A divisão celular é fundamental para a vida, mas os cientistas lutam para explicar completamente como funciona nas fases iniciais do desenvolvimento embrionário, especialmente em animais que põem ovos. Pesquisadores do grupo Brugués do Cluster de Excelência em Física da Vida (PoL) da Universidade de Tecnologia TUD Dresden identificaram um mecanismo até então desconhecido que permite que grandes células embrionárias se dividam sem formar o anel contrátil completo, há muito considerado necessário para o processo. Suas descobertas, publicadas em Naturezadesafiar os modelos tradicionais de livros didáticos, mostrando como os componentes do citoesqueleto e as propriedades físicas do interior da célula (ou citoplasma) trabalham juntos através de um mecanismo de “catraca” para impulsionar a divisão.
Em muitos organismos, as células se dividem, criando um anel de proteína actina no meio da célula. Essa estrutura se aperta como um cadarço, comprimindo uma célula sobre suas duas células-filhas. Embora este modelo de bolsa seja amplamente aplicável, ele não explica a divisão de espécies com células embrionárias particularmente grandes, incluindo tubarões, ornitorrincos, aves e répteis. Nestes casos, o enorme 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 grandes podem se dividir.
“Com uma gema tão grande na célula embrionária, existe um limite geométrico. Como a faixa contrátil com extremidades livres permanece estável e gera força suficiente para separar essas células enormes?” perguntou Alison Kikat, recém-graduada em doutorado pelo grupo Advanced Physics of Life (PoL) Brugués e principal autora do estudo. Experimentos da equipe, informados Naturezadê uma resposta.
Zebrafish revela o papel estabilizador dos microtúbulos
Para o estudo, os investigadores recorreram a embriões de peixe-zebra, que se desenvolvem rapidamente e contêm células grandes e ricas em gema nas fases iniciais. Usando um laser para cortar com precisão a fita de actina, Alison descobriu que a fita continuava a se mover para dentro mesmo depois de ser cortada. Isso indica que ele está apoiado ao longo de seu comprimento e não apenas fixado nas extremidades.
A equipe também observou que os microtúbulos, outra parte fundamental do citoesqueleto, dobram-se e espalham-se quando a fita de actina é 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 (interrompendo efetivamente a formação de novos microtúbulos) e interferiram fisicamente neles, inserindo uma pequena gota de óleo como obstáculo. Em ambos os casos, a fita de actina entrou em colapso sem microtúbulos, demonstrando que estas estruturas fornecem importante suporte mecânico e sinalização durante a formação e contração da fita.
A rigidez citoplasmática muda durante o ciclo celular
O citoesqueleto se reorganiza naturalmente à medida que as células progridem no ciclo celular. Este ciclo inclui a fase mitótica (fase M), quando o DNA se separa, e a interfase, quando a célula cresce e duplica seu DNA. Depois que o DNA é separado, grandes estruturas de microtúbulos chamadas ásteres se estendem 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 investigadores perguntaram se os ásteres poderiam ajudar a ancorar a fita de actina, endurecendo o interior da célula. Para medir isso, eles colocaram esferas magnéticas em gaiolas e rastrearam como as esferas se moviam sob a influência da força magnética. Isso permitiu avaliar mudanças na rigidez citoplasmática em diferentes estágios do ciclo celular.
Eles descobriram que o citoplasma se torna mais rígido durante a interfase, criando uma estrutura de suporte que estabiliza a fita de actina. Contudo, durante a fase M, o citoplasma torna-se mais fluido, permitindo que a banda se mova para dentro entre as duas novas células. Estas mudanças entre rigidez e fluidez desempenham um papel central ao permitir a separação.
Uma catraca mecânica move a seção ao longo do tempo
Um quebra-cabeça permaneceu. À medida que o citoplasma se torna mais fluido durante a fase M, como a banda de actina evita o colapso? Ao rastrear as extremidades da tira 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, o seu envolvimento parcial é “resgatado” pelo ritmo acelerado dos primeiros ciclos celulares embrionários.
Quando a célula entra na próxima interfase e os ásteres se reformam, o citoplasma torna-se rígido novamente e estabiliza a banda. A faixa então continua a se mover para dentro durante a próxima fase líquida. Este padrão de instabilidade temporária seguido por uma nova estabilização é repetido ao longo de vários ciclos celulares até que a célula se divida completamente. O processo funciona como uma “catraca mecânica”, avançando gradativamente a fissão sem a necessidade de um anel de redução totalmente fechado. Em vez de completar a divisão em um ciclo, a célula consegue isso passo a passo, através de estados físicos alternados do citoplasma.
“O mecanismo de catraca temporal muda fundamentalmente a nossa visão de como funciona a citocinese”, enfatizou Jan Bruges, autor correspondente do estudo. Os investigadores acreditam que este mecanismo fornece uma solução eficiente para células embrionárias muito grandes que se dividem rapidamente e não podem confiar no modelo convencional.
“O peixe-zebra é um caso fascinante porque a divisão citoplasmática em suas células embrionárias é inerentemente instável. Para superar essa instabilidade, suas células se dividem rapidamente, permitindo a entrada de faixas ao longo de vários ciclos celulares, alternando estabilidade e fluidização até que a divisão esteja completa”, enfatizou Allison sobre esta descoberta.
Este trabalho fornece uma nova estrutura para a compreensão da divisão celular em embriões grandes e ricos em gema e pode ser aplicável a muitas espécies que põem ovos. Também destaca a importância de mudanças precisamente cronometradas nas propriedades materiais do citoplasma no controle dos processos celulares. Tais ideias poderiam mudar a forma como os cientistas estudam o desenvolvimento inicial de vários organismos.
Financiamento: Esta pesquisa foi apoiada pela Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fundação Alemã de Pesquisa) no âmbito da Estratégia de Excelência Alemã – EXC-2068-390729961- Life Physics Cluster of Excellence TU Dresden. Os pesquisadores também foram apoiados pela bolsa Volkswagen ‘Life’ número 96827.
