En uno de los primeros estudios en 'leer' la actividad genética dentro de las células cerebrales individuales, el neurocientífico Xinyu Zhao de la Universidad de Wisconsin-Madison identificó la maquinaria genética que causa la maduración en una célula nerviosa joven. Las células en estudio provienen del hipocampo, una estructura relacionada con la memoria que es el único lugar en el cerebro de un mamífero donde se pueden formar nuevas neuronas a lo largo de la vida.
Desde que se descubrieron neuronas recién formadas en el hipocampo hace más de 20 años, los científicos han identificado los muchos roles que desempeñan en el aprendizaje y la memoria. Sin embargo, el misterio continúa rodeando los controles genéticos que regulan la formación de las delicadas estructuras y los químicos.necesario para la comunicación neuronal, dice Zhao.
En la década de 1990, Zhao trabajó como becario postdoctoral con Fred Gage en el Instituto Salk de Estudios Biológicos en California, sitio de descubrimientos revolucionarios sobre la formación de nuevas neuronas en el hipocampo. Hasta el descubrimiento de esta "neurogénesis adulta", los científicospensó que el cerebro tenía que conformarse esencialmente con el suministro de neuronas que adquirió al nacer.
El suministro limitado de nuevas neuronas que crece en el hipocampo a lo largo de la vida tiene un papel en la memoria y quizás en la recuperación de una enfermedad degenerativa.
Zhao, ahora profesora de neurociencia en UW-Madison, ha estado investigando el rompecabezas de la neurogénesis adulta durante la mayor parte de su carrera científica. "Mientras trato de comprender el mecanismo que regula la neurogénesis adulta, también estoy usando la neurogénesis adulta como modelo paraestudiar el desarrollo del cerebro y las enfermedades del desarrollo ", dice." En animales de laboratorio, la neurogénesis adulta proporciona una fuente de células que pueden mostrarnos cómo una célula madre neural se convierte en una neurona completamente formada "
Como podría esperarse de un órgano tan increíblemente complejo como el cerebro, "las neuronas vienen en muchas variedades", dice Zhao, "y su actividad genética cambia a medida que maduran. Para comprender realmente este proceso, necesitamos saber qué genes sonactivo y cuándo. "
En estudio, un grupo de neuronas podría promediar, lo que enmascararía distinciones clave en diferentes etapas. "Cuando observas células individuales, puedes ver mucha más información de la que puedes ver en grupos", dice Zhao.
Imagínese describiendo la mariposa monarca. Observando la etapa larvaria, concluirías que es una oruga. Observando la etapa de insecto, la llamarías mariposa. Pero, ¿qué concluirías al observar una mezcla de orugas y mariposas?
La situación en el desarrollo de neuronas es aún más confusa, dice Zhao. "Hay tantos tipos diferentes de neuronas, y la etapa de desarrollo también es fundamental para comprender el proceso de desarrollo".
La tecnología para superar este obstáculo, que puede aislar neuronas individuales para que se puedan extraer sus genes, se utilizó por primera vez en neuronas en 2014.
Tomando neuronas jóvenes del hipocampo de ratones adultos, los becarios postdoctorales Yu Gao y Feifei Wang ahora miembro de la facultad de la Universidad Fudan en Shanghai aislaron 84 neuronas individuales que se habían diferenciado de las células madre neurales al menos tres días antes -lo que significa que habían comenzado, pero no completado, la transformación en una neurona madura.
Una vez reunidos los datos sobre la activación genética, Brian Eisinger, otro becario postdoctoral con experiencia en bioinformática, realizó un análisis intensivo sobre la actividad ascendente y descendente de miles de genes.
Los perfiles de activación genética de las células individuales revelaron que las neuronas en desarrollo pasan por cuatro etapas. Pero los resultados también revelaron indicios sobre el origen de afecciones neurológicas comunes.
Primero, los genes más activos durante la fase de células madre se superponen significativamente con genes implicados en las enfermedades de Alzheimer y Parkinson. "Nos sorprendió ver que los genes asociados con la etapa de vida de las células madre están altamente representados en estas enfermedades neurodegenerativas", dice Zhao.. "No sabemos el significado, pero es posible que estas condiciones estén más relacionadas con el deterioro de las células madre de lo que pensamos".
En segundo lugar, el gen que exhibe una mayor actividad durante la maduración de las neuronas se superpone con los genes asociados con el autismo. Esa imagen es compleja, reconoce Zhao, ya que miles de genes se ven afectados de alguna manera en el autismo.
"Este fue un análisis exploratorio que puede abrir una nueva ventana sobre la comprensión de los trastornos complejos como el autismo", dice Zhao. "Imagínese si viera inesperadamente la huella de una garra de puma en el bosque. Ahora se preguntaría si el león explicó de repenteescasez de ciervos en el bosque, pero no lo sabrías hasta que mires más. "
La estudiante junior de bioquímica Laurel Kelnhofer y la estudiante de posgrado Emily Jobe también contribuyeron al estudio, publicado hoy en la revista corteza cerebral .
Aunque en el último año han comenzado a aparecer artículos que utilizan el análisis unicelular de neuronas de mamíferos, se centraron en grandes poblaciones de neuronas, dice Zhao. "El nuestro es el primer análisis unicelular de nuevas neuronas nacidas en adultos. Nuestro desafíofue que estos son escasos, por lo que tuvimos que trabajar duro para optimizar nuestro procedimiento de aislamiento celular ".
El estudio solo se pudo realizar en una institución de investigación de clase mundial como UW-Madison, agregó Zhao. "El Centro Integral de Cáncer proporcionó el clasificador de células que necesitábamos para comenzar. El Centro Waisman, donde estudio los mecanismos del desarrollo del cerebro,tenía microscopios confocales de última generación y un modelo temprano del analizador unicelular. El Centro de Biotecnología tiene los últimos instrumentos para la cuantificación del ARN y la secuenciación ultrarrápida del ARN. Para hacer avanzar la ciencia, necesitábamos todos estos instrumentos:y los científicos que saben cómo ejecutarlos ".
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, el Centro Waisman, la Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin y Vilas Trust.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por David Tenenbaum. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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