Los científicos tienen más información que nunca sobre cómo se diferencian las células, pero aún se resisten a agruparlas.
El problema de los tipos celulares se le hizo evidente al biólogo genómico Jason Buenrostro en 2013 mientras estaba estudiando una línea celular derivada de una persona con cáncer, tratando de trazar un mapa de cómo se organizaba el ADN en el núcleo. Él pensó que las células deberían haber sido prácticamente idénticas. Sin embargo, cuanto más observaba Buenrostro el ADN, más diferencias encontraba en su empaquetamiento1. “Me di cuenta de que probablemente había cientos de variedades”, recuerda Buenrostro, que en ese momento era estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford en California.
Esta y otras investigaciones lo llevaron a concluir que “cada célula es un copo de nieve especial”. Y esa conclusión complicó significativamente su investigación sobre cómo algunas células cancerosas desarrollan resistencia a los medicamentos. Para Buenrostro, ahora en la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, significaba que “todas estas células con forma de copo de nieve pueden ser realmente importantes”.
A pesar de su individualidad, existen razones pragmáticas para agrupar células similares. “Definir los tipos de células es crucial para comprender nuevos fenómenos biológicos, dilucidar los mecanismos subyacentes e identificar objetivos terapéuticos”, afirma Zhang Zhang, bioinformático del Instituto de Genómica de Pekín de la Academia China de Ciencias.
Los proyectos para construir enormes atlas de células ya están generando torrentes de datos y conocimientos sobre enfermedades. Desde mediados de la década de 2010, los científicos que clasifican las células se han basado en gran medida en la secuenciación de ARN de células individuales, una técnica que identifica los genes que cada célula ha activado, para agrupar a aquellas con perfiles similares. La colaboración multinacional, el Atlas de células humanas, lanzada en 2016, ha analizado más de 90 millones de células de más de 11.000 personas en un esfuerzo continuo por construir 18 atlas diferentes, y ha publicado más de 440 estudios.
Pero detrás de este progreso se esconde una pregunta engañosamente simple: ¿qué es exactamente un tipo de célula?
“Un tipo de célula es un grupo de células que son similares entre sí y distintas de otros grupos de células”, explica el neurocientífico Hongkui Zeng, director del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro en Seattle, Washington. Pero incluso esa definición deja mucho espacio para la interpretación: ¿similares en qué sentido? ¿Distintas en qué sentido?
Pregúntele a una docena de investigadores y obtendrá muchas respuestas diferentes. De hecho, cuando la revista Cell Systems hizo eso en 2017, 15 investigadores ofrecieron sugerencias muy diferentes, señalando la historia del desarrollo, el perfil molecular, la forma o la función como posibles identificadores2 . “Los debates pueden ser bastante acalorados”, dice Buenrostro.
Tal vez se deba a que la pregunta toca el corazón de la concepción científica de la unidad básica de la vida. Algunos investigadores rechazan la idea de que una célula es una simple suma de la expresión genética, como sugieren los atlas basados en la secuenciación del ARN. Otros sostienen que también debe tenerse en cuenta la progresión de una célula a través de varios estados a lo largo del tiempo.
Pero la mayoría está de acuerdo en una cosa, dice Barbara Treutlein, bióloga de sistemas multicelulares del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) en Zúrich: «Hay un consenso general en que es extremadamente complicado».
La tecnología genera taxonomía
Estas luchas sobre definiciones centrales no son exclusivas de la biología celular: los taxonomistas han lidiado con la pregunta «¿qué es una especie?» durante siglos, y los genetistas tuvieron que confrontar la pregunta “¿qué es un gen?” cuando el dogma de que un gen produce una proteína comenzó a desmoronarse hace décadas.
A lo largo de la historia de la biología celular, las listas de partes celulares han aparecido en muchas formas, lo que refleja la tecnología predominante de la época. Alrededor de 1900, la microscopía era la reina, e investigadores como el histólogo español Santiago Ramón y Cajal dibujaron las células y comenzaron a agruparlas por su apariencia. Por ejemplo, ciertas células cerebrales estrelladas comunes se denominaban astrocitos o células con forma de estrella.
Como resultado de la revolución de la biología molecular, que cobró impulso a mediados del siglo XX, los científicos aprendieron a clasificar las células basándose en un conjunto limitado de marcadores moleculares. De este modo, los astrocitos se convirtieron en células que producían proteína ácida fibrilar glial o GFAP, que se visualiza fácilmente tiñendo las células con anticuerpos o marcando el gen GFAP con proteína fluorescente verde.
Luego llegó la secuenciación de ARN de células individuales, un método publicado por primera vez en 2009. Hoy, los cartógrafos celulares podrían definir los astrocitos por la cantidad de ARN que expresan, un enfoque que tiene paralelismos con el uso de la genómica comparativa para comprender la evolución de las especies.
Pero ninguna de esas herramientas dice mucho sobre lo que hacen los astrocitos, que es apoyar a las neuronas y las sinapsis.
No es que tratar de agrupar las células por función sea fácil. Una clase de células que a menudo se ha categorizado de manera funcional son las neuronas, que se clasifican con frecuencia por las sustancias químicas (como la dopamina o la serotonina) que liberan, dice Anne West, neurobióloga de la Universidad Duke en Durham, Carolina del Norte. Pero muchas neuronas producen los mismos neurotransmisores; por ejemplo, a mediados de la década de 2000 los científicos debatieron cuántos tipos de interneuronas producían el neurotransmisor GABA; las estimaciones oscilaban entre cuatro y muchas, muchas más. West espera que el trabajo en curso con células individuales y la expresión de ARN en todo el cerebro ayude a los investigadores a ponerse de acuerdo sobre una cifra.
No obstante, la función celular podría ser, “en principio”, la mejor manera de definir un tipo de célula sostiene Joshua Sanes, neurobiólogo de Harvard, y parte de la función de una célula, agrega Treutlein, es su respuesta a su entorno. En el tejido vivo, las células están constantemente expuestas a señales que podrían influir en ellas, como metabolitos, hormonas o patógenos. “Solo se sabe realmente qué tipo de célula es, cuando también se sabe cómo responde”, dice Treutlein. “Estos estados, en conjunto, te dirán de qué tipo celular es”.
Ella sugiere que una futura fase de los atlas celulares debería incluir cómo las células responden a tales cambios; por ejemplo, cómo las células podrían alterar sus trayectorias de desarrollo en respuesta a tratamientos farmacológicos.
Lamentablemente, las respuestas y funciones celulares no son obvias para muchos tipos de células y pueden ser características transitorias. Determinarlas requiere mucho tiempo y las células a menudo cambian de función cuando se las transfiere de un organismo completo a una placa de laboratorio para un estudio específico.
Esto obliga a los investigadores a adoptar criterios de tipificación celular más prácticos y explica el predominio de los métodos moleculares estandarizados, principalmente la secuenciación de ARN de una sola célula, pero también la técnica desarrollada por Buenrostro y otros para examinar cómo se empaqueta el ADN4, así como los métodos espaciales que vinculan estos marcadores moleculares con el lugar de una célula en los tejidos. Al combinar esos enfoques, “realmente hemos redefinido lo que son los tipos de células”, sostiene Sarah Teichmann, bióloga genómica y biofísica de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y copresidenta del proyecto Human Cell Atlas.
Tengo un mapa, viajaré
Este nuevo enfoque molecular ha producido resultados apasionantes que prometen reescribir gran parte de lo que los biólogos celulares saben sobre el cuerpo. De hecho, aunque los científicos alguna vez calcularon que había alrededor de 200 tipos de células en el cuerpo humano, el año pasado Zeng y sus colegas identificaron más de 5.000 grupos basados en ARN (y, por lo tanto, tipos de células potenciales) solo en la corteza cerebral del ratón5.
Los esfuerzos concentrados también están descubriendo nuevos tipos, incluso en tejidos bien explorados. Por ejemplo, hace unos 10 años, Sanes y sus colegas comenzaron a investigar los tipos de células en la retina del ratón con la secuenciación de ARN de células individuales. En ese momento, los científicos habían estimado que había alrededor de 65; el nuevo análisis6 arrojó al menos 130. Antes de eso, los investigadores probablemente habían pasado por alto tipos más raros o muy similares que los métodos moleculares podían distinguir, sugiere Sanes. Sanes y sus colaboradores ahora están comparando atlas de retina de diferentes especies7.
Los atlas celulares también afectan directamente a las investigaciones médicas. Dos equipos de investigación independientes descubrieron un tipo de célula nuevo y poco común que podría estar involucrado en la fibrosis quística8, 9; otro grupo perfiló y cartografió las células marcapasos del corazón10.
Durante la pandemia de COVID-19, muchos investigadores del atlas recurrieron a las investigaciones sobre el virus SARS-CoV-2, afirma Aviv Regev, biólogo computacional y de sistemas y jefe de investigación y desarrollo temprano en la empresa de biotecnología Genentech en South San Francisco, California, quien es copresidente del Atlas de células humanas. Los estudios identificaron una variedad de tipos de células que eran susceptibles a la infección y mostraron cómo sus respuestas celulares reflejaban o divergían de las de otras enfermedades11.
Regev dice que Genentech ya está utilizando los datos del atlas celular en el desarrollo de fármacos. Por ejemplo, un equipo ha estado probando un fármaco para la enfermedad pulmonar que se une a un receptor que se encuentra en las células del pulmón. Pero al examinar el atlas celular, los investigadores descubrieron el mismo receptor en más células ubicadas en el intestino que son relevantes para la enfermedad inflamatoria intestinal. Esto los llevó a probar el mismo fármaco para esa afección. Sin el recurso, nunca habrían notado la similitud, dice Regev.
Definiciones más profundas
Más allá de la búsqueda de terapias y el deseo de hacer un inventario del cuerpo, la cuestión del tipo de célula plantea un dilema más profundo: ¿cuál es la unidad básica de la vida?
“Diría que, en líneas generales, hay dos bandos”, afirma Itai Yanai, biólogo de sistemas de Langone Health de la Universidad de Nueva York. “Un bando se centra en las células y el otro en los genes”.
Una persona firmemente en el campo centrado en las células es Alfonso Martínez Arias, un biólogo del desarrollo de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados en Barcelona, España. Dice que la secuenciación de ARN de una sola célula crea una visión centrada en los genes que distrae a los científicos de otras cuestiones. “Creo que una célula es mucho más que la suma total de los ARN que contiene”, dice Martínez Arias. Por ejemplo, cuando cultiva células en una placa para modelar el embrión temprano, los perfiles de ARN de los cultivos 2D difieren poco de los de los organoides 3D, dice, a pesar de que las versiones 3D tienen estructuras y organizaciones muy diferentes.
Sin embargo, para científicos como Yanai, los genes son la unidad fundamental de la vida y las células son manifestaciones de esos genes. Por lo tanto, catalogar el tipo de célula por el ARN tiene sentido: “Usted me dice qué genes hay y yo le diré qué tipo de célula”, dice. Por ejemplo, dice, las células productoras de pigmento de la piel, los melanocitos, expresan un “módulo melanocítico” particular de genes.
Otra rúbrica para definir el tipo de célula dice Yanai, es observar el estado físico del genoma en el núcleo: cómo el genoma forma bucles y espirales, dejando algunos genes accesibles y otros secuestrados, y determinando qué genes están disponibles para la transcripción.
Pero incluso esa disposición genómica está controlada por otros genes y proteínas que se encuentran en etapas anteriores. ¿Podrían considerarse esas moléculas reguladoras la verdadera raíz de los tipos celulares? Günter Wagner, biólogo evolutivo de la Universidad de Viena (Austria), así lo cree.
Wagner y sus colegas tienen una teoría12: los tipos celulares están controlados por grandes complejos de factores de transcripción y otras moléculas llamados el “complejo regulador central” o CoRC. Esta gran masa de reguladores actuaría sobre las cadenas de ADN para activar algunos genes y suprimir otros, y por lo tanto determinaría la disposición de la cromatina, el perfil del ARN y el tipo de célula. Los CoRC se han definido para un puñado de tipos celulares, como las células neuronales y sanguíneas, dice Wagner, pero aún no está claro hasta qué punto es generalizable el concepto. Sospecha que los CoRC definirían una lista más corta de tipos de células que los grupos basados en análisis de células individuales.
El CoRC “es algo así como el unicornio que estás buscando para saber qué es un tipo celular”, dice Jeff Doyle, un sistemático vegetal de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York. Ha visto indicios de ellos en algunos atlas de células vegetales.
En cuanto al enfoque actual en la secuenciación del ARN, Teichmann admite que los críticos tienen razón. “Por supuesto, un tipo de célula no es solo el perfil del ARN”, dice. Señala que el Atlas de células humanas espera incorporar diferentes métodos de tipificación celular; el análisis del ARN fue solo el primero en volverse manejable a gran escala. Y dice que ha sido poderoso porque el ARN refleja otros aspectos de la biología de una célula, incluida la disposición de la cromatina y su complemento de proteínas.
Tiempo y estado
Los tipos celulares suelen clasificarse según su identidad actual, pero su pasado y su futuro son igualmente cruciales, afirma Sam Morris, biólogo de células madre de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en San Luis (Misuri). Incluso las células con identidades aparentemente estables podrían tener el potencial de convertirse en tipos diferentes (como una célula inmunitaria que se activa para combatir infecciones) o incluso volverse cancerosas o enfermas en determinadas condiciones.
El pasado de una célula, por supuesto, es de profundo interés para los biólogos del desarrollo, que estudian cómo una célula se divide y se diversifica para producir primero un embrión y luego una criatura entera. Por eso, la representación definitiva de los tipos celulares debería ser una estructura arbórea, con raíces en la primera célula del cuerpo y terminando con tipos maduros en las puntas de las ramas, sostiene Jay Shendure, genetista del desarrollo de la Universidad de Washington en Seattle. Sostiene que una lista de partes en un atlas, “subestima el concepto de tiempo y la noción de continuidad”.
Los investigadores están empezando a crear los datos que sustentarían estos árboles. Por ejemplo, en un estudio realizado este año, Shendure y sus colegas rastrearon los transcriptomas de células individuales en embriones de ratones desde el desarrollo temprano hasta el nacimiento y más allá. Encontraron cambios importantes en el ARN que se expresaba en las células durante la hora posterior al nacimiento, probablemente porque los animales tuvieron que adaptarse a la vida extrauterina13.
Sin embargo, el seguimiento de los tipos celulares por linaje de desarrollo tiene sus propios problemas. Hay casos raros en los que tipos que parecen idénticos pueden surgir a través de diferentes trayectorias. Y aún no está claro cómo categorizar las formas intermedias. “Sigo pensando que existe la cuestión de si la identidad celular es una propiedad continua o discreta”, dice Morris.
También hay que tener en cuenta una propiedad celular más transitoria, denominada estado celular. El tipo de célula puede permanecer constante mientras su estado cambia radicalmente: por ejemplo, de recién nacida a preparándose para la siguiente división celular, o de inactiva a activa. Puede resultar muy difícil distinguir los estados celulares impermanentes de los tipos celulares verdaderos, afirma Zhang.
Aceptar estar en desacuerdo
Si las diferentes tecnologías no clasifican las células de la misma manera, y cada célula es un individuo en el nivel más fino, entonces ¿qué es un tipo de célula?
Si el concepto todavía parece vago, así debe ser, sostiene Allon Klein, biólogo de sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard en Boston, Massachusetts. Afirma que el concepto puede ser “extremadamente útil y estar mal definido” al mismo tiempo.
Esto se debe a que, en última instancia, no existe una verdad fundamental que se pueda encontrar. La naturaleza no ha creado una lista ordenada de piezas como lo haría un ingeniero humano, y cualquier esfuerzo por delinear categorías es, en cierto sentido, artificial. Lo mismo sucede con los esfuerzos de los taxónomos por definir las especies: la pregunta nunca desapareció realmente, dice Klein, pero las respuestas evolucionaron a medida que se fueron obteniendo datos genéticos. Klein cree que algo similar ocurrirá en la biología celular.
Los investigadores ya están ideando formas más matizadas de aceptar y explicar la variación celular. Buenrostro y Regev han llegado a ver a las células menos como miembros de un tipo particular y más como conjuntos de identidades, basados en los módulos o vías que una célula determinada está ejecutando en un momento dado. De modo que una célula podría estar ejecutando, por ejemplo, un programa estable de “fibroblastos” con estados superpuestos de “activación para reparar heridas” y “división celular”.
Los módulos que le interesan a un investigador determinado dependerán de sus intereses y perspectivas. Por eso la metáfora de un “atlas” celular es tan apropiada, dice Regev. Al igual que un atlas geográfico combina características naturales, fronteras políticas y otros conceptos, los atlas celulares también pueden unificar diferentes versiones de la identidad celular, sin importar la perspectiva del usuario o hacia dónde se dirige.
Fuente: Nature
Documento: https://doi.org/10.1038/d41586-024-03073-2
