Un estudio revela que un mecanismo genético permite a las neuronas cambiar su identidad según el entorno

VALÈNCIA, 22 Abr. (EUROPA PRESS) -

Un estudio del Instituto de Biomedicina de Valencia (IBV), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), describe un mecanismo genético que permite a las neuronas cambiar su función y comportamiento en respuesta al ambiente. Utilizando el nematodo 'Caenorhabditis elegans' como modelo, los investigadores descubrieron que un mecanismo epigenético actúa como un 'candado' que bloquea la capacidad de las neuronas para captar serotonina -neurotransmisor que regula el estado de ánimo en humanos-, lo que modifica su identidad y funciones.

Este candado puede abrirse cuando el ambiente lo requiere, modificando el comportamiento del animal. El hallazgo es "clave" para comprender cómo se adaptan al ambiente los sistemas nerviosos de los organismos y ofrece una nueva vía para investigar trastornos como la depresión, la ansiedad o el autismo, según ha informado el CSIC en un comunicado.

Todas las células de un organismo comparten la misma información genética (ADN), a partir de la cual surgen los diferentes tipos celulares con funciones específicas (piel, hígado, neuronas...). Los genes y el entorno interactúan para modular las identidades y el funcionamiento de las células mediante cambios epigenéticos, un sistema que dicta a la célula cómo interpretar el ADN para funcionar de un modo concreto.

Ahora, el trabajo publicado en 'Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)' describe cómo este mecanismo regula la respuesta al neurotransmisor serotonina en un sencillo modelo animal, consiguiendo cambiar la identidad de las neuronas y su comportamiento mediante pequeños cambios en los genes en respuesta al ambiente.

El trabajo utiliza un pequeño gusano nematodo (Caenorhabditis), un "laboratorio viviente" muy usado en biología y biomedicina para entender cómo funciona el sistema nervioso: tiene 302 neuronas, identificadas una a una. En el laboratorio que dirige Nuria Flames en el IBV-CSIC analizaron un tipo concreto de neurona de este animal (VC), que muestra indicios de "algo inesperado": captar serotonina, neurotransmisor implicado en la conducta y estados internos del animal.

"En la especie Caenorhabditis elegans, las neuronas de identidad VC tienen el potencial de captar serotonina, pero no lo hacen porque existe una represión por mecanismos epigenéticos", ha explicado la investigadora Nuria Flames. "Un mecanismo llamado metilación de histonas actúa como un candado que bloquea el gen mod-5/SERT, encargado de captar serotonina del medio. Por eso estas neuronas no muestran un fenotipo serotonérgico [firma biológica que permite a una neurona captar serotonina]", continúa.

IDENTIDAD NEURONAL PLÁSTICA

El equipo de investigación comprobó que en varias especies del género Caenorhabditis este candado se ha roto durante la evolución. "Estas especies han adquirido un nuevo 'potenciador' [enhancer, en inglés] que activa el gen mod-5/SERT en las neuronas VC, escapando a la represión epigenética y permitiéndoles captar serotonina de forma intensa y estable", ha descrito Flames. Además, basta con trasladar ese potenciador a otras especies como C. elegans para que sus neuronas VC activen el gen mod-5/SERT.

"Una única pieza reguladora es suficiente para cambiar la identidad y función de las neuronas", ha concretado la investigadora del CSIC. Para sorpresa del equipo, en algunas especies este cambio también se produce si lo requiere el ambiente donde habita el gusano.

"Aunque, en condiciones normales, las neuronas VC de C. elegans reprimen la recaptación de serotonina, en condiciones concretas, el candado epigenético se abre y estas neuronas se vuelven serotonérgicas, lo que cambia el comportamiento de puesta de huevos. Su identidad neuronal tiene, por tanto, un carácter plástico, depende del ambiente", revela Andrea Millán Trejo, científica del IBV-CSIC y de la unidad asociada del IBV con el Centro de Investigación Príncipe Felipe (CIPF) que figura como primera autora del trabajo.

El uso de este modelo animal simple permite estudiar la plasticidad y evolución de identidades celulares conectando tres niveles: regulación de genes (ADN), identidades de neuronas (células) y comportamiento (organismo). Además, muestra que no todo depende de mutaciones grandes de todo el genoma: pequeños cambios en la regulación de genes pueden tener efectos importantes.

Esto explicaría otras posibilidades de la evolución de las especies, que se produciría no solo por cambios genéticos al azar, sino también por respuestas flexibles al entorno que luego pueden volverse permanentes. Esta es la base de la asimilación genética, una teoría propuesta en la década de 1950 que, hasta ahora, contaba con "escasa evidencia experimental sobre sus posibles mecanismos moleculares". Según esta teoría, una respuesta "adaptativa y plástica" provocada por el ambiente termina, tras varias generaciones, grabándose en el ADN y manifestándose de forma hereditaria sin necesidad del estímulo externo original.

ENTORNO Y ENFERMEDAD MENTAL

Así, el estudio revela mecanismos de plasticidad neuronal que podrían ser comunes en animales más complejos. En este sentido, "el gen equivalente a mod-5/SERT en humanos está implicado en depresión, ansiedad o autismo", ha señalado Nuria Flames. "Entender cómo su expresión puede ser suprimida o activada epigenéticamente podría iluminar mecanismos presentes en nuestro propio cerebro y contribuir a comprender cómo el entorno influye en la vulnerabilidad a enfermedades mentales", ha avanzado.

Además, explicar cómo surgen nuevas funciones en células y organismos puede ayudar a entender mejor la diversidad de los sistemas nerviosos. Muestra cómo los seres vivos pueden adaptarse a cambios ambientales como la presencia de sustancias químicas, lo que podría aplicarse al estudio de la respuesta de organismos a cambios ecológicos debido al cambio climático.

También puede inspirar formas de controlar genes de manera flexible, activándolos o desactivándolos según el entorno, o utilizarlo como estrategia de control de gusanos parásitos en agricultura, ganadería y biomedicina.