también encontraron otro factor que afectaba el tamaño del núcleo. Cuando añadieron al extracto citoplasmático de X. tropicalis una proteína llamada lámina B3, el núcleo también aumentaba su tamaño. Esto puede sugerir que las importinas-α deben su efecto sobre el núcleo al permitir un mejor y mayor transporte de las láminas al interior del núcleo. Las láminas nucleares son las responsables de la matriz nuclear (la armazón del núcleo). Sin embargo, ni las plantas ni las levaduras tienen láminas, así que esto cuestionaría un poco lo encontrado por Levy & Heald.

Para terminar, este estudio sin células ha permitido identificar ciertos factores involucrados en el tamaño del núcleo, faltaría diseñar experimentos para probarlos en tejidos vivos, ya que hay más factores que podrían afectar el tamaño del núcleo tal como las interacciones célula-célula, la presión osmótica del entorno, la presión misma que ejercen las células vecinas que restringen el tamaño de las células, la pared celular en plantas. Una forma de lograr estos estudios in vivo sería con el uso de ARN de interferencia que silencien los genes responsables de la expresión de las importinas, NTF2, láminas, y otras proteínas asociadas a la membrana nuclear.

Referencias:

Levy, DL; Heald, R. 2010. Nuclear Size Is Regulated by Importin α and Ntf2 in Xenopus. Cell. 143(2); 288-298. DOI: 10.1016/j.cell.2010.09.012

Nature. DOI: 10.1038/468513a

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