Las neuronas humanas juegan el juego de la espera

CLa maduración elular implica cambios transcripcionales, metabólicos y fisiológicos que impulsan la función celular. En las neuronas humanas, este proceso lleva más tiempo que en la mayoría de los otros tipos de células, y dura casi dos décadas para algunas células neuronales.¹ Una hipótesis sugiere que esta maduración prolongada contribuye a la características unicas del cerebro humano.² “La razón por la que no sabemos si esto es cierto es porque no hemos podido estudiar experimentalmente la influencia del momento del desarrollo en el resultado de un circuito neuronal”, dijo Pierre Vanderhaeghenneurobiólogo del Instituto Vlaams de Biotecnología.

Ahora, en un periódico publicado en Naturalezaun equipo del Centro Oncológico Memorial Sloan Kettering demostró que un mecanismo epigenético controla la maduración de las neuronas humanas actuando como una barrera transcripcional.³ Aprender estos procesos en el desarrollo del cerebro podría mejorar los modelos y abrir oportunidades para estudiar los trastornos cerebrales.

Gabriele Ciceri, autor del estudio y biólogo del desarrollo del Memorial Sloan Kettering Cancer Center, y sus colegas investigaron los mecanismos subyacentes de la maduración neuronal en las neuronas humanas. “Este ritmo que se caracteriza en las diferentes especies in vivo se mantiene en modelos in vitro, lo que sugiere que quizás haya un componente intrínseco, es decir, un mecanismo parecido a un reloj que le dice a las células a qué velocidad deben someterse a un determinado proceso”. él dijo.

Para estudiar los controles celulares de la maduración neuronal, Ciceri y su equipo primero necesitaron desarrollar un método para cultivar células madre pluripotentes humanas (hPSC) en neuronas sincronizadas en el tiempo. Inhibieron dos vías que promueven celular diferenciación en hPSC para generar células precursoras neuronales de la misma edad.^4,5 Luego, los investigadores diferenciaron esta población en neuronas.

Con estos cultivos de neuronas sincronizadas, el equipo observó su madurez gradual durante 100 días monitoreando el desarrollo de sinapsis, la longitud celular y las propiedades eléctricas. Mediante el uso de secuenciación de ARN y ensayo para la secuenciación de cromatina accesible a transposasa (ATAC), demostraron que genes con funciones en la excitabilidad y conectividad de las neuronas, así como en procesos metabólicos e inmunológicos, se activan de manera progresiva.

Los investigadores observaron que un conjunto de genes implicados en la organización de la cromatina y las vías epigenéticas en las células precursoras se regulaban negativamente durante el período de maduración e investigaron su implicación en el control de este proceso. Eliminaron una selección de estos genes individualmente en las neuronas. La pérdida de reguladores de la cromatina en las primeras etapas de la maduración neuronal aumentó la expresión de los marcadores de maduración y aumentó la actividad eléctrica en una fase más temprana del desarrollo celular. Los investigadores demostraron que las células precursoras expresaban la mayoría de estos reguladores, lo que indica que están presentes en la diferenciación de las células madre.

A continuación, el equipo utilizó inhibidores farmacológicos para bloquear las enzimas modificadoras de histonas durante una parte del cultivo en células precursoras. La inhibición de tres de estas proteínas de forma independiente dio lugar a una maduración acelerada de las neuronas. El equipo se centró en el papel de una proteína, el potenciador del homólogo 2 de zeste (EZH2), debido a su potente efecto en el control de la maduración neuronal. Cuando los investigadores inhibieron EZH2 en el desarrollo de células precursoras, las neuronas tenían más potenciales de acción, marcadores de sinapsis y expresión de ARN de maduración en comparación con las células no tratadas.

Debido a que EZH2 modifica las histonas unidas al ADN con la adición de grupos metilo, los investigadores investigaron distintas modificaciones de histonas en células precursoras y neuronales durante la maduración y sus relaciones con la transcripción de maduración. En las células precursoras, algunos genes implicados en las sinapsis exhibieron patrones de histonas tanto inhibidores como activos, lo que indica genes que estaban en estados de equilibrio. Otros genes coincidieron con firmas epigenéticas inhibidoras en momentos anteriores, pero más tarde en la maduración, asociadas con modificaciones de histonas que marcaron la transcripción activa. La inhibición de EZH2 redujo la presencia de modificaciones inhibidoras en las neuronas tempranas.

Además de modular directamente la expresión de genes de maduración, el equipo demostró que existen genes para otros reguladores de la cromatina en estados de equilibrio en neuronas precursoras mantenidas por una modificación inhibidora de histonas dependiente de EZH2. La maduración normal de las neuronas o la inhibición de EZH2 dio como resultado la activación de estos reguladores, lo que contribuyó al desarrollo celular. “De alguna manera estábamos liberando este freno y permitiendo que todos esos genes de maduración se expresaran a un ritmo más rápido”, dijo Ciceri.

Vanderhaeghen, que no participó en el estudio, consideró convincentes los datos que muestran la influencia de los reguladores de la cromatina en la tasa de maduración neuronal. Sin embargo, le interesa saber cómo otros factores, como metabolismointeractúa con esta barrera observada.⁶ “Si piensas en esto como un reloj, ¿es este un reloj o varios relojes que interactúan entre sí?” preguntó.

Ciceri espera que los hallazgos y métodos de este estudio ayuden a otros en el campo a investigar la actividad neuronal y el desarrollo en estados de maduración más consistentes. Esto también podría resultar útil para estudiar neuronas de otras regiones del cerebro y comparar tasas de maduración en diferentes especies. “También estoy interesado en comprender un poco más sobre el mecanismo de regulación de este tipo de relojes epigenéticos”, dijo Ciceri.

Referencias

1. Marchetto MC, et al. Perfiles de maduración específicos de especies de células neurales humanas, chimpancés y bonobos.. eVida. 2019;8:e37527
2. Sousa AMM, et al. Evolución de la función, estructura y desarrollo del sistema nervioso humano.. 2017;170(2):226-247
3. Ciceri G, et al. Una barrera epigenética marca el momento de la maduración neuronal humana. Naturaleza. 2024;626:881-890
4. Chambers SM, et al. La inhibición combinada de moléculas pequeñas acelera el desarrollo y convierte las células madre pluripotentes humanas en nociceptores. Nat Biotecnología. 2012;30:715-720
5. Maroof AM, et al. Diferenciación dirigida y maduración funcional de interneuronas corticales a partir de células madre embrionarias humanas.. Célula madre celular. 2013;12(5):559-572
6. Iwata R, et al. El metabolismo de las mitocondrias establece el ritmo de desarrollo neuronal específico de cada especie. Ciencia. 2023;379(6632):abn4705