Cómo expresan los genes las neuronas refleja cómo se activan ante estímulos

El patrón de expresión de las células nerviosas refleja su activación en respuesta a un estímulo

Amparo Tolosa, Genética Médica News

 

Un reciente trabajo de la Universidad de Harvard acaba de revelar que el patrón de expresión de las células nerviosas refleja en gran medida cómo se activan estas células en respuesta a estímulos, lo que podría contribuir a mejorar el estudio de la función cerebral y cómo se forman y almacenan los recuerdos.

 

expresión neuronas

El patrón de genes que expresan las neuronas refleja su activación frente a estímulos. Imagen: Shelley Halpain, UC San Diego.

 

El cerebro humano contiene cientos de miles de neuronas que forman redes interconectadas entre sí a través de las que se comunican por medio de señales eléctricas.  El genoma de las neuronas responde a la actividad nerviosa activando la expresión de genes que contribuyen a que los circuitos neuronales se renueven y adapten en respuesta a la experiencia y por tanto, a que se puedan formar y almacenar memorias.

Los investigadores han utilizado diferentes aproximaciones genómicas y de biología de sistemas para estudiar cómo se traduce la activación neuronal en diferentes estados de expresión génica para las neuronas.

El equipo analizó la expresión génica que ocurre a nivel global en las células nerviosas durante su activación y detectó que la duración de la actividad neuronal está relacionada con tres oleadas de inducción génica. Cuando la exposición a un estímulo es breve induce una actividad neuronal breve, que a su vez lleva a que únicamente se expresen los genes correspondientes a la primera oleada de inducción génica. Sin embargo, cuando hay actividad neuronal sostenida se activan sucesivamente los genes correspondientes a las tres oleadas génicas. “Cuánto más rápido es capaz de activarse un gen mayor es la probabilidad de que se active como respuesta a una actividad corta, señala Jesse Gray profesor en la Universidad de Harvard y uno de los directores del trabajo. “ Es intuitivo pero no sabíamos que era así como funciona.”

Además, los investigadores caracterizaron las señales que ocurren dentro de la célula durante las diferentes activaciones y observaron que la primera de las oleadas de expresión génica es diferente al resto. Esta primera ola de expresión inmediata tras el estímulo utiliza la ruta bioquímica MAPk/ERK, pero a diferencia de las otras no necesita que se produzcan las proteínas implicadas.

 

Los investigadores confían poder utilizar el mismo método para relacionar patrones de expresión en las neuronas con otras variables importantes para la comunicación y funcionamiento. Imagen: National Institute of Mental Health, NIH, EEUU.

 

Para confirmar que los resultados obtenidos en cultivo celular representaban adecuadamente lo que ocurre en un cerebro real, los investigadores diseñaron un experimento con ratones. En primer lugar mantuvieron a los animales en oscuridad, para eliminar cualquier actividad neuronal causada por la percepción de la luz. A continuación, expusieron a los animales a estímulos lumínicos de diferente duración, registraron la actividad de las neuronas de la corteza visual y analizaron la expresión génica. Al igual que ocurría en cultivo celular, el equipo detectó que exponer a los animales a una estímulo corto de luz activaba los genes de respuesta rápida. Por el contrario, cuando los animales eran expuestos durante más tiempo se activaban genes de las diferentes oleadas de expresión.

Si la duración de la exposición daba lugar a una activación que se reflejaba según un patrón de expresión génica concreto, ¿se podría estimar la duración de una exposición, a partir de la expresión génica de las células nerviosas? El equipo de investigadores utilizó herramientas bioinformáticas para entrenar a un ordenador a detectar actividad neuronal a partir de la expresión génica obtenida. Mediante esta herramienta pudieron  analizar la expresión génica en las neuronas (tanto en cultivo como en neuronas obtenidas de ratones tras la exposición a la luz) y determinar con un grado significativo de aciertos si había ocurrido actividad neuronal o no.

En el futuro los investigadores confían en poder utilizar la misma aproximación que se ha utilizado para relacionar los patrones de expresión con la duración de la actividad neuronal en el caso de otras variables importantes para la comunicación y funcionamiento de las neuronas: la frecuencia de activación y los periodos de activación con espacios entre ellos.

Puesto que la expresión génica regulada por la actividad neuronal está implicada en la formación de memorias a largo plazo, a partir de todos estos registros, el equipo confía en poder investigar mejor cómo se convierten los estímulos o las experiencias en memorias o acciones.

Investigación original: Tyssowski KM, et al. Different Neuronal Activity Patterns Induce Different Gene Expression Programs. Neuron. 2018 Apr 17. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2018.04.001

Fuente: The Written History of a Neuron. https://hms.harvard.edu/news/written-history-neuron

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