Lo que dice el estudio de gusanos, moscas y peces sobre el autismo

Fotografía de Natalie Nelson

POR SARAH DEWEERDT

Fuente: Spectrum | 08/09/2021

Fotografía: Autism Spectrum

El extraño comportamiento sugiere que una mutación que tienen los gusanos -en un gen del autismo superior llamado PTEN- es perjudicial.

En una sala sin ventanas, cerca del extremo occidental de Vancouver (Canadá), un equipo de investigadores dirige los microscopios hacia platos de diminutos gusanos del tamaño de una coma en letra de 12 puntos. Algunos de los gusanos se retuercen sobre una plataforma pegajosa y gelatinosa de nutrientes que es más salada en algunos lugares que en otros. Otros soportan vibraciones cuando una máquina golpea periódicamente los lados de sus platos.

Los gusanos redondos típicos de esta especie, conocida científicamente como Caenorhabditis elegans, se mueven hacia la sal -señal de alimento- y se arrastran hacia atrás cuando perciben las reverberaciones. Pero estos gusanos redondos se arrastran lejos de la sal y a menudo parecen ignorar los golpes en sus platos. El extraño comportamiento sugiere que una mutación que tienen los gusanos -en un gen del autismo superior llamado PTEN- es perjudicial. "Al principio puede parecer un poco gracioso estudiar, por ejemplo, los golpes en un plato con gusanos", dice Troy McDiarmid, antiguo estudiante de posgrado en el laboratorio de Catharine Rankin, neurocientífica del comportamiento de la Universidad de la Columbia Británica en Canadá. "Pero eso acaba siendo una lectura realmente buena" del papel que desempeñan los genes vinculados al autismo en el aprendizaje y el comportamiento.

La mayor parte de la investigación animal sobre el autismo se realiza con ratones. Al ser mamíferos, los ratones están relativamente emparentados con las personas, pero aún se debate si los comportamientos de los modelos de ratón con autismo reflejan con exactitud los de las personas autistas. Sin embargo, en los últimos 20 años, algunos investigadores del autismo han recurrido a animales aún más sencillos, como gusanos redondos, moscas de la fruta y peces cebra, para sus investigaciones. En el año 2000, sólo se publicó un estudio sobre el autismo estudio utilizó peces cebra o gusanos redondos, y cuatro se centraron en moscas de la fruta. En 2020, estas cifras se elevaron a 29 estudios sobre el pez cebra, 30 sobre la mosca de la fruta y 8 sobre los gusanos redondos.

Entonces, ¿cómo es posible que un pez o una mosca, por no hablar de un gusano redondo, sea la fuente de conocimientos sobre una enfermedad que implica el lenguaje y habilidades cognitivas complejas? Los investigadores del autismo que trabajan con estos animales tienen cuidado de no exagerar sus posibilidades. Sus sistemas nerviosos son pequeños y carecen de estructuras cerebrales complejas, y sus genes se regulan de forma diferente a los de los mamíferos. Sin embargo, los mecanismos básicos por los que funcionan las células tienen una notable continuidad entre los animales, al igual que la estructura y la función de muchos genes. Los animales aparentemente sencillos también pueden mostrar comportamientos complejos: Las moscas tienen redes sociales; los peces nadan en sincronía con otros de su especie; los gusanos captan las señales químicas de otros gusanos para ayudarles a encontrar comida.

El mayor valor de estos organismos modelo es práctico: son relativamente baratos y fáciles de mantener, con tiempos de generación cortos, y fáciles de manipular genéticamente. Así, los investigadores pueden utilizarlos para probar rápidamente fármacos o para obtener una lectura rápida de los efectos de las mutaciones, así como para trabajos de exploración que serían demasiado costosos y largos en ratones. "Se pueden hacer muchas cosas maravillosas en C. elegans", afirma Rankin.

Estos animales han ayudado a relacionar nuevos genes con el autismo, a distinguir las mutaciones dañinas de las benignas, a mostrar cómo interactúan múltiples genes relacionados con el autismo y a descubrir circuitos neuronales implicados en la función sensorial y social. "Trabajar con criaturas sencillas es una parte esencial de la cadena de información", dice James Rand, biólogo molecular jubilado que trabajó en la Fundación de Investigación Médica de Oklahoma, en la ciudad de Oklahoma.

Un gusano propio

Rand empezó a utilizar lombrices para estudiar el desarrollo del sistema nervioso en los años 70. A mediados de la década de 2000, cuando se publicaron algunos de los primeros estudios sobre la genética del autismo, se acordó de algo que su mujer le había planteado años antes, en la época en que sus dos hijos fueron diagnosticados de autismo. "¿Por qué no haces algo útil: estudiar el autismo y demás?", le había desafiado ella. Rand había dicho que lo haría, en cuanto viera una oportunidad.

Ahora esa oportunidad había llegado. Los estudios implicaban a una familia de genes de proteínas llamadas neuroliginas, o NLGN, en el autismo. Las personas tienen cuatro genes NLGN, pero los gusanos redondos sólo tienen uno.

Rand obtuvo una cepa de gusanos que tenía una mutación en ese gen. A continuación, aplicó lo que denomina un "paradigma estándar de C. elegans" para investigar sus efectos, documentando la expresión génica, la supervivencia y el comportamiento de los gusanos mutantes en respuesta a diversos retos.

Los gusanos con mutaciones en NLGN presentan anomalías en el procesamiento sensorial, según informaron Rand y su equipo en 2010: No se alejan de una sustancia química que repele a los gusanos de tipo salvaje. También sucumben más fácilmente a los metales tóxicos y a las sustancias químicas de su entorno. Los revisores se mostraron escépticos de que el estudio de los gusanos pudiera decir algo útil sobre el autismo. "Conseguir que se aceptara ese artículo fue una gran lucha", recuerda Rand. Pero los resultados mostraron cómo los gusanos redondos podrían utilizarse para investigar el impacto de las mutaciones en los genes relacionados con el autismo.

Y a medida que el goteo de datos genéticos sobre el autismo se convirtió en un río en los años siguientes, aumentó la necesidad de obtener una lectura rápida de la función de los genes. "Hemos llegado muy lejos en la identificación de genes fuertemente asociados al autismo", dice Ellen Hoffman, genetista psiquiátrica de la Universidad de Yale que trabaja con el pez cebra. "Pero realmente hay una gran brecha entre poder identificar estos genes y entender cómo la interrupción de estos genes realmente conduce a la presentación clínica del autismo". Los gusanos redondos, las moscas y el pez cebra pueden salvar esa brecha.

La tecnología también ha desempeñado un papel fundamental. La llegada del sistema de edición de genes CRISPR-Cas9 "permitió modelar con mucha más precisión la variación genética", dice McDiarmid, que ahora es investigador postdoctoral en el laboratorio de Jay Shendure en la Universidad de Washington en Seattle. Ahora los investigadores pueden recrear en un modelo animal, y por tanto estudiar, las mutaciones exactas que se observan en las personas con autismo. Aproximadamente la mitad de los genes humanos y entre el 70% y el 80% de los genes implicados en el autismo tienen una versión equivalente, u homóloga, en los gusanos redondos. El equipo de Rankin ha utilizado la herramienta para diseñar versiones específicas de PTEN y otros genes humanos en gusanos. (El PTEN es tan similar al gen DAF18 de los gusanos que el gen humano puede sustituir al de los gusanos sin perjudicar al animal). En un estudio publicado el año pasado, los investigadores utilizaron los gusanos para analizar los efectos de 19 variantes de PTEN encontradas en personas autistas.

Y en lugar de documentar manualmente el comportamiento de un gusano cada vez, el equipo de Rankin utiliza cámaras para grabar el comportamiento de grandes grupos de gusanos y un programa informático para analizar las imágenes resultantes. El software denominado Multi-Worm Tracker les permite seguir simultáneamente de 40 a 100 gusanos de una cepa determinada, capturando datos sobre más de dos docenas de parámetros, como la forma, la velocidad y la dirección de arrastre de un gusano. El programa informático aceleró enormemente la investigación, ya que arrojó su análisis de una cepa en sólo 15 minutos. "Antes se necesitaban dos o tres semanas de trabajo constante", dice Rankin.

En un estudio realizado en 2020, Rankin y su equipo analizaron más de 27.000 gusanos que representaban 135 cepas con mutaciones en los homólogos de gusano de 98 genes relacionados con el autismo. Muchos de los gusanos mostraban déficits de habituación, un proceso por el que el cerebro amortigua su respuesta a estímulos invariables. Se trata de una forma de desechar los estímulos irrelevantes, y también está alterado en muchas personas con autismo. Los resultados sugieren que muchos genes relacionados con el autismo tienen funciones comunes.

En una serie de experimentos similares, los investigadores crearon 20 mutaciones de novo, o espontáneas, observadas en personas autistas en las versiones de gusanos de 11 genes relacionados con el autismo. Evaluaron la forma del cuerpo, el tamaño, el movimiento y la reproducción de los gusanos mutantes y encontraron en su mayoría cambios sutiles que sugieren que las mutaciones amortiguan pero no eliminan por completo la función del gen. A continuación, los investigadores planean diseñar gusanos con múltiples variantes encontradas en la misma persona autista, para aprender cómo las combinaciones de genes podrían conducir al autismo. "Los gusanos son realmente buenos para hacer múltiples cambios genéticos al mismo tiempo" debido a sus rápidos tiempos de generación, dice el investigador principal Paul Sternberg, genetista molecular del Instituto de Tecnología de California en Pasadena.

La sociedad de las moscas

En 2012, el genetista Santhosh Girirajan se subió a un avión en Seattle, donde acababa de terminar una beca posdoctoral en la Universidad de Washington. En el avión, abrió un libro que había recibido como regalo de despedida: "Time, Love, Memory", la historia de los descubrimientos del biólogo Seymour Benzer, ganador del Premio Nobel, sobre el sueño y los ritmos circadianos en las moscas de la fruta.

Cuando Girirajan aterrizó en State College (Pensilvania), donde estaba a punto de ocupar un puesto en la Universidad Estatal de Pensilvania, ya había devorado la mitad del libro y era un converso de la mosca de la fruta. Girirajan empezó a pensar en cómo las moscas de la fruta, Drosophila melanogaster, podrían ayudarle en sus estudios genéticos sobre el autismo. En particular, pensó que podrían acelerar la comprensión de cómo las variaciones en el número de copias (VNC) - supresiones o duplicaciones de grandes tramos de ADN - contribuyen a la enfermedad. Girirajan desechó sus planes de trabajar con ratones y creó un laboratorio de moscas.

Dado que las VNC pueden contener más de dos docenas de genes, puede ser complicado averiguar cómo contribuyen los distintos genes a los rasgos del autismo. En la mosca, es posible manipular la expresión de los genes en tejidos específicos, como el cerebro, el ojo o el ala, lo que permite a Girirajan probar los efectos de estos cambios sin matar a la mosca. Girirajan ha reducido la expresión de dos genes a la vez en el ojo de la mosca y ha rastreado los efectos en el desarrollo del ojo utilizando un programa informático especialmente diseñado que llama Flynotyper. El programa detecta las alteraciones en la estructura del ojo analizando imágenes del mismo y calculando las distancias y ángulos entre sus partes. Los efectos en el ojo sirven como un sustituto de los del sistema nervioso en su conjunto, porque muchos genes afectan al desarrollo de ambos, dice Girirajan.

El uso de este método para analizar 565 pares de genes reveló que las interacciones entre muchos genes probablemente subyacen al vínculo entre la VNC 16p11.2 y afecciones como el autismo. Por el contrario, un estudio sobre 3q29 que incluía 314 pares de genes demostró que un único gen llamado NCBP2 impulsa los efectos de la deleción sobre el desarrollo. Girirajan está realizando ahora estudios similares de otras VNC, como la 15q11.2, la 15q13.3 y la 1q21.1.

Las moscas de la fruta también están avanzando en la comprensión de los problemas de sueño en el autismo, tanto a través de la manipulación genética como del seguimiento automatizado de su comportamiento. En un estudio publicado este año, los investigadores hicieron un seguimiento de los ciclos de sueño de las moscas con mutaciones en el equivalente en mosca de los genes CHD8 y CHD7, que están asociados con el autismo o los rasgos del autismo, utilizando una cámara conectada a un software que registra sus movimientos a lo largo del día. Los científicos descubrieron que las moscas mutantes se despiertan con una frecuencia inusual, lo que recuerda a las dificultades para dormir que se observan en las personas con mutaciones en estos genes.

Al eliminar estos genes de determinados tipos de células, los investigadores localizaron el problema en las células gliales de la barrera hematoencefálica. A continuación, los investigadores trataron el problema reduciendo la cantidad de tiempo diario que las moscas pasaban en la oscuridad al mínimo que necesitan para dormir. Restringir el tiempo que pasan en la cama es un tratamiento para el insomnio en las personas, y esta intervención similar en las moscas consolidó su sueño en menos rachas y más largas, más parecidas a las de las moscas típicas. "Realmente esperamos que nuestro trabajo cambie en algo esta percepción de que no se puede hacer nada" sobre los problemas de sueño en los niños con autismo, dice la investigadora principal, Annette Schenck, del Centro Médico de la Universidad Radboud de Nimega (Países Bajos).

Expedición de pesca

Los científicos también han estudiado los rituales nocturnos de otro modelo de autismo: el pez cebra (Danio rerio). Las técnicas de edición de genes permiten a los científicos crear peces cebra con mutaciones relacionadas con el autismo, y luego pueden evaluar fácilmente cómo las mutaciones afectan al comportamiento. "Podemos tomar nuestras larvas de pez -a los 5 días de edad tienen esta compleja gama de comportamientos-, podemos pipetearlas fácilmente en los pocillos de una placa de 96 pocillos, y luego rastrear diferentes aspectos de su actividad locomotora", dice Hoffman. El diseño ofrece el alto rendimiento y la fácil replicabilidad de un estudio de cultivo celular, con la capacidad de medir los efectos en el comportamiento animal.

Como investigador postdoctoral, Hoffman siguió el comportamiento de larvas de pez cebra de 5 días que carecían del gen CNTNAP2, vinculado al autismo, y descubrió que eran hiperactivas por la noche. Los peces también tienen menos neuronas inhibidoras de lo habitual, que amortiguan la actividad neuronal, en el cerebro anterior, replicando los hallazgos en ratones que carecen del mismo gen y añadiendo peso a la relevancia de los peces como modelo de autismo.

El pez cebra es una herramienta útil para el cribado de posibles fármacos contra el autismo porque los compuestos químicos pueden añadirse directamente al agua en la que nadan los peces. En su estudio CNTNAP2, publicado en 2016, Hoffman y sus colegas probaron los efectos de 14 fármacos en las larvas y demostraron que ciertas formas de la hormona estrógeno pueden revertir el comportamiento hiperactivo de las larvas.

Los animales son pequeños y relativamente baratos, por lo que el equipo puede utilizarlos para estudiar los efectos de muchos genes vinculados al autismo en paralelo. El equipo de Hoffman está estudiando la actividad cerebral, el movimiento y los ciclos de sueño y vigilia en múltiples líneas de peces cebra con mutaciones en los equivalentes de los peces de 10 genes relacionados con el autismo, como CHD8, CNTNAP2, DYRK1A, GRIN2B y SCN2A. El objetivo de los investigadores es identificar las características compartidas entre las cepas e identificar fármacos que puedan revertir las alteraciones de su comportamiento.

El pez cebra CNTNAP2 desarrollado en el laboratorio de Hoffman está previsto que aparezca en una lista de modelos de pez cebra validados por la Iniciativa de Investigación del Autismo de la Fundación Simons (SFARI). (El objetivo de esta lista es hacer que la investigación con peces cebra sea más fiable dirigiendo a los investigadores hacia modelos que pasen una prueba de calidad genética, dice la científica principal de la SFARI Brigitta Gundersen.

Las larvas de pez cebra tienen otra ventaja: Son transparentes durante los primeros días de vida. Como resultado, los investigadores pueden ver los órganos internos de las larvas, incluido el intestino, lo que les permite visualizar los efectos de las mutaciones del autismo en la función intestinal, que suele estar alterada en el autismo. En las larvas, los investigadores pueden observar los movimientos rítmicos de los músculos del intestino y el movimiento de los alimentos a través del sistema digestivo. "Las cosas se desarrollan justo delante de ti", dice Julia Dallman, profesora asociada de biología en la Universidad de Miami en Coral Gables, Florida.

En estudios publicados en 2019 y 2020, el equipo de Dallman demostró que los músculos del intestino se contraen, y la comida se mueve a través del intestino, inusualmente lento en el pez cebra con mutaciones en SYNGAP1 o SHANK3. En las personas, las mutaciones en estos genes están relacionadas tanto con el autismo como con el malestar gastrointestinal, incluyendo el estreñimiento y el reflujo ácido. "Cuando nos propusimos inicialmente observar la función intestinal en estos modelos, mi expectativa era que [las alteraciones] serían sutiles", dice Dallman. "No es nada sutil". Los estudios de su equipo sugieren que mecanismos ligeramente diferentes subyacen a los problemas intestinales en las dos cepas de peces, por lo que el tratamiento del estreñimiento en el autismo podría no ser de talla única. Dallman planea probar los efectos de los fármacos tanto en la función intestinal como en el comportamiento de los peces, para ayudar en la búsqueda de medicamentos para el autismo que no empeoren el estreñimiento, dice.

La transparencia de las larvas de pez cebra también pone de manifiesto el desarrollo temprano del cerebro. Utilizando microscopios especializados, los investigadores pueden visualizar la actividad de las neuronas individuales y, como los peces son pequeños, seguir simultáneamente la actividad de cada neurona del cerebro. "Se observa el cerebro de un animal intacto, alerta, que se comporta y percibe", dice Ethan Scott, que estudia el procesamiento sensorial del pez cebra en la Universidad de Queensland, en Brisbane (Australia).

El pez cebra tiene una estructura cerebral más parecida a la de los humanos que los modelos invertebrados, afirma Scott. Y aunque los peces carecen de corteza cerebral, la estructura de la superficie del cerebro humano, son útiles para estudiar los circuitos de otras partes del cerebro. "Todo es cuestión de adecuar tu pregunta a las ventajas y desventajas de tu sistema modelo", dice Scott.

Scott está utilizando larvas de pez cebra con mutaciones en genes relacionados con el autismo para investigar las alteraciones del procesamiento sensorial en el autismo. Él y sus colegas están monitorizando su actividad cerebral en respuesta a las imágenes mostradas en una pantalla de ordenador y a los sonidos de intensidad variable. En un estudio de 2020, su equipo demostró que los peces cebra que carecen de FMR1, el gen mutado en el síndrome X frágil, son hipersensibles al sonido. Y en cuatro regiones del cerebro, sus neuronas reaccionan al sonido con ráfagas de actividad más frecuentes o fuertes que las de los peces típicos. El trabajo puede ayudar a explicar la hipersensibilidad sensorial en el autismo, dice Scott.

Criaturas sociales

Las diferencias en el comportamiento social son fundamentales en el autismo, y las raíces de esos comportamientos se extienden por todo el reino animal, dice Anne Simon, genetista del comportamiento de la Universidad de Western Ontario en Londres (Canadá). "Tanto si eres una mosca como un humano, necesitas ser capaz de reconocer a uno de tu especie", dice. "Tienes que ser capaz de acercarte lo suficiente, pero no demasiado". Los animales necesitan agruparse para encontrar comida y pareja, explica, pero necesitan espacio para evitar conflictos por los recursos.

Simon ha establecido una forma de probar los efectos de los genes en el comportamiento social de las moscas de la fruta. En un estudio de 2015, ella y sus colegas descubrieron que estas moscas practican de forma natural el "distanciamiento social": En un recinto en forma de triángulo, vuelan hacia arriba en un intento de escapar y finalmente se agrupan cerca del vértice del triángulo, pero mantienen una cantidad determinada de espacio entre ellas. Con este aparato, puede sondear los efectos de las mutaciones vinculadas al autismo en el espaciamiento de las moscas, como marcador de la función social. En 2015 y 2019, su equipo informó de que las moscas con mutaciones en los equivalentes de Drosophila de NBEA y de FOXP1 y FOXP2 se instalan más separadas que las moscas típicas. Los machos que carecen o sobreexpresan NLGN3 se separan de forma similar, al igual que las moscas hembras que carecen de NLGN3. Sin embargo, las hembras que sobreexpresan NLGN3 se agrupan. Los resultados sugieren que estos genes afectan a los circuitos sociales del cerebro, dice Simon.

En la naturaleza, los peces cebra adultos nadan en sincronía, o 'cardumen', un comportamiento que los protege de los depredadores. Los investigadores están estudiando cómo los genes relacionados con el autismo afectan a la formación de cardúmenes y a otras formas de confraternización de los peces. Han descubierto, por ejemplo, que los peces cebra que carecen de SHANK3 muestran poco interés por estar cerca de otros peces; los peces que carecen de receptores de oxitocina optan por pasar más tiempo a solas que los demás peces cebra, y los que carecen del gen RELN no eligen interactuar con peces desconocidos en lugar de con peces conocidos, como es típico en la especie. Los investigadores descubrieron que los mutantes de RELN carecen del neurotransmisor serotonina en el cerebro posterior, y que la adición al agua de un fármaco que aumenta la serotonina en el cerebro restablece la preferencia por los extraños.

"Al principio era muy escéptico" sobre el uso del pez cebra para investigar las consecuencias sociales de las mutaciones en los genes del autismo, dice Will Norton, neurocientífico del comportamiento de la Universidad de Leicester (Reino Unido), que dirigió el estudio de la RELN. Un cambio en la sociabilidad de los peces no es necesariamente indicativo de un efecto similar en las personas, reconoce, pero los resultados en los peces reflejan los observados en los modelos de ratón RELN, por lo que cree que el comportamiento social de los peces es significativo.

El pez cebra tiene otras peculiaridades sociales útiles. Si dos peces están separados por una barrera transparente, tienden a girar para enfrentarse. Ciertas células del cerebro anterior del pez cebra que liberan el neurotransmisor acetilcolina parecen ser necesarias para este comportamiento: Cuando estas células se desactivan genéticamente, los peces pasan menos tiempo orientados unos hacia otros, según un estudio de 2018. Los ratones tienen una población celular similar implicadas en el comportamiento social en el cerebro anterior, y es probable que esas células existan también en las personas, dice el investigador principal, Philip Washbourne, neurocientífico de la Universidad de Oregón en Eugene. "Una cosa que falta en todos los organismos modelo y en los humanos es una comprensión realmente buena de los circuitos implicados en el comportamiento social", dice Washbourne. Planea investigar la función de las células sociales del cerebro anterior, y otras, en peces con mutaciones en genes relacionados con el autismo.

Al hacerlo, Washbourne espera enfrentarse a obstáculos políticos además de los científicos. Pregunte a cualquier investigador del autismo que trabaje con peces cebra, moscas o gusanos redondos si su elección de organismo modelo ha levantado alguna vez una ceja, y es probable que se ría con conocimiento de causa. Hace unos 10 años, Washbourne presentó una solicitud de subvención a los Institutos Nacionales de Salud de EE.UU. en la que proponía utilizar el pez cebra para estudiar cómo se forman las uniones neuronales. Recuerda que un revisor le preguntó: "¿No se ha hecho esto en otros invertebrados? (Los peces, por supuesto, son vertebrados). Esos comentarios se hacen eco de la resistencia que encontró Rand cuando intentó publicar su trabajo con gusanos.

Pero algunos investigadores dicen que la oposición está empezando a disminuir. McDiarmid dice que ha notado un cambio de actitud desde que se unió al laboratorio de Rankin en 2014. Cada vez más científicos están en sintonía con la necesidad de rapidez en ciertas situaciones, y que estos modelos alternativos pueden cubrir esa necesidad: "Puedes obtener una respuesta rápida a una pregunta de descubrimiento", dice McDiarmid. "Y no se trata de sustituir a los ratones en absoluto; se trata de priorizar [en qué centrarse]. Creo que ése es el gran cambio de concepto".

Cite este artículo: https://doi.org/10.53053/QYKX3135

https://www.spectrumnews.org/features/deep-dive/what-studying-worms-flies-and-fish-says-about-autism/