Equipo usa resonancia magnética para obtener imágenes de epigenética en el cerebro
Crédito: Wikimedia Commons
Un equipo multidisciplinario de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha ideado un nuevo enfoque para imágenes en 3D que captura la metilación del ADN, un cambio epigenético clave asociado con el aprendizaje en el cerebro. Los científicos dicen que su estudio de prueba de concepto en cerdos se trasladará fácilmente a los humanos, ya que el nuevo método se basa en la tecnología de resonancia magnética estándar y los marcadores biológicos que ya se usan en la medicina humana.
La epigenética es un mecanismo clave mediante el cual se regula la expresión génica. El nuevo enfoque llamado IRM epigenética o eMRI abrirá nuevas vías de investigación sobre cómo esos cambios moldean el cerebro, permitiéndole crecer, aprender y responder al estrés, dijeron los investigadores. La técnica también puede ser útil en el estudio de procesos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer.
Los hallazgos se informan en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
La metilación del ADN es un mecanismo que usan las células para regular qué genes se expresan activamente, dijo el Dr. King Li, profesor de la Facultad de Medicina Carle Illinois de la U. de I., quien dirigió la investigación con Fan Lam, profesor de bioingeniería de la U. of I., y Gene Robinson, director del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica de Illinois.
«Nuestro ADN es el mismo de una célula a otra y no cambiar», dijo Li. «Pero las moléculas diminutas, como los grupos metilo, se unen a la columna vertebral del ADN para regular qué genes se transcriben activamente en ARN y se traducen en proteínas. La metilación del ADN es una parte muy importante del control de las funciones de los genes».
Investigaciones anteriores mostraron que la metilación del ADN es uno de varios cambios epigenéticos que ocurren en el cerebro cuando un animal responde a su entorno, dijo Robinson, profesor de entomología en Illinois que estudia la interacción de la genómica, la experiencia y el comportamiento en las abejas melíferas. Sus estudios han demostrado que muchos genes en el cerebro están regulados al alza o a la baja en las abejas a medida que maduran, cambian roles en la colmena, encuentran nuevas fuentes de alimento o responden a amenazas.
Hay dos sistemas de control en el cerebro , operando en diferentes escalas de tiempo, dijo Robinson. Las neuronas y otras células cerebrales responden a las señales ambientales en cuestión de segundos o milisegundos, mientras que los cambios en la expresión génica tardan más. Por ejemplo, cuando una abeja experimenta una amenaza, debe actuar de inmediato. Depende de las neuronas para disparar rápidamente y permitirle actuar a la defensiva. Pero el cerebro de la abeja continúa respondiendo incluso después de que la amenaza ha pasado, preparándose para una posible amenaza futura con cambios en la expresión génica.
«Nos estamos enfocando en este segundo sistema de control, el sistema de control molecular, que se basa en la expresión génica», aseguró Robinson. «Estos cambios pueden tardar unos minutos en ocurrir, pero pueden durar horas, días o incluso más».
Los científicos no han podido capturar con precisión los cambios moleculares que tienen lugar en el cerebro vivo con el tiempo. Estudios epigenéticos anteriores de abejas melíferas y otros organismos requerían la extirpación de tejido cerebral o la disección del animal para su análisis. Un esfuerzo de investigación anterior en el cerebro humano imaginó una enzima involucrada en la regulación de un cambio epigenético, pero no apuntó directamente al cambio epigenético. El equipo de Illinois quería usar el poder de la resonancia magnética para obtener imágenes directamente de los cambios epigenéticos en sujetos vivos.
Para el nuevo enfoque, el equipo se basó en una idea clave: Li se dio cuenta de que un aminoácido esencial, la metionina, podría llevar un marcador atómico conocido como carbono-13 al cerebro, donde podría donar el grupo metilo marcado con carbono-13 necesario para la metilación del ADN. Este proceso marcaría el ADN con un raro isótopo de carbono. El carbono-13 se produce naturalmente en el cuerpo, pero su isótopo hermano, el carbono-12, es mucho más abundante, dijo Li. Aproximadamente el 99 % del carbono en los tejidos vivos es carbono-12, dijo.
La metionina debe obtenerse a través de la dieta, por lo que el equipo decidió probar la idea de que alimentar con metionina marcada con carbono-13 a los sujetos del estudio le permitirían pasar al cerebro y etiquetar las regiones que experimentan metilación.
«Cuando comenzamos este proyecto, pensamos que podría fallar», dijo Lam, quien trabajó con el profesor de química de Illinois Scott Silverman para desarrollar un método para distinguir entre el ADN metilado y otras moléculas metiladas en el cerebro. «Pero el potencial era tan emocionante que tuvimos que intentarlo».
Estudios anteriores ya habían demostrado que la resonancia magnética puede generar imágenes de carbono-13, y el carbono-13 administrado por vía oral se ha utilizado en sujetos humanos durante décadas. Pero la señal de carbono-13 de los animales vivos es débil, por lo que Lam y el profesor de ingeniería eléctrica e informática de la U. de I. Zhi-Pei Liang confiaron en su experiencia en resonancia magnética y espectroscopia de resonancia magnética para mejorar significativamente la señal de resonancia magnética nuclear.
El equipo primero probó el método en roedores, luego cambió a trabajar en lechones, cuyos cerebros más grandes se parecen más a los cerebros humanos. Para ello, confiaron en la experiencia del coautor Ryan Dilger, profesor de ciencias animales en Illinois que estudia los factores que influyen en el neurodesarrollo de los cerdos.
«Este proyecto es altamente multidisciplinario», dijo Lam. «Tenemos en el equipo ingenieros, expertos en imágenes y radiología, y personas con una formación muy sólida en aplicaciones clínicas. También tenemos científicos con experiencia en ciencia de la nutrición, ciencia animal, química y genómica».
En el En experimentos con lechones alimentados con una dieta que incluía metionina marcada con carbono 13, los investigadores encontraron que la IRM podía detectar una señal creciente de grupos metilo marcados con carbono 13 en el cerebro. Análisis posteriores les permitieron diferenciar los grupos metilo en el ADN de otras moléculas metiladas.
Los lechones tenían más metilación de ADN nuevo en el cerebro unas pocas semanas después del nacimiento que al nacer, y el aumento fue mucho mayor que esperado basado únicamente en los cambios de tamaño.
«Este hallazgo es muy alentador porque refleja lo que esperamos ver si esta señal responde al medio ambiente», dijo Li. «Se sabe a partir de estudios en animales que las regiones del cerebro que están más involucradas en el aprendizaje y la memoria experimentan más cambios epigenéticos. También hubo diferencias regionales en la metilación del ADN en el cerebro del cerdo, al igual que hay diferencias regionales en los estudios clásicos de resonancia magnética.
«Ahora esperamos aplicar esta técnica en humanos. Introducir esta etiqueta en el cerebro es fácil y no daña el cuerpo. Se lo daremos a las personas a través de la dieta y luego podremos detectar la señal».
Su primera aplicación del enfoque probablemente ocurrirá en estudios que comparen los cerebros de personas con y sin enfermedades neurodegenerativas, dijo.
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«Paisaje» de la metilación microglial en el cerebro humano Más información: IRM epigenética: imágenes no invasivas de la metilación del ADN en el cerebro, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022) DOI: 10.1073/pnas.2119891119 Información de la revista: Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign Cita: El equipo usa MRI to image epigenetics in the brain (2022, 28 de febrero) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-02-team-mri-image-epigenetics-brain.html Este documento está sujeto a derechos de autor. de cualquier trato leal con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin autorización previa. permiso de itten. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.