Cómo una única alteración genética pudo haber separado a los humanos modernos de sus predecesores

Como profesora de pediatría y medicina celular y molecular en la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego, Alysson R. Muotri, PhD, ha estudiado durante mucho tiempo cómo se desarrolla el cerebro y qué falla en los trastornos neurológicos. Durante casi el mismo tiempo, también ha sentido curiosidad por la evolución del cerebro humano: ¿qué cambio que nos hace tan diferentes de los anteriores neandertales y denisovanos, nuestros parientes evolutivos más cercanos, ahora extintos?
Los estudios evolutivos se basan en gran medida en dos herramientas, la genética y el análisis de fósiles, para explorar cómo cambia una especie con el tiempo. Pero ninguno de los enfoques puede revelar mucho sobre el desarrollo y la función del cerebro porque los cerebros no se fosilizan, dijo Muotri. No hay registro físico para estudiar.
Entonces, Muotri decidió probar las células madre, una herramienta que no se aplica a menudo en las reconstrucciones evolutivas. Las células madre, precursoras autorrenovables de otros tipos de células, se pueden utilizar para construir organoides cerebrales, "mini cerebros" en un plato de laboratorio. Muotri y sus colegas han sido pioneros en el uso de células madre para comparar humanos con otros primates, como chimpancés y bonobos, pero hasta ahora no se creía posible una comparación con especies extintas.
En un estudio publicado el 11 de febrero de 2021 en Science, el equipo de Muotri catalogó las diferencias entre los genomas de diversas poblaciones humanas modernas y los neandertales y denisovanos, que vivieron durante la época del Pleistoceno, hace aproximadamente 2,6 millones a 11,700 años. Imitando una alteración que encontraron en un gen, los investigadores utilizaron células madre para diseñar organoides cerebrales "neandertales".
"Es fascinante ver que una alteración de un solo par de bases en el ADN humano puede cambiar la forma en que se conecta el cerebro", dijo Muotri, autor principal del estudio y director del Programa de Células Madre de UC San Diego y miembro del Consorcio Sanford para Medicina regenerativa. "No sabemos exactamente cómo y cuándo en nuestra historia evolutiva ocurrió ese cambio. Pero parece ser significativo y podría ayudar a explicar algunas de nuestras capacidades modernas en comportamiento social, lenguaje, adaptación, creatividad y uso de la tecnología".
El equipo encontró inicialmente 61 genes que diferían entre los humanos modernos y nuestros parientes extintos. Uno de estos genes alterados, NOVA1, llamó la atención de Muotri porque es un regulador genético maestro que influye en muchos otros genes durante el desarrollo temprano del cerebro. Los investigadores utilizaron la edición de genes CRISPR para diseñar células madre humanas modernas con la mutación similar al neandertal en NOVA1. Luego persuadieron a las células madre para que formaran células cerebrales y, en última instancia, organoides cerebrales neandertales.

Los organoides cerebrales son pequeños grupos de células cerebrales formadas por células madre, pero no son exactamente cerebros (por un lado, carecen de conexiones con otros sistemas de órganos, como los vasos sanguíneos). Sin embargo, los organoides son modelos útiles para estudiar la genética, el desarrollo de enfermedades y las respuestas a infecciones y fármacos terapéuticos. El equipo de Muotri incluso ha optimizado el proceso de construcción de organoides cerebrales para lograr ondas oscilatorias eléctricas organizadas similares a las producidas por el cerebro humano.
Los organoides cerebrales neandertales se veían muy diferentes a los organoides cerebrales humanos modernos, incluso a simple vista. Tenían una forma claramente diferente. Mirando más profundamente, el equipo descubrió que los organoides cerebrales modernos y neandertales también difieren en la forma en que proliferan sus células y en cómo se forman sus sinapsis, las conexiones entre las neuronas. Incluso las proteínas implicadas en las sinapsis diferían. Y los impulsos eléctricos mostraron una mayor actividad en etapas anteriores, pero no se sincronizaron en redes en organoides cerebrales neandertalizados.
Según Muotri, los cambios en la red neuronal en los organoides cerebrales neandertales son paralelos a la forma en que los primates no humanos recién nacidos adquieren nuevas habilidades más rápidamente que los recién nacidos humanos.
"Este estudio se centró en un solo gen que difería entre los humanos modernos y nuestros parientes extintos. A continuación, queremos echar un vistazo a los otros 60 genes y qué sucede cuando cada uno, o una combinación de dos o más, se altera", Muotri dicho.
"Esperamos con ansias esta nueva combinación de biología de células madre, neurociencia y paleogenómica. La capacidad de aplicar el enfoque comparativo de los humanos modernos a otros homínidos extintos, como los neandertales y los denisovanos, utilizando organoides cerebrales que llevan variantes genéticas ancestrales es completamente nuevo campo de estudio ".
Para continuar con este trabajo, Muotri se ha asociado con Katerina Semendeferi, profesora de antropología en UC San Diego y coautora del estudio, para codirigir el nuevo Centro de Arquealización de UC San Diego, o ArchC.

"Fusionaremos e integraremos este increíble trabajo de células madre con comparaciones anatómicas de varias especies y condiciones neurológicas para crear hipótesis posteriores sobre la función cerebral de nuestros parientes extintos", dijo Semendeferi. "Este enfoque de neuroarquealización complementará los esfuerzos para comprender la mente de nuestros antepasados ​​y parientes cercanos, como los neandertales".
Los coautores del estudio incluyen: Cleber A. Trujillo, Isaac A. Chaim, Emily C. Wheeler, Assael A. Madrigal, Justin Buchanan, Sebastian Preissl, Allen Wang, Priscilla D. Negraes y Ryan Szeto, UC San Diego; Edward S. Rice, Nathan K. Schaefer, Ashley Byrne, Maximillian Marin, Christopher Vollmers, Angela N. Brooks, Richard E. Green, UC Santa Cruz; Roberto H. Herai, Pontifícia Universidade Católica do Paraná; Alik Huseynov, Imperial College London; Mariana S.A. Ferraz, Fernando da S. Borges, Alexandre H. Kihara, Universidade Federal do ABC; Jonathan D. Lautz, Stephen E.P. Smith, Instituto de Investigación Infantil de Seattle y Universidad de Washington; Beth Shapiro, UC Santa Cruz y el Instituto Médico Howard Hughes; y Gene W. Yeo, UC San Diego, Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación (Singapur) y Universidad Nacional de Singapur.
La financiación para esta investigación provino, en parte, de la Neanderthal Brain Foundation, National Institutes of Health (subvenciones U19MH1073671, K12GM068524, K01AA026911), Brain and Behavior Research Foundation (NARSAD Independent Investigator Grant), National Science Foundation (subvención 1754451), Gordon y Fundación Betty Moore (subvención GBMF3804), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes, Brasil), FAPESP (Fundación de Investigación de São Paulo, subvención 2017 / 26439-0), CNPq (Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico de Brasil, subvenciones 431000 / 2016-6, 312047 / 2017-7) y Fundación Loulou.
Divulgación: Alysson R. Muotri es cofundadora y tiene participación accionaria en TISMOO, una empresa dedicada al análisis genético y modelado de organoides cerebrales que se centra en aplicaciones terapéuticas personalizadas para el trastorno del espectro autista y otros trastornos neurológicos de origen genético. Los términos de este acuerdo han sido revisados ​​y aprobados por la Universidad de California en San Diego de acuerdo con sus políticas de conflicto de intereses.

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