A stem cell zoo uncovers intracellular scaling of developmental tempo across mammals
Cell Stem Cell 20 June 2023
10.1016/j.stem.2023.05.014
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The speed of life: a zoo of cells to study developmental time
Researchers from the Ebisuya Group at EMBL Barcelona have used an unprecedented stem cell zoo to compare six different mammalian species and their developmental time.
In humans, pregnancy lasts around nine months. In mice, only 20 days, and in rhinoceroses, as long as 17 months. Although many mammalian species go through the same stages during embryo development, the speed of development differs substantially across animals. Another example of an event that differs in time across species is the formation of the vertebrate body axis, the spine. The formation of the body segments that will give rise to the vertebrae and ribs, called somites, is controlled by a mechanism called segmentation clock. The segmentation clock is a group of genes that oscillates. Each oscillation controls the formation of a pair of somites. The frequency of the oscillations differs across species, taking two to three times longer in humans compared to mice.
The segmentation clock is a convenient system to study differences in species, and the Ebisuya group has been studying it for a long time, recently revealing that the differences in biochemical reaction speeds are responsible for the differences in the mouse and human clocks. However, in order to establish whether this is a general principle of development, researchers needed to broaden the species that have been studied, which up to now has been relatively limited to human and mouse.
Now, researchers from the Ebisuya Group have recapitulated in the lab the segmentation clock of four novel mammalian species, in addition to mouse and human: marmoset, rabbit, cattle and rhinoceros. This work has been done in collaboration with research groups based in Europe, Japan and the United States.
What is a stem cell zoo?
A stem cell zoo is like a library of stem cells from several species to study and compare different developmental events. The collaboration group collected embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells from marmoset, rabbit, cattle and rhinoceros, which added to the already existing library of human and mouse. This diverse sampling of species is unprecedented for developmental studies, and aims to constitute a platform for comparison of developmental processes.
“We wanted to create a platform of cells from several mammalian species to study why their developmental time is different. We wanted to have as wide a range as possible, so we chose species with body weights spanning from 50 grams to 2 tonnes, gestation lengths from 20 days to 17 months, and three different evolutionary histories or phylogenies: Primates (human and marmoset), Glires (mouse and rabbit) and Ungulates (cattle and rhino).” said Jorge Lázaro, pre-doctoral student at Ebisuya Group and first author of the paper.
The group focused on studying the differences in the segmentation clock of the four new species. They applied experimental protocols to differentiate the embryonic and induced pluripotent stem cells into pre-somitic mesoderm like cells, the cells that will give rise to the spine, ribs and skeleton muscles.
“Our stem cell zoo serves as an ideal platform to investigate the cause of interspecies differences in the segmentation clock period, as well as to determine whether there is any general relationship between segmentation tempo and the characteristics of the organism.” said Miki Ebisuya, Group Leader at EMBL Barcelona and at the Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden.
Correlating the segmentation clock
The gestation length, as well as many other bodily parameters are known to scale with the animal body weight. Larger species tend to have a longer gestation period. The group thus hypothesized that the differences in the segmentation clock could be related to body weight. However, surprisingly they found no correlation between the average body weight of each of the species and its segmentation clock period. Similarly, the gestation length did not correlate with the segmentation clock period.
Instead, the group found that the segmentation clock period was highly correlated with the duration of embryogenesis. Embryogenesis is the time between fertilisation until the end of organogenesis, when all organs are formed in an embryo. This could mean that the segmentation clock can serve as a good system to understand how general embryonic developmental time is established across species.
Furthermore, the group found that the three different evolutionary histories – Primates, Glires and Ungulates –, corresponded with slow, fast and intermediate segmentation clock periods respectively, pointing to a relation between developmental tempo and evolutionary groups.
In previous studies, the Ebisuya group already found that biochemical reaction speeds scale with the segmentation clock period. However, those studies focused on mice and human. The group has now extended the species under study and has confirmed that the four new mammals also show differences in the biochemical reactions speeds, correlating very well with the segmentation clock period. That indicates that changes in the biochemical rates might be a general mechanism to control developmental tempo.
Moreover, they found that genes related to biochemical processes show an expression pattern that correlates with the segmentation clock period, providing a concrete clue for a potential molecular mechanism underlying the differences in developmental speeds across species.
“Our aim is to keep adding species in our stem cell zoo,” said Ebisuya. “If we want to confirm whether the findings of our research could constitute a universal principle of mammalian development, we need to expand the zoo and include a wider range of species and phylogenies.”
In the current study published in Cell Stem Cell, the group focused on the segmentation clock, but the stem cell zoo approach opens the possibility to study other biological times such as the heart rate or the lifespan. The more researchers know about how biological time works, the more they might be able to control it. For example, in the field of organoids, if one could accelerate the time required to develop organoids, it could speed up regenerative medicine studies.
“Another aspect that I really like about the stem cell zoo is the possibility to learn from different species outside of human and mouse,” said Lázaro. “Many animals have particular features that make them interesting to study, but due to practical or ethical reasons we don’t have access to them in the lab. Features like for example the size of a rhino, or the long neck of giraffes. Who knows, perhaps in our next project we can use stem cells to try to understand how giraffes develop their long neck – and longer somites!”
La velocidad de la vida: un zoo de células madre para estudiar el tiempo de desarrollo
Investigadores del grupo de Miki Ebisuya en el EMBL Barcelona han utilizado un zoo de células madre sin precedentes para comparar seis especies diferentes de mamíferos y el tiempo que tardan en desarrollarse.
En los humanos, el embarazo dura unos nueve meses; en los ratones tan solo 20 días, y en los rinocerontes, hasta 17 meses. Aunque muchas especies de mamíferos pasan por las mismas etapas durante el desarrollo embrionario, la velocidad de dicho desarrollo difiere sustancialmente entre unos animales y otros. Un ejemplo de esta diferencia temporal entre especies es la formación de la columna vertebral, el eje corporal de los vertebrados. La formación de los segmentos corporales que da lugar a las vértebras y las costillas, llamados somitas, se controla mediante un mecanismo conocido como el reloj de segmentación: se trata de un grupo de genes cuya expresión oscila, y cada oscilación controla la formación de un par de somitas. La frecuencia de estas oscilaciones difiere entre especies, y es de dos a tres veces más lenta en humanos que en ratones.
El reloj de segmentación es un sistema idóneo para estudiar las diferencias entre especies, y el grupo de Ebisuya lleva años estudiándolo: su investigación ha revelado hace poco que las diferencias en la velocidad de las reacciones bioquímicas son responsables de las diferencias en los relojes del ratón y el ser humano. Sin embargo, para establecer si se trata de un principio general del desarrollo embrionario, los investigadores necesitaban ampliar las especies estudiadas, que hasta ahora se han limitado al ser humano y al ratón.
Por ese motivo, el grupo de Ebisuya ha recapitulado en el laboratorio el reloj de segmentación de cuatro nuevas especies de mamíferos: mono tití, conejo, vaca y rinoceronte, un trabajo en colaboración con grupos de investigación de Europa, Japón y Estados Unidos.
¿Qué es un zoo de células madre?
Un zoo de células madre es como una biblioteca de células madre de varias especies que se puede usar para estudiar y comparar distintos acontecimientos del desarrollo. El grupo de colaboración ha recogido células madre embrionarias y pluripotentes inducidas de tití, conejo, vaca y rinoceronte, que se han sumado a la biblioteca ya existente de humano y ratón. Este muestreo diverso de especies, sin precedentes en los estudios sobre el tema, pretende constituir una plataforma general que permita comparar procesos de desarrollo.
«Queríamos crear una plataforma de células de varias especies de mamíferos para estudiar por qué su tiempo de desarrollo es diferente. Para tener un abanico de diversidad lo más amplio posible, elegimos especies con pesos corporales que iban de 50 gramos a 2 toneladas, duraciones de gestación de 20 días a 17 meses y tres historias evolutivas o filogenias diferentes: Primates (humano y tití), Glires (ratón y conejo) y Ungulados (vaca y rinoceronte)», explica Jorge Lázaro, estudiante de doctorado del grupo Ebisuya y primer autor del trabajo.
El grupo se ha centrado en estudiar las diferencias en el periodo del reloj de segmentación de las cuatro nuevas especies, aplicando protocolos experimentales para diferenciar las células madre en células similares al mesodermo presomítico, las células que luego darán lugar a la columna vertebral, las costillas y los músculos del esqueleto.
«Nuestro zoo de células madre es una plataforma ideal para investigar la causa de las diferencias entre especies en el periodo del reloj de segmentación, así como para determinar si existe alguna relación general entre el tempo de segmentación y las características del organismo», afirma Miki Ebisuya, Investigadora Principal en el EMBL Barcelona y en el Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden.
Correlación del reloj de segmentación
Se sabe que la duración de la gestación, al igual que muchos otros parámetros corporales, depende del peso del animal: las especies más grandes suelen tener un periodo de gestación más largo. Así pues, el grupo planteó la hipótesis de que las diferencias en el reloj de segmentación podrían estar relacionadas con el peso corporal, pero no encontraron ninguna correlación entre el peso medio de cada una de las especies y el periodo de su reloj de segmentación. Del mismo modo, la duración de la gestación no correlaciona con el periodo del reloj de segmentación.
Curiosamente, la investigación reveló que el reloj de segmentación estaba altamente correlacionada con la duración de la etapa de embriogénesis. La embriogénesis es el tiempo que transcurre entre la fecundación y el final de la organogénesis, cuando se forman todos los órganos de un embrión. Esto podría significar que el reloj de segmentación puede servir como un buen sistema para entender cómo se establece el tiempo general de desarrollo embrionario en diferentes especies.
Además, el grupo descubrió que las tres diferentes historias evolutivas —Primates, Glires y Ungulados— se correspondían con periodos del reloj de segmentación lentos, rápidos e intermedios respectivamente, lo que apunta a una relación entre el tempo de desarrollo y los grupos evolutivos.
En estudios anteriores, los investigadores del grupo de Ebisuya ya habían averiguado que las velocidades de las reacciones bioquímicas escalan con el periodo del reloj de segmentación; sin embargo, esos estudios se centraban solo en ratones y humanos. Ahora han ampliado las especies de estudio y confirmado que los cuatro nuevos mamíferos también muestran diferencias en las velocidades de sus reacciones bioquímicas, correlacionándose muy bien con el periodo del reloj de segmentación. Eso indica que los cambios en las cinéticas bioquímicas podrían ser un mecanismo general para controlar la velocidad del desarrollo.
También han descubierto que los genes relacionados con los procesos bioquímicos muestran un patrón de expresión que se correlaciona con el periodo del reloj de segmentación, lo que proporciona una pista concreta sobre un posible mecanismo molecular subyacente a las diferentes velocidades de desarrollo entre especies.
«Nuestro objetivo es seguir añadiendo especies a nuestro zoo de células madre», dice Ebisuya. «Para confirmar que los hallazgos de nuestra investigación podrían constituir un principio universal del desarrollo en los mamíferos, necesitamos ampliar el zoo e incluir una gama más amplia de especies y filogenias.»
En el estudio actual publicado en Cell Stem Cell, el grupo se ha centrado en el reloj de segmentación, pero el enfoque del zoo de células madre abre la posibilidad a estudiar otros tiempos biológicos, como el ritmo cardíaco o la duración de la vida. Cuanto más sepan los investigadores sobre el funcionamiento del tiempo biológico, más capaces serán de controlarlo. Por ejemplo, en el campo de los organoides, si se pudiera acelerar el tiempo necesario para desarrollarlos, se podrían acelerar los estudios de medicina regenerativa.
«Otro aspecto que me fascina del zoo de células madre es la posibilidad de aprender de especies diferentes a la humana y el ratón», comenta Lázaro. «Muchos animales tienen características particulares que los hacen interesantes y únicos, pero por razones prácticas o éticas no podemos estudiarlos en el laboratorio: características como, por ejemplo, el tamaño de un rinoceronte o el largo cuello de las jirafas. Quién sabe, quizá en nuestro próximo proyecto podamos utilizar células madre para tratar de entender cómo desarrollan las jirafas su largo cuello… ¡y sus somitas más largas!».
