Un mapa de expresión génica del cerebro para comprender su funcionamiento

Amparo Tolosa, Genotipia

El cerebro humano tiene cientos de millones de células. A través de otros tantos millones de conexiones, las células nerviosas forman circuitos organizados con la función de recibir, procesar y transmitir información vital para el organismo. Pero no todas las células nerviosas son iguales, ni todas la realizan la misma función.  Existen diferentes tipos con funciones diferenciadas, muchas de ellas conservadas con otras especies, y algunas específicas de humanos. Conocerlas todas representa un reto para la Ciencia, y un paso esencial para entender cómo funciona el cerebro.

 

Un equipo de investigadores del Instituto Allen  ha iniciado la misión de analizar el cerebro en sus componentes funcionales más pequeños, las células nerviosas, y ha elaborado un mapa de alta resolución de una región del cerebro, en  el que ha comparado los tipos de células nerviosas  de ratón y humanos.

 

expresión génica cerebro
La investigadora Rebecca Hodge examina una sección de cerebro humano, ejemplo de las muestras utilizadas en el estudio. Imagen: Instituto Allen.

 

La identidad de una célula, su morfología, su función… son definidos en última instancia por los genes que ha expresado o expresa, lo que puede ser evaluado analizando los niveles de ARN. Los investigadores analizaron el ARN de las células individuales localizadas en una región del córtex humano y agruparon las células por similitud según los conjuntos de genes que están activos, bajo la idea de que los diferentes tipos de células mantendrán diferentes perfiles de expresión. El equipo confiaba en que  clasificar las células en función de los genes que expresan y agruparlas por similitud permitiría entender la maquinaria molecular que actúa en cada célula y facilitar la búsqueda de tratamientos para las enfermedades que afectan al cerebro.

Una vez clasificadas las células cerebrales humanas  según sus patrones de expresión, el siguiente paso de los investigadores fue comparar los resultados obtenidos a aquellos correspondientes al córtex de ratón.

Humanos y ratones tienen muchas características en común, lo que durante mucho tiempo ha avalado la utilización de ratón como un modelo de estudio de la especie humana. Por ejemplo, ambas especies comparten (en esencia)  el mismo conjunto de genes o instrucciones hereditarias, con algunos de estos genes prácticamente idénticos (la identidad varía entre el 60 y el 99%). Esta situación ha llevado a que se hayan generado modelos en ratón para múltiples características o enfermedades humanas.

En el caso de los trastornos psiquiátricos, existe un abanico de modelos neurológicos y de comportamiento en ratones que reproducen hasta cierto punto, algunos de los síntomas observados en pacientes. Sin embargo, al trasladar los resultados de estos modelos a humanos, en la mayoría de los casos, fármacos o tratamientos que eran prometedores no han tenido el éxito esperado.

 

Proporción de clases de neuronas inhibitorias en el cortex humano y de ratón. Los puntos coloreados indican diferentes tipos de neuronas inhibitorias del cerebro según la combinación de genes que expresan. Imagen: Instituto Allen.

 

Al comparar los diferentes tipos celulares de la corteza cerebral en ratón y humano los investigadores detectaron que la estructura general se ha conservado en los 75 millones de años que separan a ambas especies de su ancestro común. No obstante, también encontraron que muchos de los tipos celulares han cambiado drásticamente.

“Hay grandes similitudes y diferencias entre nuestro cerebro y el del ratón”, señala Christof Koch, director científico y Presidente del Instituto Allen así como uno de los autores del trabajo. “Una de ellas nos dice que hay una gran continuidad evolutiva y la otra nos dice que somos únicos. Si quieres curar las enfermedades humanas cerebrales tienes que entender la naturaleza única del cerebro humano”.

Los investigadores destacan el caso de los receptores de la serotonina. Tanto ratón como humanos utilizan serotonina, molécula neurotransmisora que interviene en procesos como el estado de ánimo, el sueño o la cognición. Lo sorprendente ha sido encontrar que los receptores de esta molécula se expresan en diferentes tipos de células nerviosas en ambas especies. En este sentido el equipo plantea que utilizar modelos en ratón para investigar procesos o características humanos en los que intervienen la serotonina puede no ser lo más acertado.

Los resultados del trabajo, no solo mejoran el conocimiento disponible sobre cómo funciona el cerebro, sino que también proporcionan explicación a por qué algunos fármacos usados para el tratamiento de trastornos psiquiátricos que han sido desarrollados en ratón no funcionan en humanos.

“La lista de componentes del cerebro humano es clave. Esa lista nos permite entender qué es diferente entre ratones y seres humanos y qué es similar. El impacto último de este entendimiento serán nuevos tratamientos para las enfermedades mentales”, señala Joshua Gordon, director del Instituto Nacional de Salud Mental de EE.UU. “El objetivo eventual será desarrollar las listas completa de las partes del cerebro. Es un objetivo ambicioso pero este artículo nos muestra que es una empresa factible”.

Investigación original: Hodge RD, et al. Conserved cell types with divergent features in human versus mouse cortex. Nature. 2019. Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1506-7

Fuente: Highest-Resolution Human Brain ‘Parts List’ To Date Lays Road Map to Better Treatments for Neurological and Psychiatric Disorders. https://alleninstitute.org/what-we-do/brain-science/news-press/press-releases/highest-resolution-human-brain-parts-list-date-lays-road-map-better-treatments-neurological-and-psyc

 

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