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Investigan el uso de un gen óseo de los mamíferos para estimular el aprendizaje en humanos

Genes
PIXABAY
Publicado 11/11/2016 7:58:48CET

    MADRID, 11 Nov. (EUROPA PRESS) -

   Un nuevo estudio de neurobiólogos de la Escuela de Medicina de Harvard (HMS), en Estados Unidos, revela que un gen que regula el crecimiento óseo y el metabolismo muscular en mamíferos puede asumir un papel adicional como promotor de la maduración, la cognición y el aprendizaje del cerebro en humanos y no humanos.

   Los investigadores, que describen sus hallazgos en un artículo que se publica este jueves en 'Nature', dicen que su trabajo ofrece una ilustración dramática de la reconversión evolutiva y creativa de genes, mecanismos que contribuyen a la vasta variabilidad entre especies que comparten un conjunto de genes casi idénticos pero que difieren profundamente en su fisiología.

   La investigación revela que la osteocrina --un gen que se encuentra en los músculos esqueléticos de todos los mamíferos y es bien conocido por su papel en el crecimiento óseo y la función muscular-- está completamente desactivada en los cerebros de roedores, pero muy activa en los cerebros de primates no humanos y humanos.

   La osteocrina se encontró predominantemente en las células del neocórtex, la parte más evolucionada del cerebro de los primates y que regula la percepción sensorial, el razonamiento espacial y el pensamiento y el lenguaje de alto nivel en los seres humanos.

   La presencia marcada del gen en un área del cerebro responsable de la función y del pensamiento de alto nivel sugiere un posible papel en el desarrollo de la cognición, un rasgo cardinal que distingue los cerebros de los primates humanos y no humanos de los de otros mamíferos.

   El desarrollo del cerebro en los seres humanos y otros primates se ve profundamente afectado por la experiencia sensorial y las interacciones sociales. Los científicos han buscado durante mucho tiempo desentrañar los genes en el cerebro que son encendidos y apagados por las experiencias con el fin de impulsar el aumento de las funciones cerebrales únicas en estas especies complejas.

   Los hallazgos del equipo de HMS revelan que la osteocrina es precisamente uno de estos genes activados por la estimulación sensorial. Además, según el equipo, ésta es la primera ilustración de un gen evolutivo reutilizado en el cerebro.

   "Hemos descubierto lo que creemos que es una clave crítica en la evolución del cerebro humano, que nos da idea de los mecanismos genéticos que pueden explicar las diferencias en la cognición en ratones y seres humanos", afirma el investigador Michael Greenberg, profesor de Neurobiología y presidente del Departamento de Neurobiología de HMS.

   El equipo analizó los niveles de ARN en las células cerebrales de ratones, ratas y seres humanos. Aunque muchos de los mismos genes fueron activados tanto en el ratón como en las células cerebrales humanas, los científicos observaron que un pequeño subconjunto de genes se activaba únicamente en las células cerebrales humanas.

   Para sorpresa de los científicos, el gen óseo osteocrina fue más altamente expresado en el cerebro humano, pero completamente cerrado en las células cerebrales de los ratones. Dando un paso más allá, los científicos colocaron las células cerebrales de las tres especies en platos de laboratorio y recrearon químicamente condiciones que imitan la estimulación sensorial.

   La estimulación química activó selectivamente la osteocrina en las neuronas excitatorias, llamadas así por su papel en la estimulación en lugar de amortiguar la señalización nerviosa. Pero los investigadores notaron que la actividad del gen fue más intensa en las neuronas del neocórtex, la capa más superior de células que cubren el cerebro y responsable de la cognición de alto nivel, como la memoria a largo plazo, el pensamiento y el lenguaje.

   Al mismo tiempo, la osteocrina estaba notablemente ausente de otras partes del cerebro responsables de funciones no cognitivas como la navegación espacial, el equilibrio, la respiración, la frecuencia cardiaca y el control de la temperatura.

   Cuando los investigadores compararon los niveles de osteocrina con los niveles de otra proteína cerebral, BDNF, conocida por su papel en el crecimiento neuronal y la reparación, notaron otra diferencia notable. Mientras BDNF estaba presente en todo el cerebro, la osteocrina se restringió al neocórtex y, en menor medida, a la amígdala, un área del cerebro que se pensaba que desempeñaba un papel en la formación de la memoria, la toma de decisiones y las respuestas emocionales.

La osteocrina también se expresó marcadamente en las células del lóbulo temporal, que alberga funciones como el aprendizaje, la memoria y el procesamiento audiovisual, y el lóbulo occipital, que sustenta la corteza visual, el área del cerebro responsable del procesamiento de la información visual.

   Un análisis posterior reveló que en el cerebro de primates, la estimulación sensorial parece activar la osteocrina a través de un potenciador de ADN previamente desconocido. Los potenciadores --fragmentos de ADN que actúan como reguladores del genoma-- son las "manijas" que activan algunos genes mientras que apagan otros.

   Al hacerlo, los potenciadores pueden alterar profundamente la expresión genética, alimentando dramáticas diferencias entre organismos con ADN casi idéntico. Los investigadores encontraron que el potenciador de la osteocrina estaba, a su vez, activado por una proteína llamada MEF2. Las mutaciones en MEF2 son una causa clara de discapacidad intelectual y trastornos del neurodesarrollo, por lo que el vínculo entre los dos requiere más estudio, según los investigadores, ya que puede presagiar un papel de la osteocrina en tales anomalías del desarrollo.

   "Los seres humanos comparten muchos genes con roedores y hasta el 90% de su ADN en algunas partes del genoma --dice la co-primera autora Gabriella Boulting, neurobióloga de HMS--. En este caso vemos cómo convertir la expresión del mismo gen en un lugar diferente puede precipitar grandes diferencias en la función de las células cerebrales".

LA OSTEOCRINA MEJORA LA AGILIDAD DE LAS CÉLULAS NERVIOSAS

   Un análisis posterior reveló que la activación de la osteocrina frenó el crecimiento de las dendritas neuronales, proyecciones similares a las ramas responsables de transmitir señales de una célula cerebral a la siguiente. "Restringir el crecimiento dendrítico es un mecanismo que mejora la precisión, esencial para asegurar que los cables neuronales no se cruzan y comprometen la transmisión de señales de una célula a otra", dice el primer coautor del estudio, Bulent Ataman, neurobiólogo de HMS.

   Esta observación, añade Ataman, sugiere que la actividad de la osteocrina puede ayudar a mejorar la agilidad de las células nerviosas y la transmisión de la señal adecuada para asegurar una comunicación robusta a través de las neuronas.

   Para confirmar que la expresión génica inducida por la actividad observada en las células nerviosas en el laboratorio también se produjo en el funcionamiento cerebral intacto, los investigadores bloquearon temporalmente la visión en un ojo de un macaco. Un día más tarde, los investigadores observaron que la expresión de la osteocrina era marcadamente más alta en las células de las partes visualmente intactas del cerebro de macaco, en comparación con las células en las áreas privadas de visión.

   Los hallazgos ilustran un principio fundamental en neurobiología: experiencias visuales anormales pueden interferir en el desarrollo y la función de las células cerebrales en la corteza visual, un fenómeno descrito por primera vez hace más de 50 años por David Hubel y Torsten Wiesel, dos miembros fundadores del Departamento de Neurobiología de HMS que compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1981 por sus descubrimientos sobre el procesamiento de información visual en el cerebro.

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