Usando a expressão gênica induzível por luz, os cientistas conseguiram demonstrar que a formação dos eixos corporais em modelos de embriões humanos requer uma interação entre sinais químicos e forças mecânicas.
Apenas duas semanas após a fertilização, os primeiros sinais de formação dos três eixos corporais (cabeça/cauda, dorso/ventre e direita/esquerda) aparecem. Neste estágio, conhecido como gastrulação, uma camada plana e sem estrutura de células se dobra em um projeto vivo do corpo – uma transformação fugaz em eixos e camadas que determinam o desenvolvimento de cada tecido individual. No entanto, esse momento crucial permaneceu fora do alcance da pesquisa científica por muito tempo, pois ocorre muito cedo e muito profundamente no útero para ser estudado diretamente.
Um novo estudo agora mostra que essa etapa crucial do desenvolvimento humano é controlada por uma interação precisa de sinais químicos e forças físicas. O trabalho, publicado na Cell Stem Cell, apresenta uma ferramenta baseada em luz para gerar embriões sintéticos, permitindo que os pesquisadores ativem proteínas de desenvolvimento importantes que são conhecidas por iniciar a gastrulação. Quando a equipe ativou uma dessas proteínas, a BMP4, usando luz, eles descobriram que os sinais químicos por si só não eram suficientes – a transformação só ocorreu quando as células também foram expostas às condições mecânicas corretas. As descobertas sustentam uma interação fundamental entre a mecânica tecidual e a sinalização molecular, oferecendo um modelo mais realista do desenvolvimento humano inicial e uma base potencial para futuras terapias regenerativas e tratamentos de fertilidade.
A gastrulação começa com a quebra da simetria. Uma camada uniforme de células embrionárias se alinha em eixos tridimensionais de cabeça-cauda – o projeto espacial que determina a posição futura da cabeça, coluna vertebral e membros. Brivanlou e seus colegas têm pesquisado esse estágio crítico de desenvolvimento por décadas, usando modelos animais e estudos de laboratório com células-tronco embrionárias humanas. "A gastrulação ocorre logo após a implantação no útero e, portanto, só pode ser estudada in vitro com a ajuda de células-tronco pluripotentes humanas", explica Riccardo De Santis, diretor do Human Pluripotent Stem Cell Resource Center na Rockefeller University e coautor sênior deste estudo com o físico teórico Laurent Jutras-Dubé. "Nosso objetivo era obter insights sobre uma etapa de desenvolvimento que, de outra forma, não pode ser estudada in vivo."
Trabalhos anteriores mostraram que moléculas de sinalização bioquímica, como BMP4, influenciam o comportamento de células e tecidos, regulando assim o desenvolvimento embrionário. No entanto, estudos em embriões de sapo e de galinha sugeriram que este é apenas um aspecto. Tensões mecânicas, geometria tecidual e várias forças físicas também parecem desempenhar um papel no desenvolvimento de embriões animais. "Agora, finalmente, há muitos dados disponíveis e fica claro que a importância dos sinais mecânicos foi subestimada até agora", diz De Santis.
De Santis desenvolveu uma ferramenta optogenética que sua equipe pode usar para investigar a interação entre sinais bioquímicos e forças mecânicas no contexto do desenvolvimento humano. Ao modificar seletivamente células-tronco embrionárias humanas para que respondam à luz, seu sistema permitiu aos pesquisadores ativar genes de desenvolvimento com precisão excepcional. Quando expostas à luz de um comprimento de onda específico, as células ativaram um interruptor genético que ativou permanentemente BMP4. Este sistema também permitiu aos cientistas determinar exatamente quando e onde o sinal é ativado no agregado celular. Pela primeira vez, eles puderam investigar como a geometria tecidual e a carga mecânica em locais arbitrários do embrião influenciam o desenvolvimento.
A ascensão das forças mecânicas
Quando a equipe usou este sistema baseado em luz para ativar a sinalização de BMP4 em células-tronco humanas, o papel das forças mecânicas tornou-se rapidamente aparente. Em culturas onde BMP4 foi ativado em um ambiente irrestrito e de baixa tensão, a gastrulação completa nunca ocorreu. Embora BMP4 por si só fosse suficiente para gerar tipos de células extraembrionárias, como as células do âmnio, a amostra não conseguiu gerar mesoderma ou endoderma, as camadas germinativas para a formação de órgãos. Isso mostrou que os morfogenos por si só não são suficientes para a gastrulação.
Créditos
Laboratório BrivanlouUniversidade Rockefeller
No entanto, quando a equipe direcionou seu "controle remoto" para as bordas de colônias de células confinadas e para células embutidas em hidrogéis que induzem tensão, as camadas que faltavam para a gastrulação começaram a se formar. Experimentos adicionais revelaram como a tensão mecânica, via YAP1, ajusta as vias de sinalização bioquímica a jusante, mediadas por WNT e Nodal, que sinalizam às células em quais tipos de tecido se desenvolver. Um estudo anterior, liderado pelo pesquisador sênior Francesco Piccolo em colaboração com o falecido Jim Hudspeth, chefe do Laboratório de Neurociência Sensorial da Rockefeller University, demonstrou que as concentrações nucleares da proteína mecanossensora YAP1 desempenham um papel crucial na regulação da auto-organização em microestruturas (Piccolo et al., 2022). O estudo atual revelou que o YAP1 nuclear atua como um freio molecular para a gastrulação, impedindo que essas transformações ocorram cedo demais. Os resultados sugerem que a gastrulação só pode começar quando os sinais moleculares e a tensão mecânica se alinham – as células devem, portanto, estar quimicamente preparadas e fisicamente ativadas.
