¿Entiendes biología?
-junior.
1. Historia y situación actual del desarrollo biológico (1)
Las ciencias naturales se originaron en la antigua Grecia, y la biología no es una excepción. En aquella época, la gente no tomaba en serio los experimentos como método científico, especialmente la biología. Los primeros filósofos griegos se dieron cuenta de que algunos fenómenos fisiológicos, como el movimiento, la nutrición, la sensación, la reproducción, etc., necesitaban explicación y creían que podían resolverse pensando (al igual que hacían con los problemas filosóficos). Esta idea errónea permaneció hasta que la ciencia experimental fue liberada de la filosofía durante el Renacimiento.
Aristóteles hizo la mayor contribución a la biología antes de Darwin. Fue el primero en clasificar los seres vivos, aunque la clasificación formal fue propuesta más tarde por Linneo, fue el primero en darse cuenta de la importancia del método comparativo en biología, que incluso en los tiempos modernos es la base para la realización de la biología. investigación. Más importante aún, propuso filosóficamente que la biología no sólo se contenta con responder al "cómo" (¿cómo logra un organismo su función?), sino que también resuelve el "por qué" (¿por qué los fenómenos de la vida tienen tantos propósitos?). Y este "por qué" es la pregunta más importante que se plantean los biólogos evolutivos modernos.
Durante el Renacimiento, los métodos experimentales entraron en la biología. En ese momento, la anatomía estaba en su apogeo y Visanius inventó nuevas herramientas anatómicas y publicó un libro llamado Human Anatomy. El descubrimiento más importante en biología durante este período provino de Harvey, quien propuso y demostró una teoría de la circulación sanguínea, que se debió en gran medida a las técnicas anatómicas más avanzadas de la época. Además, el famoso anatomista Borelli habló una vez del estudio de los movimientos en su libro "Movimiento animal", como el uso de principios mecánicos para analizar la circulación sanguínea, el vuelo de las aves, etc. Esta fue probablemente la primera unión de la biología y la física.
Así como Galileo utilizó su telescopio para llevar los tentáculos de la física al cielo, fueron Levin Hooke y su microscopio quienes introdujeron la biología en el mundo microscópico. Estos dos ejemplos ilustran el enorme potencial que pueden tener los instrumentos en la investigación científica. Durante este período, Linneo propuso un sistema de clasificación y la historia natural alcanzó un pico sin precedentes, combinándose con la anatomía, la corriente principal de la biología, para promoverse mutuamente. El principal interés de la biología durante este período fue claramente la descripción, comparación y clasificación de organismos biológicos. La acumulación de historia natural y anatomía, especialmente anatomía comparada, sentó las bases de la teoría de la evolución de Darwin.
En 65438-0859, Darwin propuso la teoría de la evolución basándose en sus investigaciones sobre la flora de las Islas Galápagos y América del Sur, así como algunos materiales anatómicos y de historia natural. La teoría de la evolución tiene dos ideas revolucionarias: primero, todos los seres vivos pueden provenir del mismo antepasado; segundo, la evolución ocurre por una razón. Primero ocurre la mutación genética y luego la selección natural de individuos mutados niega fundamentalmente la teoría de la evolución espontánea de Lamarck.
Un avance importante en la ciencia experimental en el siglo XIX fue la teoría celular de Schleiden y Wang Shi, que se benefició de la invención del microscopio. Otro gran avance fue la teoría de la herencia de Mendel. La genética se convirtió rápidamente en una ciencia grandiosa y madura en manos de Batson y Morgan. Cabe mencionar que McClintock descubrió los transposones mediante la genética clásica. A mediados del siglo XIX, se formó una teoría unificada de la evolución, la teoría integral de la evolución, combinando la comprensión de la genética y la evolución de la población. Algunos conceptos importantes de la biología evolutiva, como la especiación, las tendencias evolutivas, etc., pueden explicarse y comprenderse mediante la genética.
Uno de los mayores descubrimientos en biología fue el descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN por parte de Watson y Crick. En ese momento, Avery y otros habían demostrado que el ADN era material genético, por lo que una pregunta importante era: ¿Cómo transporta la molécula de ADN toda la información que controla el proceso de desarrollo? En aquella época apenas se habían establecido los métodos de la biología estructural. Watson y Crick utilizaron información de difracción de rayos X para reconstruir la estructura de doble hélice del ADN y señalaron la posibilidad del apareamiento de bases. Ésta es la combinación perfecta de los extraordinarios conocimientos de los científicos y sus magníficas habilidades experimentales. La estructura de doble hélice del ADN anunció la llegada de la era de la biología molecular.
En las décadas de 1970 y 1980, después de que se estableciera el dogma central y sus mecanismos moleculares intrínsecos, la biología molecular se utilizó en mayor medida como un medio poderoso, como por ejemplo para dilucidar los mecanismos de evolución o desarrollo molecular. Después de que se estableció el dogma central, muchos científicos con visión de futuro buscaron nuevas salidas a la biología. Por ejemplo, Sydney Brené propuso utilizar nematodos para estudiar el desarrollo y los nervios, y Seymour Benzer propuso utilizar moscas de la fruta para estudiar los nervios y el comportamiento.
A lo largo de la historia del desarrollo biológico, todas las teorías y doctrinas tienen sus propios antecedentes, como la anatomía comparada y la historia natural, que sentaron las bases de la teoría de la evolución de Darwin; la prosperidad de la genética presagiaba la doble hélice del ADN; El descubrimiento de la estructura; el establecimiento de la biología molecular hizo posible estudiar la evolución y el desarrollo a nivel molecular. Al igual que la evolución progresiva, el desarrollo biológico también es gradual.
2. Métodos de investigación biológica
Como ciencia experimental, la biología se basa principalmente en la anatomía. La recolección de diversos especímenes y la disección de cuerpos humanos, animales y plantas alguna vez fueron los métodos dominantes de la biología. La teoría de la evolución de Darwin también se basó en una observación cuidadosa. Levine Hooke observó células por primera vez con un microscopio casero, y el establecimiento de la teoría celular demostró más tarde el tremendo poder de los instrumentos precisos en la investigación biológica. En la era de la genética clásica, antes del establecimiento de la biología molecular, era el microscopio el que conectaba los fenómenos macroscópicos (mutantes) con el mundo microscópico (cromosomas). En ese momento, los enormes cromosomas de Drosophila (suficientes para ver bandas claras bajo un microscopio óptico) proporcionaban una gran comodidad para la manipulación y el análisis genético. En términos de neurobiología, el famoso neuroanatomista Cajal utilizó la tinción de Golgi para observar una gran cantidad de muestras de tejido del sistema nervioso, propuso la teoría de las neuronas y señaló muchas propiedades básicas de la transmisión de señales del sistema nervioso con una visión sobrehumana.
La genética y la bioquímica son los dos métodos principales para realizar investigaciones en biología funcional. Sin embargo, en la época de Morgan, la genética clásica se centraba más en explorar los mecanismos de herencia, es decir, cómo se transmite el material genético. La genética, como estudio y análisis a gran escala de las funciones genéticas, comenzó con el primer cribado genético de Nusslein-Forhard de genes que afectan la diferenciación de células somáticas en Drosophila (2), que por primera vez combinó las funciones y funciones de genes ligados al desarrollo. El establecimiento de varios organismos modelo ha facilitado enormemente el uso sistemático de medios genéticos para estudiar las funciones de los genes y sus interacciones. La genética moderna se puede dividir en dos categorías: genética directa y genética inversa (3, 4). El primero se basa en la idea de fenotipo a genotipo, buscando genes que afecten las funciones de los organismos, mientras que el segundo se basa en la idea de genes a fenotipos para ver si los genes de El interés afecta las funciones de los organismos. La genética inversa generalmente verifica los genes homólogos de algunos genes importantes. El cribado de modificaciones y el cribado de clonación desarrollados recientemente; el primero es un medio potente para estudiar las vías de señalización y el segundo se utiliza para múltiples funciones de un gen. La genética moderna básicamente ha sido capaz de expresar o inhibir la expresión de un gen en un pequeño grupo específico de células en un momento concreto.
Los medios bioquímicos son exactamente lo contrario de los medios genéticos. Primero, se establece un sistema de detección funcional y luego la proteína se purifica mediante métodos de cromatografía tradicionales. La ventaja de los métodos bioquímicos sobre los métodos genéticos es que pueden revelar nuevas funciones de muchas proteínas importantes. Sin embargo, en el cribado genético, los mutantes de proteínas importantes suelen morir en la fase embrionaria, por lo que no se pueden detectar los fenotipos adultos. La teoría de Wang Xiaodong sobre el papel del citocromo C en la apoptosis es un buen ejemplo. El análisis genético no logró encontrar el citocromo c, porque el citocromo c es una molécula muy importante en la cadena de transporte de electrones. Primero estableció un sistema de apoptosis celular in vitro y luego intentó agregar algunos ácidos nucleicos y otras moléculas pequeñas para ver si podía acelerar el proceso de apoptosis celular. Como resultado encontró ATP y dATP, dATP es 1000 veces más poderoso que ATP (5). Mediante la purificación bioquímica de proteínas, purificó el citocromo C, Apaf-1 y caspasa-9 respectivamente.
En la investigación biológica moderna, la genética, la bioquímica y las moléculas se penetran entre sí y desempeñan un papel muy importante en el estudio de las funciones de los genes y en la dilucidación de las vías de señalización celular.
Los microscopios jugaron un papel clave en el establecimiento de la teoría celular. Sin embargo, debido a su baja resolución, los biólogos lo han ignorado durante mucho tiempo. La tecnología de imágenes microscópicas está experimentando un resurgimiento.
Hay dos razones por las que la tecnología de imágenes microscópicas ha vuelto a atraer la atención de los biólogos: una es la invención del microscopio de enfoque láser y la otra es la madurez de la tecnología de etiquetado fluorescente; El microscopio de enfoque láser fue inventado por primera vez por Minsky. Supera eficazmente el fenómeno de desenfoque de la imagen causado por los microscopios ópticos comunes debido a la interferencia de la luz del plano adyacente desde el plano de la imagen. Con el avance de la tecnología informática y la mejora adicional de la tecnología de procesamiento de imágenes y imágenes ópticas, la microscopía de enfoque láser realmente ha entrado en la etapa de la investigación biológica. La aplicación de la tecnología de etiquetado fluorescente en biología también ha pasado por un largo proceso. Aunque en 1941 se utilizaron anticuerpos marcados con fluorescencia en la investigación biológica, en general se cree que los anticuerpos sólo se pueden utilizar en investigaciones inmunológicas como las infecciones. No fue hasta más tarde que se descubrió que se podían utilizar métodos similares para preparar anticuerpos contra otras proteínas como la actina o la tubulina. Una vez que esta idea fue generalmente aceptada, la tinción por inmunofluorescencia se aplicó inmediatamente a otras áreas de la biología. Los científicos pueden observar la fina estructura del citoesqueleto y la posición de las proteínas dentro de la célula. Al mismo tiempo, la tecnología de fluorescencia también se utiliza para observar dinámicamente cambios en el Ca2 intracelular. Una vez que se descubre la GFP, los científicos pueden utilizar tecnología de ingeniería genética para introducir proteínas específicas marcadas con GFP en las células para monitorear los cambios dinámicos de las macromoléculas biológicas en tiempo real. El uso que hace Swoboda de la microscopía de fluorescencia de dos fotones para estudiar la plasticidad del sistema nervioso in vivo debería ser realmente una obra maestra en esta área. La mayor ventaja de las imágenes de dos fotones es que la longitud de onda de excitación está en la región rojiza y puede penetrar muestras muy gruesas causando poco daño a la muestra. Es adecuada para la observación in vivo y tiene un pequeño efecto de fotoblanqueo. Utilizaron esta técnica por primera vez para observar una relación directa entre el número de espinas dendríticas recién formadas y la plasticidad durante el desarrollo de la corteza del barril del ratón (6). La monitorización de moléculas individuales intracelulares en imágenes ha recibido una atención cada vez mayor. Con la madurez continua de FRET (transferencia de energía vibratoria) y TIRF (reflexión interna total), es posible observar el movimiento de moléculas individuales en el cuerpo.
En definitiva, se puede decir que el progreso tecnológico es el principal motor del desarrollo de la biología experimental. Pero creo que una de las características de la investigación biológica creativa es que siempre captamos las preguntas más básicas e importantes y utilizamos la tecnología correcta y los especímenes apropiados para responderlas. Hodgkin y Huxley utilizaron inteligentemente la tecnología de fijación de voltaje para explicar la generación de potenciales de acción mediante el uso de iones específicos (K, Na, Cl-) para entrar y salir de los canales iónicos en la membrana axonal. Al final, se les otorgó el Premio Nobel. Y no el tipo que inventó la abrazadera de parche. Rod MacKinnon pasó de electrofisiólogo a biólogo estructural cuando descubrió que sólo la biología estructural podía resolver completamente el problema de los canales de potasio. Wang Xiaodong es también un ejemplo destacado. La clave de su éxito reside en el uso correcto de la tecnología (bioquímica más que genética) para resolver el problema clave (la vía de señalización ascendente de la apoptosis). Ser científico sin ser científico es dominar la tecnología sin convertirse en esclavo de ella. A veces todo el mundo sabe cuáles son los problemas clave y un buen científico debería poder juzgar cuándo se pueden resolver estos problemas. La biología, o ciencia experimental, es en sí misma un arte de resolución de problemas.
3. Me interesan las ciencias del neurodesarrollo.
El objetivo principal de la ciencia del neurodesarrollo es estudiar cómo las células nerviosas se diferencian en neuronas con axones y dendritas, cómo inducir la migración celular y el crecimiento de los axones, y cómo identificar neuronas específicas para formar sinapsis funcionales y cómo conectarse. son podados y refinados durante el desarrollo.
En biología del neurodesarrollo, lo que más me interesa es la polaridad de las neuronas durante el desarrollo (7). La polaridad incluye dos aspectos: uno es la formación de polaridad en la morfogénesis de las células nerviosas: las células nerviosas proyectarán una gran cantidad de neuritas en las primeras etapas de desarrollo, una de las cuales se especializará en un axón en las últimas etapas de desarrollo, y la otra se especializará en un axón en las últimas etapas de desarrollo. otras neuritas se especializarán en dendritas. Los axones y las dendritas desempeñan funciones completamente diferentes en la señalización neuronal, por lo que el establecimiento, fortalecimiento y mantenimiento de la polaridad son particularmente importantes. Podemos plantearnos las siguientes preguntas: ¿Cómo se establece la polaridad inicial de las células nerviosas? ¿Qué moléculas intervienen en este proceso? ¿Cómo afecta la polaridad al crecimiento axonal y dendrítico? ¿Cómo se ubican en las células las proteínas específicas de los axones y de las dendritas? La ramificación de las dendritas es mucho más compleja que la de los axones. ¿Por qué? La morfología de las dendritas varía mucho de una neurona a otra.
¿Cuáles son los mecanismos moleculares que regulan la ramificación dendrítica? ¿Cómo se mantiene la polaridad neuronal en los adultos? Éstas son preguntas muy importantes e interesantes. Otro aspecto es el papel de la polaridad en la migración neuronal y la guía axonal, mediada por dos tipos de moléculas: moléculas de corto y largo alcance. Estos dos tipos de moléculas forman una distribución en gradiente cerca del cono de crecimiento axonal, repeliendo o atrayendo el cono de crecimiento en crecimiento. Por ejemplo, las efrinas se unen a las membranas celulares y forman gradientes en ciertas áreas del sistema nervioso que repelen los axones en crecimiento. Otras moléculas, como la netrina o la semaforina, se secretan en forma difusiva y pueden servir como moléculas atrayentes o repelentes de largo alcance. Estas moléculas de señalización extracelular conducen a la distribución polar de algunas moléculas intracelulares, como CDC42 y PI3K, que afectan aún más la redistribución del citoesqueleto. Por ejemplo, los monómeros de actina y tubulina se polimerizan en un lado del cono de crecimiento y se despolimerizan en el otro, provocando el giro del cono de crecimiento axonal. Una pregunta interesante es ¿cómo un gradiente de concentración tan débil de moléculas de señalización extracelular puede amplificar las señales intracelulares para guiar el cono de crecimiento para que gire correctamente?
Para la formación de polaridad de axones y dendritas en las células nerviosas, un contraste interesante es que los axones corresponden al lado apical de las células epiteliales y las dendritas corresponden al lado basolateral (9(9) de las células epiteliales). Por ejemplo, recientemente se descubrió que mPar3/mPar6/aPKC, que desempeña un papel importante en el establecimiento de la polaridad de las células epiteliales, también desempeña un papel en la formación de la polaridad de las células neuronales (10). En ese momento, Song Hai y otros descubrieron que mPar3/mPar6/aPKC y PI3K activada se concentraban en las puntas de los axones de las células nerviosas en desarrollo. La expresión ectópica de mPar3/mPar6/aPKC o la inhibición de la actividad de PI3K podían inhibir eficazmente el crecimiento y la especificidad de los axones. La proteína sexual tuj1 ya no se expresa. Las moléculas efectoras posteriores a la formación de axones son los microtúbulos y los microfilamentos. Bradke et al. llevaron a cabo un experimento interesante (11): agregaron localmente el fármaco citocromo D específico de microfilamentos a una neurita que estaba a punto de especializarse en una dendrita y descubrieron que era inducida a formar un axón. Por tanto, puede ser que el citocromo D desestabilice los microfilamentos y favorezca la formación de axones. Sin embargo, sigue siendo una cuestión interesante por resolver cómo las moléculas de señalización aguas arriba regulan los cambios dinámicos de los microfilamentos y microtúbulos para establecer la polaridad neuronal en condiciones fisiológicas. La relación entre los microtúbulos y la polaridad neuronal comenzó con la comprensión de la proteína de unión a microtúbulos CRMP-2. Descubrió que cuando aumentaba la expresión de CRMP-2, crecían más axones. Un artículo publicado recientemente señala que la molécula reguladora aguas arriba de CRMP-2 es GSK-3 (12), y el papel de GSK-3 en la migración neuronal (13) se ha demostrado en trabajos anteriores. Se puede observar que algunas moléculas se conservan en el establecimiento y aparición de estas dos polaridades. Podemos comprender esto más profundamente si nos damos cuenta de que los microtúbulos y los microfilamentos desempeñan funciones igualmente importantes en la formación y la guía de los axones. Recientemente se ha demostrado que algunas moléculas extracelulares también pueden influir en la formación de axones. Si las neuronas se cultivan en medios cubiertos con tiras de polilisina y laminina (o NgCAM), las neuritas que están en contacto con laminina o NgCAM tienen menos probabilidades que las que están en contacto con polilisina de especializarse en axones (14).
Después de más de dos décadas de exploración, se ha demostrado que las mismas vías de señalización se utilizan en la guía de los axones y en diferentes migraciones celulares, como la formación de tumores y la tumorigénesis, y la migración celular en la metástasis tumoral (15). En el campo de la migración celular, muchos científicos destacados están realizando una exploración incansable, porque se trata de un problema realmente muy interesante. Siempre que se tenga un poco de imaginación, no es difícil encontrar el punto de ruptura del problema mediante la comparación. Por ejemplo, las quimiocinas han sido moléculas quimiotácticas que median en la migración de leucocitos y transmiten señales a las células a través de receptores acoplados a proteína G (GPCR). Recientemente se descubrió que la orientación axonal también puede estar mediada por GPCR y es repelida por SDF-1, una molécula perteneciente a la familia de las quimiocinas (16). Por ejemplo, se descubrió por primera vez que Slit desempeña un papel único en la guía de los axones y la migración neuronal. Los resultados de la investigación de Wang Biao et al. muestran que Slit2 se expresa en células tumorales, mientras que el receptor Slit se expresa en células epiteliales vasculares.
Las células tumorales liberan Slit2 para atraer células epiteliales vasculares y promover la angiogénesis, por lo que la vía de señalización Slit-Robo también desempeña un papel en la angiogénesis tumoral (17). Dado que las moléculas de señalización extracelular influyen en la orientación axonal y la migración celular, es fácil preguntarse: ¿los factores internos influyen en las respuestas neuronales a los gradientes de concentración de las moléculas de señalización extracelular? Una serie de trabajos pioneros de Poo Muming confirmaron el papel de los segundos mensajeros en la guía de los axones. Descubrieron que la concentración de Ca2 intracelular afecta directamente la respuesta de los conos de crecimiento axonal a las moléculas de señalización extracelular, y bloquear específicamente la entrada de Ca2 al citoplasma y reducir la concentración de Ca2 intracelular puede convertir la atracción original de netrina-1 hacia los axones en repulsión (18). CGMP y cAMP tienen efectos similares. El aumento de la concentración de nucleótidos cíclicos intracelulares puede cambiar el efecto repulsivo de los axones sobre las moléculas de señalización extracelular en un efecto atractivo (19). Investigaciones adicionales encontraron que existe una interferencia entre AMPc, GMPc y Ca2, y que los nucleótidos cíclicos pueden regular la permeabilidad de los canales de Ca2 tipo L, aumentar y disminuir la concentración de Ca2 intracelular y, por lo tanto, regular la atracción o el rechazo de los axones a señales externas (20 ). Estos trabajos proporcionan una comprensión completa del papel de los segundos mensajeros en la guía de los axones y permiten una comprensión profunda de otros fenómenos. Por ejemplo, recientemente se descubrió que Sema 3A tiene un efecto atractivo sobre las dendritas, pero tiene el efecto contrario sobre los axones. La explicación de este fenómeno es que la distribución asimétrica de SGC en axones y dendritas conduce a diferencias en las concentraciones de cGMP en axones y dendritas, lo que hace que los axones respondan de manera diferente a la misma molécula de señalización extracelular (21).
Se puede decir que la biología del desarrollo es un tema central en la biología experimental, y el neurodesarrollo es la parte más mágica del tema central y la fuente de descubrimientos apasionantes. Hay dos razones por las que estoy interesado en el tema de la orientación de los axones y la determinación de la polaridad neuronal en el desarrollo neuronal: primero, el problema de la polaridad celular en sí es un problema que va de la simetría a la asimetría, del desorden al orden. Es muy interesante explorar esto; problema con una estética científica; en segundo lugar, las células de guía de axones también son inteligentes y responden de manera diferente a diferentes entornos externos. Así como los factores externos y los internos determinan el crecimiento de una persona, tanto los factores externos como los internos determinan las células guía de los axones. Por lo tanto, en el proceso de exploración, es particularmente importante e interesante antropomorfizar las neuronas. Hay muchos problemas interesantes e importantes que resolver en la ciencia del neurodesarrollo. Mientras mantengas la curiosidad, no es difícil encontrar un lugar para utilizarla.