El cableado complejo del sistema nervioso puede depender de solo un puñado de genes y proteínas

El cableado complejo del sistema nervioso puede depender de solo un puñado de genes y proteínas

Descubrimiento proporciona pistas sobre el desarrollo de enfermedades neurológicas y cáncer

LA JOLLA, CA—Los investigadores del Instituto Salk han descubierto una característica sorprendente del desarrollo temprano del cerebro que ayuda a explicar cómo se programan los complejos patrones de cableado de las neuronas usando solo un puñado de genes críticos. Los hallazgos, publicados en Celular, puede ayudar a los científicos a desarrollar nuevas terapias para los trastornos neurológicos, como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), y brindar información sobre ciertos tipos de cáncer.

Los investigadores de Salk descubrieron que solo unas pocas proteínas en el borde delantero del axón de una neurona motora, su "cable" eléctrico saliente, y dentro de la sopa extracelular por la que viaja, guían el nervio a medida que emerge de la médula espinal. Estas moléculas pueden atraer o repeler el axón, según el camino largo y sinuoso que deba tomar para finalmente conectarse con su músculo objetivo.

“La neurona en ciernes tiene que detectar el entorno local en el que está creciendo y decidir dónde está, y si crecer en línea recta, moverse hacia la izquierda o hacia la derecha o detenerse”, dice el investigador principal del estudio, sam pff, profesor en Salk's Laboratorio de Expresión Génica y un investigador del Instituto Médico Howard Hughes.

Esta imagen muestra los nervios (marcados en verde) que controlan los movimientos del cuerpo que emergen de la médula espinal de un ratón (arriba a la izquierda, en sección transversal) y se conectan a los músculos de la base de la pierna.

Los investigadores de Salk descubrieron que una combinación de genes hace que los nervios se dividan en la pierna (abajo a la derecha) para hacer las conexiones adecuadas con los músculos objetivo durante el desarrollo temprano.

Imagen: Cortesía de Dario Bonanomi, Instituto Salk de Estudios Biológicos

“Hace esto mezclando y combinando solo un puñado de productos proteicos para crear complejos que le dicen a una neurona en crecimiento qué camino tomar, de la misma manera que un automóvil usa las señales de GPS que recibe para guiarlo a través de una ciudad desconocida”, dijo. dice.

El cerebro contiene millones de veces la cantidad de conexiones neuronales que la cantidad de genes que se encuentran en el ADN de las células cerebrales. Este es uno de los primeros estudios que trata de comprender cómo una neurona en crecimiento integra muchas piezas diferentes de información para navegar hasta su objetivo final y establecer una conexión funcional.

“Nos enfocamos en las neuronas motoras que controlan los movimientos musculares, pero sucede lo mismo a lo largo del desarrollo embrionario de todo el sistema nervioso, durante el cual millones de axones toman billones de decisiones a medida que se mueven hacia sus objetivos”, dice. “Es la exquisita especificidad con la que crecen lo que subyace en la arquitectura básica y el funcionamiento adecuado del sistema nervioso”.

Estos hallazgos podrían eventualmente arrojar nueva luz sobre una serie de trastornos clínicos relacionados con el funcionamiento defectuoso de las células nerviosas, como la ELA, que también se conoce como enfermedad de Lou Gehrig, dice el primer autor del artículo, Dario Bonanomi, investigador postdoctoral en Laboratorio de Pfaff.

“Estas son las neuronas motoras que mueren en enfermedades como la enfermedad de Lou Gehrig y que están relacionadas con un trastorno genético en los niños conocido como atrofia de los músculos espinales”, dice Bonanomi.

"También es un punto de partida para tratar de comprender la base de los defectos que pueden surgir durante el desarrollo fetal del sistema nervioso", añadió. "Una mejor comprensión de esas señales podría ayudar a poder regenerar y volver a cablear los circuitos después de enfermedades o lesiones del sistema nervioso".

Los investigadores dicen que el estudio también ofrece información sobre el desarrollo del cáncer, porque una proteína que los investigadores encontraron que es crucial para el sistema de señalización de "empujar y tirar", Ret, también está relacionada con el cáncer. Las mutaciones que activan Ret están vinculadas a varios tipos diferentes de tumores.

Los otros receptores de proteínas descritos en el estudio, conocidos como Ephs, también han sido implicados en el cáncer, dice Pfaff.

"Este estudio sugiere que la forma en que las células detectan señales en su entorno es probablemente una estrategia universal", dice, "y sabemos que los genes y las proteínas que se sabe que funcionan principalmente durante el desarrollo embrionario se han relacionado con el cáncer".

“Controlar el crecimiento neuronal requiere moléculas de señalización muy potentes, y tiene sentido que estén relacionadas con enfermedades”, dice Pfaff. "Esperamos que nuestros hallazgos ayuden a desentrañar aún más estas conexiones".

El estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidente Cerebrovascular y por el Instituto Médico Howard Hughes.

Los coautores incluyen, de Salk, Onanong Chivatakar, Ge Bai y Karen Lettieri; Houari Abdesselem y Brian A. Pierchala, de la Facultad de Odontología de la Universidad de Michigan; y Till Marquardt, del Instituto Europeo de Neurociencias-Göttingen, en Alemania.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.