Repensando los orígenes de las neuronas: preguntas y respuestas con Tomasz Nowakowski

Lectura fácil: Un virus modificado marca las células progenitoras corticales con un código de barras genético (verde) que se transmite a sus células hijas (flechas).

POR LAUREN SCHENKMAN

Fuente: Spectrum | 20/01/2021

Fotografía: Autism Spectrum

Se cree que el autismo surge durante el desarrollo prenatal, cuando el cerebro está tejiendo su red de neuronas excitadoras e inhibidoras, los principales tipos de células generadoras de señales en la corteza cerebral

Se cree que el autismo surge durante el desarrollo prenatal, cuando el cerebro está tejiendo su red de neuronas excitadoras e inhibidoras, los principales tipos de células generadoras de señales en la corteza cerebral. Aunque este proceso de cableado sigue siendo un misterio, una cosa parece cierta tras dos décadas de estudios en ratones: Aunque ambos tipos de neuronas surgen de la glía radial, las neuronas excitadoras surgen en la corteza en desarrollo, mientras que las inhibidoras, también conocidas como interneuronas, se originan fuera de la corteza y luego migran a ella.

No es así en el cerebro humano, según un estudio publicado en diciembre en Nature. Un equipo de investigadores dirigido por Tomasz Nowakowski, profesor adjunto de anatomía de la Universidad de California en San Francisco, utilizó un nuevo método de código de barras viral para rastrear los descendientes de las células gliales radiales del córtex humano en desarrollo y descubrió que estas células progenitoras pueden dar lugar tanto a neuronas excitadoras como a interneuronas.

"Se trata de un hallazgo que cambia el paradigma", afirma Nowakowski. "Establece un nuevo marco para el estudio, la comprensión y la interpretación de modelos experimentales de mutaciones del autismo".

Nowakowski habló con Spectrum sobre las implicaciones del descubrimiento para el estudio de los orígenes del autismo en el cerebro en desarrollo.

Spectrum: ¿Por qué investigó este tema?

Tomasz Nowakowski: Mi laboratorio y yo estamos interesados en comprender los primeros acontecimientos del neurodesarrollo que dan lugar a la increíble complejidad de la corteza cerebral humana. Sabemos especialmente poco sobre las primeras etapas del desarrollo humano, sobre todo porque gran parte de nuestros conocimientos proceden de modelos de ratón. Como hemos empezado a comprender en la última década, los procesos que subyacen al desarrollo del cerebro en humanos y ratones pueden ser muy diferentes.

La motivación principal proviene de los descubrimientos de que muchas condiciones psiquiátricas del neurodesarrollo, incluido el autismo, se manifiestan muy temprano en la vida y se teoriza que son una consecuencia de las alteraciones que ocurren en estas etapas tempranas del desarrollo del cerebro.

S: ¿Cómo reaccionó cuando su resultado difirió tan drásticamente de lo que se pensaba?

TN: La historia divertida es que no quería creer nuestros resultados y me resistí durante mucho tiempo. La hipótesis de que la glía radial cortical genera interneuronas corticales a nivel local en los primates, pero no en los ratones, se propuso hace casi 20 años, pero ha sido muy controvertida y no ha sido generalmente aceptada. Como científico, considero que mi papel es ser el mayor escéptico de mi propio trabajo, sobre todo si los hallazgos tienen implicaciones tan antiguas. Por lo tanto, el mérito es de los aprendices de mi laboratorio, que se opusieron y produjeron las pruebas que apoyan este modelo.

S: ¿Qué implicaciones tiene su descubrimiento para entender el autismo?

TN: Lo que sabemos por los estudios de genética es que las mutaciones de pérdida de función en ciertos genes confieren un alto riesgo de autismo. Lo que hemos aprendido de la biología del desarrollo es que muchos de estos genes tienden a expresarse más durante las primeras etapas del desarrollo del cerebro, y en la corteza cerebral en particular. Una de las cosas que el campo de la investigación sobre el autismo está tratando de determinar es cuándo y dónde y cuáles son los procesos más vulnerables a las mutaciones en esos genes, con la esperanza de identificar estos puntos de convergencia que podrían ser dirigidos terapéuticamente.

Así, si uno fuera un investigador del autismo y estuviera interesado en comprender cómo una determinada mutación influye en el desarrollo de las neuronas excitadoras e inhibidoras en el cerebro humano, normalmente planificaría la derivación de dos tipos diferentes de células progenitoras [a partir de células madre pluripotentes] y luego estudiaría cómo su desarrollo se ve afectado por la mutación. Nuestros hallazgos sugieren un nuevo marco para estudiar las consecuencias de estas mutaciones. Una mutación podría afectar a la generación de neuronas tanto excitadoras como inhibidoras al afectar incluso a una sola población de células progenitoras.

S: Una teoría sugiere que el autismo es el resultado de un desequilibrio entre la excitación y la inhibición en el cerebro. ¿Cómo afecta su descubrimiento a esa hipótesis?

TN: Hay muchas maneras de que se produzca ese desequilibrio. Una posibilidad es que la diferenciación temprana en neuronas excitadoras e inhibidoras se vea afectada de alguna manera, y la forma de probar esa hipótesis sería comparar la generación o diferenciación de estas interneuronas o neuronas excitadoras en paralelo. Pero nuestros hallazgos sugieren que incluso una simple mutación que altere el desarrollo normal de los progenitores corticales cerebrales podría afectar a la proporción o diferenciación de estas neuronas excitatorias o inhibitorias.

Hay varios estudios que sugieren que la generación de neuronas excitatorias e inhibitorias se ve afectada por las mutaciones del autismo. Cuando se intenta explicar estos estudios, especialmente los que utilizan modelos basados en células madre pluripotentes, se asume que estos fenotipos son el resultado de este patrón u organización de estas células madre en dos grupos: uno que genera neuronas inhibitorias y otro que genera neuronas excitatorias. Nuestro hallazgo ofrece una interpretación alternativa.

S: Háblenos un poco de la herramienta de código de barras viral que ha desarrollado. ¿Podría utilizarse en otros tipos de investigación sobre el autismo?

TN: Utilizamos virus derivados originalmente del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH). Estos virus tienen una gran eficacia para transectar una célula humana e integrar su información genómica en el ADN de las células individuales, pero no pueden replicarse ni causar ninguna patología importante. Hemos diseñado estos virus para que entreguen un código de barras molecular de información, que hemos predefinido en el laboratorio. Las tecnologías actuales de secuenciación de alto rendimiento permiten una lectura muy sensible de esa información del código de barras molecular de las células individuales, junto con la recuperación de información sobre todos los genes que estas células expresan. Cuando se aplica a estas células madre neurales, el código de barras de ADN se integra en el ADN genómico de una célula progenitora y posteriormente es heredado por todas las neuronas generadas por esta célula progenitora. Esta potente tecnología nos permite determinar qué tipos de neuronas han nacido de la misma célula progenitora, y la tecnología puede ampliarse para descubrir miles de estas relaciones de linaje en un solo experimento.

Nuestra herramienta puede aplicarse esencialmente a cualquier modelo experimental, ya que no depende de modelos de ratones transgénicos ni de líneas celulares modificadas genéticamente. El virus con código de barras puede aplicarse a cualquier estudio experimental para hacer un seguimiento de las células a lo largo del tiempo. Además, no tiene por qué limitarse al seguimiento de linajes celulares. También podría aplicarse a otros problemas biológicos. Por ejemplo, el método de código de barras podría aplicarse a otros tipos de virus, como el virus de la rabia monosináptica, que suele utilizarse para rastrear las conexiones sinápticas.

S: Dado que la versatilidad que ha encontrado no se da en los ratones, ¿qué dice eso sobre el uso de modelos de ratón para estudiar el autismo?

TN: Creo que es justo decir que si una determinada mutación del autismo tiene un impacto en la generación local de neuronas inhibidoras en la corteza cerebral, no se podría detectar utilizando ratones como modelo. La ramificación de este hallazgo es que habría que identificar modelos alternativos para abordar esa cuestión.

Este hallazgo supone una oportunidad para pensar en qué otros organismos, además de los ratones, podrían servir como modelos experimentales in vivo.

S: ¿Hay algo más que le entusiasme de este descubrimiento?

TN: Cuando miramos al ratón, a la corteza cerebral del ratón, la proporción de estas neuronas excitadoras e inhibidoras es de aproximadamente 5 a 1. Cuando observamos a los humanos y a los titíes, que es otro modelo animal emergente para la neurociencia humana, esta proporción cambia a cerca de 2 a 1 para los humanos, y a cerca de 3 a 1 para los titíes. Así que realmente te motiva a pensar en qué cambios evolutivos entre los ratones y los humanos pueden haber causado que esta proporción cambie tan dramáticamente. Una de las hipótesis era que tal vez las interneuronas GABA-érgicas podrían ser generadas localmente por las células generadoras corticales. Las pruebas han ido de un lado a otro a lo largo de los años, pero nuestro estudio proporciona un argumento sólido de que, efectivamente, este fenómeno puede haber sido infravalorado.

S: ¿En qué va a profundizar ahora?

TN: Estoy muy interesado en identificar el mecanismo que subyace a la generación de interneuronas corticales por parte de las células progenitoras corticales locales. La posibilidad de que el cambio entre la generación de neuronas excitatorias e inhibitorias pueda verse afectado por mutaciones en el autismo es realmente emocionante e importante de explorar. En términos más generales, me fascinan las diferencias de neurodesarrollo entre los ratones y los humanos. Identificar los modelos experimentales que mejor recapitulan los acontecimientos del desarrollo neuronal humano representa un reto realmente importante. Aunque cada vez hay más interés en utilizar organoides cerebrales, por ejemplo, para estudiar estos procesos tempranos del neurodesarrollo, hay muchas características importantes del desarrollo y la función del cerebro que no pueden modelarse en una placa.

Cite este artículo: https://doi.org/10.53053/FANB1055

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