Investigadores trazan árbol genealógico de neuronas espinales

Investigadores trazan árbol genealógico de neuronas espinales

Nuevas formas de clasificar y estudiar las neuronas de la médula espinal podrían informar terapias para enfermedades o lesiones.

LA JOLLA—Las células nerviosas de la médula espinal que se ramifican a través del cuerpo se asemejan a árboles con ramas que se abren en abanico en todas direcciones. Pero esta imagen también se puede usar para contar la historia de cómo estas neuronas, cuyas funciones se volvieron más especializadas con el tiempo, surgieron a través de la historia del desarrollo y la evolución. Los investigadores de Salk, por primera vez, rastrearon el desarrollo de las neuronas de la médula espinal utilizando firmas genéticas y revelaron cómo los diferentes subtipos de células pueden haber evolucionado y, en última instancia, funcionar para regular los movimientos de nuestro cuerpo.

Los resultados, publicados en la revista Ciencia: el 23 de abril de 2021, ofrece a los investigadores nuevas formas de clasificar y etiquetar subconjuntos de células de la médula espinal para su posterior estudio, utilizando marcadores genéticos que diferencian las ramas del árbol genealógico de las células.

"Un estudio como este proporciona los primeros identificadores moleculares para que los científicos entren y estudien la función de las neuronas de la médula espinal de una manera mucho más precisa que nunca", dice el autor principal del estudio. samuel pff, profesor Salk y la cátedra Benjamin H. Lewis. "Esto también tiene implicaciones para el tratamiento de lesiones de la médula espinal".

Las neuronas espinales son responsables de transmitir mensajes entre la médula espinal y el resto del cuerpo. Los investigadores que estudian las neuronas espinales generalmente han clasificado las células en "clases cardinales", que describen en qué parte de la médula espinal aparece cada tipo de neurona por primera vez durante el desarrollo fetal. Pero, en un adulto, las neuronas dentro de cualquier clase cardinal tienen funciones y características moleculares variadas. Ha sido difícil estudiar pequeños subconjuntos de estas células para separar su diversidad. Sin embargo, comprender estas distinciones de subconjuntos es crucial para ayudar a los investigadores a comprender cómo las neuronas de la médula espinal controlan los movimientos y qué falla en las enfermedades neurogenerativas o en las lesiones de la médula espinal.

"Se sabe desde hace mucho tiempo que las clases cardinales, por muy útiles que sean, son incompletas para describir la diversidad de neuronas en la médula espinal", dice Peter Osseward, estudiante de posgrado en el laboratorio de Pfaff y coprimer autor de el nuevo artículo, junto con el ex estudiante de posgrado Marito Hayashi, ahora becario postdoctoral en la Universidad de Harvard.

Pfaff, Osseward y Hayashi recurrieron a tecnologías de secuenciación de ARN de una sola célula para analizar las diferencias en los genes que se activaban en casi 7,000 neuronas espinales diferentes de ratones. Usaron estos datos para agrupar células en grupos estrechamente relacionados de la misma manera que los científicos podrían agrupar organismos relacionados en un árbol genealógico.

El primer patrón importante de expresión génica que observaron dividió las neuronas espinales en dos ramas: neuronas relacionadas con los sentidos (que transportan información sobre el entorno a través de la médula espinal) y neuronas relacionadas con el motor (que transmiten órdenes motoras a través de la médula espinal). Esto sugiere que, en un organismo antiguo, uno de los primeros pasos en la evolución de la médula espinal pudo haber sido una división del trabajo de las neuronas espinales en roles motores versus sensoriales, dice Pfaff.

Cuando el equipo analizó las siguientes ramas en el árbol genealógico, encontraron que las neuronas relacionadas con los sentidos luego se dividieron en neuronas excitatorias e inhibidoras, una división que describe cómo la neurona envía información. Pero cuando los investigadores observaron las neuronas relacionadas con el motor, encontraron una división más sorprendente: las células se agruparon en dos grupos distintos según un nuevo marcador genético. Cuando el equipo tiñó células pertenecientes a cada grupo en la médula espinal, quedó claro que los marcadores diferenciaban las neuronas en función de si tenían conexiones de largo o corto alcance en el cuerpo. Otros experimentos revelaron que los patrones genéticos específicos de las propiedades de largo y corto alcance eran comunes en todas las clases cardinales probadas.

“La suposición en el campo era que las reglas genéticas de especificar neuronas de largo alcance frente a las de corto alcance serían específicas para cada clase cardinal”, dicen Osseward y Hayashi. "Así que fue realmente interesante ver que en realidad trascendía la clase cardinal".

La observación fue más que interesante, también resultó ser útil. Previamente, se podrían haber necesitado muchas etiquetas genéticas diferentes para acotar un tipo de neurona en particular que un investigador quería estudiar. El uso de tantos marcadores es un desafío técnico y en gran medida impidió que los investigadores estudiaran solo un subtipo de neurona de la médula espinal a la vez.

Con las nuevas reglas, solo se pueden usar dos etiquetas, un marcador previamente conocido para la clase cardinal y el marcador genético recientemente descubierto para propiedades de largo o corto alcance, para marcar poblaciones muy específicas de neuronas. Esto es útil, por ejemplo, para estudiar qué grupos de neuronas se ven afectados por una lesión de la médula espinal o una enfermedad neurodegenerativa y, eventualmente, cómo regenerar esas células en particular.

El origen evolutivo del árbol genealógico de las neuronas espinales estudiado en el nuevo artículo es probablemente muy antiguo porque los marcadores genéticos que descubrieron se conservan en muchas especies, dicen los investigadores. Entonces, aunque no estudiaron las neuronas espinales de animales que no fueran ratones, predijeron que los mismos patrones genéticos se verían en la mayoría de los animales vivos con médula espinal.

“Esta es una materia primordial, relevante para todo, desde los anfibios hasta los humanos”, dice Pfaff. “Y en el contexto de la evolución, estos patrones genéticos nos dicen qué tipo de neuronas podrían haberse encontrado en algunos de los organismos más primitivos”.

Otros autores del estudio fueron Neal Amin, Benjamin Temple, Bianca Barriga, Lukas Bachmann, Fernando Beltran, Miriam Gullo, Robert Clark y Shawn Driscoll de Salk; y Jeffrey Moore de la Universidad de Harvard. El trabajo fue apoyado por subvenciones del Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Christopher y Dana Reeve, la Fundación Benéfica Sol Goldman y los Institutos Nacionales de Salud.

DOI: 10.1126 / science.abe0690