Hoy es un día tan bueno como cualquier otro para hablar del oído de las moscas. De las de la especie Drosophila melanogaster, en concreto.
Como sabemos, Drosophila es uno de los organismos modelos más potentes para el estudio de diversos procesos biológicos gracias a la gran variedad de herramientas genéticas que ofrece.
Empezaré explicándoles un poco cómo funciona el oído de la mosca. Voy a hablar de este tema no sólo porque sea emocionantísimo, sino porque además, arrancamos el primer post con un artículo donde veremos cómo una proteína (ATK) está implicada en los procesos de mecanotransducción y trataremos de comprender en qué afecta esto al comportamiento de Drosophila melanogaster.
Detectando un poco de todo.
Como toda historia en ciencias, ésta puede empezar desde muy distintos puntos, ya que al final, todo explica el conjunto. El principio de esta historia en concreto emana de la siguiente pregunta:
¿Cómo es el sistema auditivo en larvas de D. melanogaster?
Pero como todo buen principio en ciencias, hay que empezar con incongruencias. Así que, siento decepcionarles, pero en larva no hay órgano auditivo. En lugar de esto, en larvas encontramos, con una función similar, los órganos cordotonales, de los cuales el más importante es el pentascolopidial (lch5), que se encuentra en todos los segmentos de la larva.
¿Qué significa que se encuentren en todos los segmentos de la larva?
Drosophila, como buen insecto, es un animal segmentado (longitudinamente se pueden reconocer unidades repetitivas, similares entre sí). En realidad, los vertebrados también estamos segmentados, pero eso es otra historia… El caso es que los órganos sensoriales de las larvas de las moscas se disponen con un patrón organizado en cada uno de los hemisegmentos abdominales (ver figura 1). Aquí podemos ver de manera esquemática representados los órganos sensoriales en un hemisegmento de D. melanogaster.
Figura 1. Larva de D.melanogaster con diagrama esquemático de los órganos sensoriales en un hemisegmento (A4).
Como un breve adelanto, los científicos autores del artículo que hoy les presento, han encontrado un gen que ha de expresarse en alguna de las células neuronales de los órganos del sistema nervioso periférico de Drosophila melanogaster que están viendo en esta imagen.
¿Qué son estos órganos?
Esta parte es más técnica, así que para el que lo desee, he abierto un portal desde cojan aire hasta soltar aire. Los portales están en el mismo plano, así que no se preocupen, nadie sufrirá daños.
Aquí viene la parte ardua, cojan aire.
Figura 2. Diagrama de las células sensoriales de un embrión en un hemisegmento. Tipos de estructuras: (a) órganos sensitivos, compuesto de 3-4 células accesorias (óvalos) y una o varias neuronas (forma circular), (b) órganos cordotonales, compuesto por células accesorias (óvalo) y las neuronas (forma triangular alargada), (c) neuronas multidendríticas (forma de rombo).
Los órganos sensoriales en las moscas pueden ser de dos tipos (tipo I y tipo II), según su estructura. Los de tipo I son multicelulares y están formados por grupos de una a cuatro neuronas sensitivas (ver figura 2a-b) y de tres a cuatro células accesorias especializadas. Cada neurona de tipo I tiene una sola dendrita con un cilio modificado en su extremo distal. Los órganos de tipo II consisten en una única neurona no ciliada y multidendrítica, conformando distintas estructuras morfológicas que van desde una simple forma de T a extensas arborizaciones (ver figura 2c).
Según su función, los órganos tipo I pueden ser quimiosensoriales o mecanosensoriales, dependiendo del tipo de estímulo que transduzcan (que «perciban»). Por otro lado los órganos de tipo II no tienen una función bien definida (o bien descrita). Mientras que muchas de las neuronas se han descrito únicamente como receptores de estiramiento (mecanorecepción), en muchas no está clara la modalidad sensorial (propioreceptores, termoreceptores, nociceptores, osmoreceptores….).
A su vez, los órganos sensoriales de tipo I están subdivididos en dos tipos, que podrán leer cuando suelten aire:
Ya pueden soltar aire.
En larva podemos encontrarnos con dos “modelos” de órganos sensoriales de tipo I , 1.- los órganos cordotonales, que son órganos internos y están en contacto con la cutícula y con 2.- los órganos sensoriales externos, en donde las estructuras responsables de detectar el estímulo sobresalen de la cutícula.
Ambos tipos están inervados por una neurona sensorial ciliada que , como comenté antes, está rodeada de células accesorias; éstas proporcionan el ambiente iónico necesario para la transducción. Y este conjunto, de forma muy resumida, es lo que conforma el órgano sensorial (ver figura 3).
Figura 3. Diagrama representativo de un órgano cordotonal.
Así pues, los órganos cordotonales en general son óganos mecanosensores, es decir, pueden detectar variaciones ambientales mecánicas (sonido, presión, etc.).
Y dentro de éstos, el órgano pentascolopidial (lch5) (ver figura 2, señalado con asterisco) es una estructura que posee cinco células especializadas en contacto con la cutícula (como ya hemos dicho, uno en cada lado, derecho e izquierdo, de cada segmento, es decir, uno por hemisegmento). Y éste consiste en un conjunto (cluster) de cinco órganos cordotonales en paralelo, posicionados diagonalmente al músculo, probablemente para sentir los diferentes cambios en los paquetes musculares relativos al movimiento de la larva.
Dame una membrana y un potencial de acción y moveré el mundo
Una vez tenemos la receta del órgano sensorial voy a intentar explicarles cómo funciona. Por suerte todavía no comprendemos todos los detalles de la cascada de señales que se producen, así que los científicos seguimos teniendo trabajo (ja ja, con menudo nivel empiezo), pero algo se conoce.
Básicamente, los cilios son las estructuras donde comienza la transducción de la señal. Éstos están inmersos en una matriz extracelular de soporte (MEC) que conecta el cilio con las células accesorias. Es conocido que la transducción se produce gracias a canales iónicos situados en la membrana de la célula que traducen la señal externa recibida (a aparición de un estímulo, ya sea mecánico o químico) en un potencial de acción (un cambio eléctrico en la membrana, bastante complejo, y que para no enrollarnos les diré que es la manera en que envían la información las neuronas). Este estímulo se transfiere al sistema nervioso central, que proporcionará la respuesta pertinente.
Y así en dos párrafos nos hemos comido un cuatrimestre entero de una asignatura (¡TRONCAL!) de la carrera de biología. Pero no pasa nada, confío en que me sigan.
El «peipeeer», ¡ay va qué chorrazo! Hoy, la ATK
Como bien pueden deducir de lo anteriormente expuesto, si los cilios están inmersos en una MEC y ésta está en contacto con los canales responsables del inicio de la transducción de la señal, variaciones en la MEC afectarán a la mecanotransducción. Así pues, estudios previos, demuestran que las células accesorias de las que hablábamos, al estar en contacto con la MEC, pueden verse involucradas en el desarrollo del cilio (afectando así a la percepción de estímulos mecánicos de la larva).
Llegados a este punto, les diré que los investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, en colaboración con el laboratorio de Martin C. Göpfert, en este artículo, describen cómo una proteína llamada Artichoke (ATK) afecta al desarrollo del cilio sensorial.
Qué papel juega ATK
Cojan aire
Tenemos varios datos importantes que conocer. El primero es que ATK es conocida por ser una proteína típica de adhesión molecular. Por otra parte ATK es una proteína que se encuentra en todos los órganos ciliados embrionarios de Drosophila (de tipo I) y se localiza en la MEC. Siendo secretada (ATK) por una de las células accesorias que acompañan a la neurona sensorial ciliada. Y como último dato, al estudiar el patrón de expresión de ATK en embriones de D. melanogaster vieron que la expresión corresponde con un patrón coherente tanto con una función quimioreceptiva como mecanoreceptiva. Esto quiere decir que ejerce algún papel en ambos tipos de receptores.
Suelten aire
Entonces, lo que los investigadores han observado es que en embriones mutantes para el gen artichoke (atk), el desarrollo del cilio se ve afectado (el gen atk es el pedazito de ADN/DNA que contiene la información para sintetizar la proteína ATK). De modo que si en condiciones normales el cilio se observa estirado, en los embriones mutantes está “arrebujado”.
En qué se traduce esto
Esto produce que el cilio del órgano sensorial (ver figura 3) no contacte correctamente con la cutícula (ver figura 4), lo cual, presumiblemente, debería hacer que la transmisión de la señal se viese afectada.
Figura 4. Órgano lch5 en un individuo normal a la izquierda. A la derecha individuo mutante para atk. Los cilios sensoriales están en paralelo y aupuntando en la misma dirección en el individuo normal. Los cilios en el individuo mutante no están en paralelo y están deslineados.
Cómo lo han estudiado
Para estudiar cómo afecta esta condición de cilios defectuosos en individuos mutantes para atk, los investigadores realizaron una serie de experimentos comportamentales a nivel locomotor y gustativo. Que si pongo una larvita en una placa petri, que si se mueve, que si no, que si le estresa que le toque en el lomo, que si pongo la placa siempre en la misma dirección por si la posición de los astros cambia el comportamiento, etc…
Resultados a nivel locomotor
Para coordinar los movimientos, las larvas de mosca necesitan llevar al sistema nervioso información sobre las contracciones musculares que dirigen sus movimientos. Y para esto, el reporte de los órganos pentascolopidiales sobre el estado celular es muy importante. Así observaron cómo en individuos mutantes para atk, la locomoción de las larvas muestra defectos severos. Por un lado, sus cambios de dirección en un periodo de tiempo eran significativamente mayores que los cambios de dirección que presentan las moscas normales (control). Por otro, la distancia total recorrida era significativamente menor.
Resultados a nivel quimiosensitivo
A nivel gustativo, obtuvieron resultados más difíciles de interpretar. Vieron que ATK está presente en todos los órganos relacionados con la gustación (la gustación, sí, la larvas de Drosophila detectan sabores por la superficie del cuerpo….). Pero detectar los defectos anatómicos es una tarea complicada sobre todo si no hay estudios previos que definan el patrón tipo de los cilios en los órganos sensoriales (¡más trabajo para los científicos!).
No sé si lo sabrán, pero las larvas de mosca normal (wild type) sienten debilidad por la sacarosa (seguro que lo sospechaban). En este artículo, los investigadores observaron que ciertos mutantes para atk, no tenían tanto interés por la sacarosa como las moscas normales. Calma, padres, clama… no, este no es el camino para reconducir a sus pequeños adictos.
Aun así, estos resultados son difícilmente interpretables, puesto que no se pueden excluir efectos originados por la modificación de otros genes resultado de la mutación de atk. ¿Otros genes? Sí claro, la tiranía de la genética con sus redes malvadas de interacción… pero esto, para otro día.
En definitiva, las conclusiones que obtuvieron es que, por una parte, las células accesorias juegan un papel importante en la estructura y por tanto función de los órganos sensoriales. Por otra parte, que los resultados sugieren que la MEC juega un papel esencial en este tipo de órganos sensoriales ciliados. Y por último, al ser ATK una proteína típica de adhesión molecular, ésta muy probablemente esté implicada en la adhesión del cilio a la estructura del órgano (más y más trabajo para científicos….).
Para más información, aquí el enlace al artículo original.
PD: Y todo esto, ¿qué interés tiene?
La sobreciencia
Como saben, este blog explica artículos de científicos españoles que ejercen su profesión fuera de España. En este caso, nuestra autora exiliada es la Doctora Marta Andrés de Miguel, de la que hablaremos más detalladamente en el siguiente post, que se titulará Marta Andrés de Miguel. Bio#1. En él, Marta nos ha concedido una entrevista y nos hablará sobre qué significa para ella su investigación.
Además podremos disfrutar de un post donde Marta nos responderá a una serie de preguntas sobre el artículo. Este post se titulará ATK, las armas de la sordera. Rtdo#1
Preguntas propuestas sobre el artículo:
Si en su artículo no se hace referencia alguna al órgano auditivo de la mosca, ¿por qué me he empeñado desde el principio en mencionarlo?
¿Qué utilidad práctica se le ocurre para esta investigación?
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