¿Qué es realmente un tipo de célula?

   (Por Amber Dance*) - El problema del tipo de célula se hizo evidente para el biólogo genómico Jason Buenrostro en 2013. Estaba estudiando una línea celular derivada de alguien con cáncer, tratando de trazar un mapa de cómo se organizaba el ADN en el núcleo. Las células deberían haber sido prácticamente idénticas, pensó. Pero cuanto más observaba Buenrostro el ADN, más diferencias encontraba en cómo estaba empaquetado. "Me di cuenta de que probablemente había cientos de tipos", 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 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", dice Zhang Zhang, bioinformático del Instituto de Genómica de Beijing en la Academia China de Ciencias.

   Los proyectos para construir enormes atlas de células ya están produciendo torrentes de datos y conocimientos sobre las 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 una sola célula, una técnica que identifica los genes que cada célula ha activado, para agrupar a las que tienen perfiles similares. El Atlas de células humanas, una colaboración multinacional 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.

   Los "atlas" celulares ofrecen una visión sin precedentes de la placenta, los intestinos y los riñones. 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", ofrece 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? ¿Distintas en qué sentido?

   Preguntemos a una decena de investigadores y obtendremos tantas respuestas diferentes. De hecho, cuando la revista Cell Systems lo hizo en 2017, 15 investigadores ofrecieron sugerencias muy diferentes, señalando la historia del desarrollo, el perfil molecular, la forma o la función como posibles identificadores. "Los debates pueden ser bastante acalorados", dice Buenrostro.

   Tal vez se deba a que la pregunta toca el corazón de cómo los científicos conciben la unidad básica de la vida. Algunos investigadores rechazan la idea de que una célula es una simple suma de la expresión genética, como implican los atlas basados ​​en la secuenciación del ARN. Otros sostienen que también debe considerarse la progresión de una célula a través de varios estados a lo largo del tiempo.

   Pero la mayoría puede estar de acuerdo en una cosa, dice Barbara Treutlein, bióloga de sistemas multicelulares del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) en Zurich. "Hay un consenso general de que es extremadamente complicado".

La tecnología engendra taxonomía

   Estas luchas sobre definiciones centrales no son exclusivas de la biología celular: los taxonomistas han luchado con "¿qué es una especie?" durante siglos, y los genetistas tuvieron que enfrentarse a "¿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 células y comenzaron a agruparlas por apariencia. Por ejemplo, ciertas células cerebrales estrelladas comunes se denominaron astrocitos o células similares a estrellas.

   Como resultado de la revolución de la biología molecular, que cobró impulso a mediados del siglo XX, los científicos aprendieron a clasificar las células sobre la base de un conjunto limitado de marcadores moleculares. De modo que 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 una sola célula, un método publicado por primera vez en 2009. Hoy, los cartógrafos celulares pueden definir los astrocitos por la cantidad de ARN que expresan, un enfoque que tiene paralelos con el uso de la genómica comparativa para comprender la evolución de las especies.

   Pero ninguna de esas herramientas dice mucho sobre lo que los astrocitos Las neuronas son las encargadas de mantener las neuronas y las sinapsis. Una micrografía fluorescente de una sección del cerebelo del cerebro que muestra las células de Purkinje.

   No es que tratar de agrupar las células por función sea fácil. Una clase de célula 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 de Duke en Durham, Carolina del Norte. Pero muchas neuronas producen los mismos neurotransmisores; por ejemplo, los científicos a mediados de la década de 2000 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 al campo a ponerse de acuerdo sobre un número.

   Sin embargo, la función celular podría ser, "en principio", la mejor manera de definir un tipo de célula, dice 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 una vez que también se sabe cómo responde", dice Treutlein. "Estos estados, en conjunto, te dirán qué es".

   Ella sugiere que una fase futura de los atlas celulares debería incluir cómo responden las células a tales cambios; por ejemplo, cómo las células podrían alterar sus trayectorias de desarrollo en respuesta a tratamientos farmacológicos.

   Desafortunadamente, las respuestas y funciones celulares no son obvias para muchos tipos de células, y podrían ser características transitorias. Resolverlas requiere mucho tiempo, y las células a menudo cambian de función cuando se transfieren 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", dice Sarah Teichmann, bióloga genómica y biofísica de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y copresidenta del proyecto Atlas de células humanas.

Tener un mapa, viajar

   Este nuevo enfoque molecular ha producido resultados emocionantes que prometen reescribir gran parte de lo que los biólogos celulares saben sobre el cuerpo. De hecho, aunque los científicos alguna vez estimaron 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 del cerebro del ratón.

   Los esfuerzos concentrados también están descubriendo nuevos tipos, incluso en tejidos bien explorados. Por ejemplo, hace unos diez años, Sanes y sus colegas comenzaron a investigar los tipos de células de la retina de ratones mediante la secuenciación de ARN de células individuales. En aquel momento, los científicos habían estimado que había unas 65; el nuevo análisis 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 están comparando ahora atlas de retina de diferentes especies.

   Los atlas celulares también afectan directamente a las investigaciones médicas. Dos equipos de investigación independientes descubrieron un tipo de célula nuevo y raro, que posiblemente esté involucrado en la fibrosis quística; otro grupo perfiló y cartografió las células marcapasos en el corazón.

   Durante la pandemia de COVID-19, muchos investigadores del atlas recurrieron a las investigaciones del virus SARS-CoV-2, dice 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, que preside el 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 enfermedades.

   Regev dice que Genentech ya está utilizando datos del atlas de células 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 de células, 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 celular plantea un dilema más profundo: ¿cuál es la unidad básica de la vida?

    "Yo diría que, en términos generales, hay dos bandos", dice Itai Yanai, biólogo de sistemas de New York Langone Health. "Un bando se centra en las células y el otro en los genes".

   Alfonso Martínez Arias, biólogo del desarrollo de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados de Barcelona, ​​España, es uno de los que se sitúa firmemente en el bando de los que se centran en las células. Arias afirma 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", afirma Martínez Arias. Por ejemplo, cuando cultiva células en una placa para modelar el embrión en sus primeras etapas, los perfiles de ARN de los cultivos 2D difieren poco de los de los organoides 3D, afirma, aunque 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 ARN tiene sentido: "Usted me dice qué genes hay y yo le diré qué tipo de célula", afirma. 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 regulando qué genes están disponibles para la transcripción.

   Pero incluso esa disposición genómica está controlada por otros genes y proteínas anteriores. ¿Podrían considerarse esas moléculas reguladoras la verdadera raíz de los tipos de células? Günter Wagner, un biólogo evolutivo de la Universidad de Viena, Austria, cree que sí.

   Wagner y sus colegas tienen una teoría: los tipos de células están controlados por grandes complejos de factores de transcripción y otras moléculas llamadas el "complejo regulador central" o CoRC. Esta gran bola de reguladores colaboradores arrancaría las cadenas de ADN para activar algunos genes y suprimir otros, y por lo tanto determinar la disposición de la cromatina, el perfil del ARN y el tipo de célula. Los CoRC se han definido para un puñado de tipos de células, 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 de célula", 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 sólo el primero que se volvió manejable a gran escala. Y dice que ha sido poderoso porque el ARN refleja otros aspectos de la biología de una célula, incluyendo la disposición de la cromatina y su complemento de proteínas.

Tiempo y estado

   Los tipos de células a menudo se esbozan de acuerdo con la identidad actual de una célula. Pero el pasado y el futuro de una célula son igualmente cruciales, dice Sam Morris, un biólogo de células madre en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri. Incluso las células con identidades aparentemente estables podrían tener el potencial de convertirse en diferentes tipos -como una célula inmune que se activa para combatir infecciones- o incluso volverse cancerosas o enfermas en algunas 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 de células debería ser una estructura arbórea, con raíces en la primera célula del cuerpo y terminando con los tipos maduros en las puntas de las ramas, sostiene Jay Shendure, genetista del desarrollo de la Universidad de Washington en Seattle. Una lista de partes en un atlas, dice, "subestima el concepto de tiempo y la noción de continuidad".

Atlas de células humanas: de la visión a la realidad

   Los investigadores están empezando a crear los datos que sustentarían esos 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 fuera del útero.

   Sin embargo, rastrear los tipos de células 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 existe una propiedad celular más transitoria, llamada identidad 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 activada. Puede ser muy difícil distinguir los estados celulares impermanentes de los tipos celulares verdaderos, dice Zhang.

De acuerdo 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 celular? Si el concepto todavía parece vago, así debe ser, argumenta Allon Klein, un biólogo de sistemas de la Escuela de Medicina de Harvard en Boston, Massachusetts. Dice que el concepto puede ser "extremadamente útil y mal definido" al mismo tiempo.

   Esto se debe a que, en última instancia, no hay una verdad básica simple que encontrar. La naturaleza no ha creado una lista ordenada de partes como lo haría un ingeniero humano, y cualquier esfuerzo por delinear categorías es artificial. Lo mismo ocurre con los esfuerzos de los taxónomos por definir las especies: la cuestión nunca desapareció realmente, dice Klein, pero las respuestas evolucionaron a medida que se fueron acumulando 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 las células menos como miembros de un tipo particular, y más como conjuntos de identidades, basadas en los módulos o vías que una célula determinada está ejecutando en un momento dado. Así, 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 importan a un investigador determinado dependerán de sus intereses y perspectiva. Por eso la metáfora de un "atlas" celular es tan adecuada, 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.

*Publicado en Nature.com