sábado, 15 de septiembre de 2018

Como investigar las enfermedades mentales reprogramando células madre obtenidas de las piel de los enfermos




 

Llegando a la raíz del problema:

las células madre nos están revelando nuevos secretos 
sobre la enfermedad mental
Imagen: Riccardo Cassiani-Ingoni Getty Images



 El trastorno bipolar a estudio


Millones de individuos que sufren de trastorno bipolar dependen del litio. Esta medicación ha sido recetada durante medio siglo para ayudar a estabilizar los estados de ánimo de los pacientes y prevenir episodios maníacos o depresivos. Sin embargo, lo que hace en el cerebro -y por qué no funciona para algunas personas- ha permanecido en gran medida siendo un misterio.

Pero el año pasado, investigadores de San Diego descubrieron nuevos detalles sobre cómo el litio puede estabilizar los estados de ánimo, gracias a un enfoque defendido recientemente por un pequeño número de científicos que estudian la enfermedad mental. El equipo de San Diego utilizó técnicas de laboratorio establecidas para reprogramar las células de la piel de los pacientes, células capaces de convertirse en cualquier otro tipo, y luego químicamente las modificaron para que se convirtieran en células cerebrales.

Este proceso ahora proporciona los primeros suplentes reales para las células cerebrales de los humanos mentalmente enfermos, lo que permite experimentos directos sin precedentes. El equipo de San Diego ya utilizó esta técnica para mostrar que algunos casos de enfermos bipolares pueden tener más que ver con la regulación de determinadas proteínas que con los errores genéticos. Y otro laboratorio descubrió que la actividad de las células gliales (un tipo de célula cerebral que respalda la función neuronal) probablemente alimente la esquizofrenia, poniendo en cuestión la teoría de que el trastorno se debe principalmente a neuronas genéticamente defectuosas.

Esta nueva ola de investigación se basa en los experimentos ganadores de Nobel del investigador japonés Shinya Yamanaka sobre reprogramación celular de hace una década. Sus conclusiones históricas sobre la creación de células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) se han aplicado recientemente al estudio de las enfermedades mentales a medida que el campo ha madurado. "Lo que realmente ha despertado ese movimiento ahora ha sido la capacidad de producir células madre específicas para el paciente, y una vez que puedes hacerlo, todo tipo de enfermedades se vuelven susceptibles de investigación", según Steven Goldman, que se especializa en terapia celular y genética en el Centro Médico de la Universidad de Rochester.

Para llegar al fondo de por qué el litio ayuda a algunos pacientes bipolares, el científico de células madre Evan Snyder y sus colegas del Instituto Prebys Sanford Burnham querían examinar la formación de neuronas, comparando muestras de aquellas que responden a la medicación y aquellas que no. El equipo obtuvo células cutáneas normales de personas en ambos grupos y las transformó en iPSCs y luego en células cerebrales. "Cuando se reprograman células en iPSCs se pierden todos los marcadores de edad, independientemente de la edad que tenga", según Kristen Brennand, bióloga de células madre de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai. "Podemos ver el riesgo de enfermedad en una placa de laboratorio sin ningún impacto de cosas como el abuso de drogas o el trauma adolescente o la infección de la madre durante el embarazo, así que todo lo que tenemos es el riesgo genético que existía cuando el esperma se encontró con el ovulo".

Con estos modelos desarrollados en laboratorio, Snyder y su equipo pudieron comparar cómo maduraron las neuronas en los dos grupos bipolares. También se pudieron explorar las vías moleculares de las células para obtener posibles explicaciones sobre cómo funciona el litio y por qué. Finalmente descubrieron que una proteína llamada CRMP2, que regula las redes neuronales y se encuentra dentro de las neuronas, parece jugar un papel descomunal en la influencia de si el litio ayuda o no a los pacientes.

El litio, concluyeron, hace que la proteína CRMP2 actúe normalmente. Aparentemente, la proteína actúa con lentitud en algunos pacientes bipolares, lo que dificulta la capacidad de las neuronas para formar espinas dendríticas, pequeñas protuberancias que ocurren en los bordes de las células nerviosas que son necesarias para la comunicación neuronal.

El problema, según los investigadores, no es causado por un gen anormal o errores en la capacidad de respuesta de un gen, o incluso la cantidad de proteína que produce un gen. En cambio, se debe a cambios en la forma, el peso o la carga eléctrica de la proteína. Esto hace que la enfermedad bipolar que responde al litio sea el primer trastorno confirmado de la salud mental alimentado no por una mutación genética, sino más bien por los tropiezos en la "modificación postraduccional" de una proteína, según Snyder. Él sospecha que los casos de trastorno bipolar que no responden a la droga en realidad comprenden una enfermedad diferente por completo.

Al analizar estos hallazgos, los investigadores ahora pueden intentar desarrollar alternativas al litio que restablezcan la actividad de la proteína CRMP2, pero solo actúen sobre esa vía proteica, lo que permitiría a los pacientes evitar los efectos secundarios problemáticos que pueden surgir cuando el litio alcanza objetivos inapropiados. (El litio puede, por ejemplo, causar deficiencias de memoria y deficiencias en las habilidades motoras finas).


El trastorno de la esquizofrenia, el autismo y otros



Un problema al estudiar la enfermedad mental siempre ha sido que el cerebro no es muy accesible mientras el paciente está vivo. Pero los científicos están encontrando algunas formas de soslayarlo: durante la última década, por ejemplo, los estudios de desencriptado del genoma completo han ayudado a vincular ciertas mutaciones genéticas a trastornos específicos. Pero ese trabajo dejó muchos misterios sobre las causas de las enfermedades mentales como la esquizofrenia, el autismo y otros, que parecen estar relacionadas con multitud de genes. Los estudios en animales a menudo pueden ayudar, pero los científicos no pueden saber si un ratón criado para tener ciertas características de esquizofrenia es realmente un ratón esquizofrénico.

El trabajo con células madre pluripotentes inducidas ha ayudado a cambiar la forma en que los investigadores están abordando el estudio sobre la esquizofrenia. Goldman y algunos colegas informaron en su publicación que las células gliales desempeñan un papel central en el trastorno. Los investigadores obtuvieron células madre a partir de la piel de sujetos esquizofrénicos y sanos, los convirtieron en células progenitoras gliales y mostraron que solo las obtenidas de los pacientes con enfermedades mentales alteraban el comportamiento de los ratones a los que se les implantaron. Estos ratones desarrollaron síntomas similares a los de algunos humanos con esquizofrenia, incluyendo inhibición reducida, aislamiento social y ansiedad excesiva.

Aprovechar las células madre es particularmente emocionante porque puede combinarse con métodos tradicionales para estudiar la enfermedad mental, de acuerdo con los especialistas en el campo. Por ejemplo, una vez que los investigadores identifican las células que creen que son significativas, pueden colocarlas en modelos de ratón (como hizo Goldman), viendo cómo afectan al comportamiento de estas quimeras de roedores humanos. "En estos casos, estamos convirtiendo el cerebro del ratón en un tubo de ensayo vivo", según Goldman.

Los científicos también pueden comparar las células de un paciente esquizofrénico y un paciente mentalmente sano, y buscar diferencias anatómicas. "Estas tecnologías nos han dado una ventaja que no teníamos hace años", agrega Goldman. Los investigadores también están conectando la tecnología de células madre iPSCs con técnicas de edición de genes para crear poblaciones celulares con mutaciones genéticas específicas o para analizar si determinadas mutaciones genéticas causan ciertos problemas.

Los objetivos tentadores de todo este trabajo con células madre, son la generación de medicamentos personalizados para pacientes individuales y el poder analizar rápidamente el efecto de los medicamentos existentes en las células de los pacientes, determinando a priori la idoneidad de la medicación. Un mundo nuevo en el tratamiento de las enfermedades mentales.





Basado en:
 Probing the lithium-response pathway in hiPSCs implicates the phosphoregulatory set-point for a cytoskeletal modulator in bipolar pathogenesis

Human iPSC Glial Mouse Chimeras Reveal Glial Contributions to Schizophrenia.


sábado, 8 de septiembre de 2018

Encontrados genes únicos en los humanos ligados a cerebros más grandes





cortical organoid

Organoide cortical, que muestra las células madre gliales radiales (verde)
 y las neuronas corticales (rojas).
Imagen: Sofie Salama, Universidad de California, Santa Cruz


Al buscar la respuesta biológica a la pregunta de qué significa ser humano, la corteza cerebral es un buen lugar para comenzar. Esta capa externa densamente plegada de materia gris, que es mucho más grande en Homo sapiens que en otros primates, desempeña un papel esencial en la conciencia, el lenguaje y el razonamiento humanos.

Ahora, un equipo de investigadores  ha identificado un conjunto clave de genes, que se encuentran solo en humanos, y que pueden ayudar a explicar por qué nuestra especie posee una corteza cerebral tan grande. La evidencia experimental muestra que estos genes prolongan el desarrollo de células madre que generan neuronas en la corteza cerebral, lo que a su vez permite que el cerebro humano produzca neuronas corticales más maduras y, por lo tanto, construya una corteza cerebral más grande que nuestros compañeros primates.

Eso suena como una gran ventaja para los humanos. Pero hay un inconveniente. Los investigadores encontraron que los mismos cambios genómicos que facilitaron la expansión de la corteza humana, también pueden hacer que nuestra especie sea más susceptible a ciertos trastornos raros del neurodesarrollo.

Esta notable historia de descubrimiento comenzó en 2012 cuando Frank Jacobs, un investigador postdoctoral que trabajaba con David Haussler y Sofie Salama en la Universidad de California, Santa Cruz, desarrolló pequeños grumos  de corteza cerebral en placas  de laboratorio. Jacobs estimuló a las células madre gliales radiales de los humanos y los macacos rhesus para que se diferenciaran en neuronas corticales. Esas neuronas corticales llegaron a formar grumos de corteza de múltiples capas, que han sido llamados organoides corticales. El objetivo era examinar la actividad de los genes dentro de los organoides en desarrollo en busca de diferencias notables entre los cerebros de los seres humanos y de los macacos.

Un lugar obvio para mirar eran los llamados genes de señalización Notch, conocidos desde hace mucho tiempo por su papel en el desarrollo del cerebro. Jacobs notó que la señal de Notch parecía ser más fuerte y más prolongada en humanos que en los organoides de macaco en las primeras semanas de desarrollo. Aún más intrigante fue un gen, llamado NOTCH2NL. Si bien es muy activo en los organoides humanos en desarrollo, ese gen faltaba por completo en los macacos.


Como se publicó recientemente en la revista Cell, el equipo de Haussler descubrió que NOTCH2NL reside en el brazo largo del cromosoma 1. Esta región del cromosoma se conoce como un sitio de defectos genéticos asociados con trastornos conocidos colectivamente como síndromes de duplicación o microdeleción 1q21.1. 

Los estudios han demostrado que las copias adicionales de ADN en esta región se asocian con macrocefalia (cabeza y cerebro anormalmente grandes) y trastorno del espectro autista, mientras que las eliminaciones conducen a microcefalia (cabeza y cerebro anormalmente pequeños) y esquizofrenia. Eso parecía encajar con lo que el equipo de Haussler sabía sobre NOTCH2NL. Pero había un problema: la secuencia de referencia del anteproyecto genético humano, completada hace unos 15 años como parte del Proyecto Genoma Humano y actualizada periódicamente, colocaba el gen NOTCH2NL recién descubierto cerca, pero no dentro, de esta irritante  porción del genoma.

Pero tras una resecuenciación  del genoma, esta porción particular del genoma humano se descubrió que incluía secuencias altamente repetitivas, lo que hace que la secuenciación exacta sea especialmente difícil. Y, resultó que este es uno de esos casos inusuales en los que la secuencia de referencia humana había sido incorrecta. NOTCH2NL se encuentra dentro del tramo de ADN duplicado o eliminado en personas con síndromes 1q21.1.

De hecho, como ahora informan Haussler y sus colegas, el genoma humano incluye tres copias casi idénticas de NOTCH2NL. Los llaman NOTCH2NL A, B y C. La nueva evidencia muestra que esas copias de genes duplicados surgieron de una copia original de NOTCH2 (uno de los cuatro genes Notch de mamíferos previamente conocidos) que apareció hace unos 10 millones de años en el ancestro común de los humanos, chimpancés y gorilas.

Al principio, ese duplicado parcial era completamente no funcional. Pero, en el linaje humano, esa copia inútil del gen extra se reescribió o se "corrigió " usando el NOTCH2 original como plantilla, dando al Homo una copia de trabajo adicional que no se encuentra en otros primates. Este nuevo gen  Notch se duplicó posteriormente dos veces más en los últimos millones de años, en paralelo a  la evidencia fósil que muestra que el cerebro humano continuó evolucionando y expandiéndose.

En otra serie de experimentos, el equipo de Haussler usó la herramienta de edición de genes CRISPR / Cas9 para eliminar los genes NOTCH2NL de las células madre humanas. Cuando esas células editadas se usaron para cultivar organoides corticales, las células madre se diferenciaron y maduraron más rápido para producir organoides más pequeños. Cuando los genes se insertaron en células de ratón embrionarias, aumentaron la señal de Notch para retrasar la maduración neural. Un artículo complementario en el mismo número de la revista  Cell dirigido por un equipo de Bélgica también ofrece evidencia altamente complementaria para el papel de NOTCH2NL en la expansión de la corteza cerebral en los seres humanos.

Se sabe que las personas con duplicaciones o eliminaciones en la región 1q21.1 tienen una amplia gama de síntomas neurológicos, que incluyen TDAH, trastorno del espectro autista, discapacidades intelectuales y ansiedad. Algunos también tienen microcefalia o macrocefalia. A pesar de ser un gen muy estudiado, con anterioridad  no se había considerado el papel fundamental del gen NOTCH2NL en estos trastornos debido a ese error en la secuenciación del genoma humano de referencia, que colocó el gen fuera del área relevante.

Para explorar más esta posibilidad, los investigadores volvieron a analizar los  datos que mostraban variaciones en el número de copias de genes en 11 pacientes con microcefalia o macrocefalia que previamente no habían podido ser  explicados. Descubrieron que a los nueve pacientes con microcefalia les faltaban una o más copias de NOTCH2NL. Los dos pacientes con macrocefalia mostraron todo lo contrario: copias adicionales de NOTCH2NL.


Resultado de imagen de NOTCH2NL
Evolución del NOTCH2NL
El NOTCH2NL en el desarrollo cortical temprano
Variación en el número de copias en los desordenes 1q21.1


Curiosamente, los datos de secuenciación de ADN también mostraron que estos genes NOTCH2NL varían incluso en personas sanas. Haussler dice que su equipo ha encontrado hasta ahora ocho versiones diferentes del gen NOTCH2NL, y seguramente hay más. También está claro que algunas personas, como los padres de niños con síndromes 1q21.1, probablemente llevan deleciones o duplicaciones en los genes NOTCH2NL sin ningún síntoma neurológico aparente.

En otras palabras, hay mucho más para aprender sobre las variaciones en estos genes y sus efectos sobre la estructura y función de nuestros cerebros. También hay muchos más genes para estudiar y explorar de manera similar. Cuando se trata de nuestra comprensión del cerebro humano, estamos en  un momento absolutamente extraordinario.


Basado en:

Human-specific NOTCH2NL genes affect Notch signaling and cortical neurogenesis.  Fiddes IT, Lodewijk GA, Mooring M, Bosworh CM, Ewing AD, Salama SR, Jacobs FMJ, Haussler D, et al. Cell. 2018 May 31;173(6):1356-1369.

Human-specific NOTCH2NL genes expand cortical neurogenesis through Delta/Notch regulation.  Suzuki IK, Gacquer D, Van Heurck, Kumar D, Wonjo M, Bilheu A, Herpoel A, Lambert N, Cheron J, Polleux F, Detours V, Vanderhaeghen P. Cell. 2018 May 31;173(6):1370-1384.