Cosa controlla il destino cellulare?

Sia i fattori di trascrizione intracellulari che le vie di segnalazione extracellulare contribuiscono alla differenziazione cellulare. Durante la prima embriogenesi mammifera le cellule della massa cellulare interna (ICM) della blastocisti si differenziano nell’epiblasto o nell’endoderma primitivo (PrE). Inizialmente le singole cellule ICM coesprimono i fattori di trascrizione che influenzano questa differenziazione. Successivamente i pattern di espressione diventano mutualmente esclusivi rispondendo alla segnalazione extracellulare.

Il progetto CELLSTATETRANSITIONS (Capturing transition states associated with lineage decisions in the early mouse embryo), finanziato dall’UE, ha studiato più approfonditamente questi eventi, utilizzando ESC di topo come modello di coltura tissutale. I ricercatori hanno generato linee cellulari che portavano geni inducibili con doxiciclina codificanti fattori di trascrizione GATA marcati a fluorescenza. Queste proteine leganti il DNA controllano i processi di differenziazione nella cellula attivando o reprimendo la trascrizione. Il progetto ha studiato l’interazione tra la regolazione trascrizionale e una via di segnalazione che coinvolge i fattori di crescita dei fibroblasti (FGF) e le proteine chinasi attivate dai mitogeni (MAPK).

CELLSTATETRANSITIONS ha dimostrato come i livelli di fattore GATA nelle singole cellule influenza il destino cellulare rispetto alla differenziazione PrE-like. Gli scienziati hanno utilizzato imaging time-lapse dei fattori GATA marcati a fluorescenza nelle singole cellule, seguito da immunocolorazione per i marcatori del destino cellulare. Hanno scoperto che la differenziazione PrE-like richiedeva un livello soglia di espressione di fattori GATA nelle singole cellule. Gli esperimenti sulla differenziazione ai diversi livelli di segnalazione hanno rivelato che la segnalazione FGF/MAPK determinava la proporzione delle cellule che si differenziavano impostando la soglia di fattori GATA.

Il progetto ha dimostrato che sia i livelli di espressione dei fattori di trascrizione sia la segnalazione controllano la percentuale di cellule che si differenziano lungo il lignaggio PrE. Il team ha suggerito un semplice modello matematico per descrivere gli eventi sottesi alla scelta del destino, e ha convalidato questo modello confrontando le dinamiche di espressione simulate con i processi misurati sperimentalmente. Le tre pubblicazioni scientifiche derivate da questo studio svelano un nuovo principio per la segnalazione nelle decisioni del destino cellulare, che controlla il numero di cellule in un determinato lignaggio. Oltre alle nuove conoscenze scientifiche il progetto ha aperto la strada all’imaging multicolor di cellule vive per chiarire la struttura delle reti di regolazione geniche.