Cómo la alteración de un solo gen puede haber separado a los humanos modernos de sus predecesores
Los organoides cerebrales neandertales (izquierda) se ven muy diferentes a los organoides cerebrales humanos modernos (derecha): tienen una forma claramente diferente y difieren en la forma en que sus células proliferan y cómo se forman sus sinapsis. Crédito: Ciencias de la Salud de UC San Diego
Como profesora de pediatría y medicina celular y molecular en la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego, Alysson R. Muotri, Ph.D., ha estudiado durante mucho tiempo cómo se desarrolla el cerebro y qué sucede mal en los trastornos neurológicos. Durante casi el mismo tiempo, también ha sentido curiosidad por la evolución del cerebro humano: ¿qué cambió que nos hace tan diferentes de los neandertales y los denisovanos anteriores, nuestros parientes evolutivos más cercanos, ahora extintos?
Los estudios evolutivos se basan en gran medida en dos herramientas, la genética y el análisis de fósiles, para explorar cómo cambia una especie con el tiempo. Pero ninguno de los enfoques puede revelar mucho sobre el desarrollo y la función del cerebro porque los cerebros no se fosilizan, dijo Muotri. No hay ningún registro físico para estudiar.
Así que Muotri decidió probar con células madre, una herramienta que no suele aplicarse en las reconstrucciones evolutivas. Las células madre, los precursores de autorrenovación de otros tipos de células, se pueden utilizar para construir organoides cerebrales «mini cerebros» en una placa de laboratorio. Muotri y sus colegas han sido pioneros en el uso de células madre para comparar humanos con otros primates, como chimpancés y bonobos, pero hasta ahora no se creía posible una comparación con especies extintas.
En un estudio publicado el 11 de febrero, 2021 en Science, el equipo de Muotri catalogó las diferencias entre los genomas de diversas poblaciones humanas modernas y los neandertales y los denisovanos, que vivieron durante la época del Pleistoceno, hace aproximadamente entre 2,6 millones y 11 700 años. Imitando una alteración que encontraron en un gen, los investigadores utilizaron células madre para diseñar organoides cerebrales «neandertales».
«Es fascinante ver que una alteración de un solo par de bases en el ADN humano puede cambiar la forma en que el el cerebro está conectado», dijo Muotri, autor principal del estudio y director del Programa de Células Madre de UC San Diego y miembro del Consorcio de Medicina Regenerativa de Sanford. «No sabemos exactamente cómo y cuándo ocurrió ese cambio en nuestra historia evolutiva. Pero parece ser significativo y podría ayudar a explicar algunas de nuestras capacidades modernas en el comportamiento social, el lenguaje, la adaptación, la creatividad y el uso de la tecnología». /p>
El equipo encontró inicialmente 61 genes que diferían entre los humanos modernos y nuestros parientes extintos. Uno de estos genes alterados, NOVA1, llamó la atención de Muotri porque es un regulador génico maestro que influye en muchos otros genes durante el desarrollo temprano del cerebro. Los investigadores utilizaron la edición de genes CRISPR para diseñar células madre humanas modernas con la mutación de tipo neandertal en NOVA1. Luego persuadieron a las células madre para que formaran células cerebrales y, en última instancia, organoides cerebrales neandertales.
Alysson R. Muotri, PhD, es profesora en la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego. Crédito: Ciencias de la Salud de UC San Diego
Los organoides cerebrales son pequeños grupos de células cerebrales formadas por células madre, pero no son exactamente cerebros (por ejemplo, carecen de conexiones con otros sistemas de órganos, como los vasos sanguíneos). Sin embargo, los organoides son modelos útiles para estudiar la genética, el desarrollo de enfermedades y las respuestas a infecciones y fármacos terapéuticos. El equipo de Muotri incluso ha optimizado el proceso de construcción de organoides cerebrales para lograr ondas oscilatorias eléctricas organizadas similares a las producidas por el cerebro humano.
Los organoides cerebrales neandertales se veían muy diferentes a los organoides cerebrales humanos modernos, incluso para el ojo desnudo Tenían una forma claramente diferente. Mirando más profundamente, el equipo descubrió que los organoides cerebrales modernos y neandertales también difieren en la forma en que proliferan sus células y cómo se forman sus sinapsis y las conexiones entre las neuronas. Incluso las proteínas involucradas en las sinapsis diferían. Y los impulsos eléctricos mostraron una mayor actividad en etapas anteriores, pero no se sincronizaron en las redes en los organoides cerebrales neandertales.
Según Muotri, los cambios en la red neuronal en los organoides cerebrales neandertales son paralelos a la forma en que los recién nacidos no -los primates humanos adquieren nuevas habilidades más rápidamente que los recién nacidos humanos.
«Este estudio se centró en un solo gen que difería entre los humanos modernos y nuestros parientes extintos. A continuación, queremos echar un vistazo a los otros 60 genes, y qué sucede cuando cada uno, o una combinación de dos o más, se modifican», dijo Muotri.
«Esperamos con ansias esta nueva combinación de biología de células madre, neurociencia y paleogenómica. La capacidad de aplicar el enfoque comparativo de los humanos modernos a otros homínidos extintos, como los neandertales y los denisovanos, usando organoides cerebrales que portan variantes genéticas ancestrales es un campo de estudio completamente nuevo».
Para continuar con este trabajo, Muotri se ha asociado con Katerina Semendeferi, profesora de una antropología en UC San Diego y coautor del estudio, para codirigir el nuevo Centro de Arquealización de UC San Diego, o ArchC.
«Combinaremos e integraremos este increíble trabajo con células madre con comparaciones anatómicas de varias especies y condiciones neurológicas para crear hipótesis posteriores sobre la función cerebral de nuestros parientes extintos», dijo Semendeferi. «Este enfoque de neuroarquealización complementará los esfuerzos para comprender la mente de nuestros antepasados y parientes cercanos, como los neandertales».
Explorar más
Ondas cerebrales detectadas en minicerebros cultivados en una placa Más información: CA Trujillo el al., «La reintroducción de la variante arcaica de NOVA1 en organoides corticales altera el neurodesarrollo, «Ciencia (2021). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aax2537 Información de la revista: Science
Proporcionado por la Universidad de California – San Diego Cita: Cómo la alteración de un solo gen puede haber separado a los humanos modernos de sus predecesores ( 2021, 11 de febrero) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-02-gene-modern-humans-predecessors.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.