Se ha pensado que cada célula del cuerpo de un individuo posee el mismo código de ADN, y que la forma particular en que se “interpreta” ese genoma indica la función celular y define a cada persona.
Para muchos tipos de células de nuestro cuerpo, sin embargo, este concepto resulta una simplificación excesiva. Investigaciones realizadas en la última década sobre los genomas neuronales han revelado, por ejemplo, la existencia de cromosomas adicionales o ausentes; o de fragmentos de ADN que pueden replicarse y pegarse a sí mismos a través de esos genomas.
La única manera de saber con certeza que las neuronas de un mismo individuo portan un ADN único es perfilando los genomas de sus células individuales, en lugar del genoma de poblaciones celulares, que lo que arroja es un promedio.
Ahora, usando la secuenciación de una sola célula, investigadores del Salk Institute for Biological Studies de Estados Unidos y sus colaboradores han demostrado que las estructuras genómicas de las neuronas individuales difieren entre sí, incluso más de lo que se esperaba. El hallazgo ha aparecido publicado en Science.
Un mosaico de ADN
"Al contrario de lo que alguna vez pensamos, la composición genética de las neuronas del cerebro no es idéntica, sino que forma un mosaico de ADN", explica Fred Gage, uno de los autores de la investigación, en un comunicado de dicho Instituto.
En el estudio, dirigido por Mike McConnell, los investigadores aislaron unas 100 neuronas de tres personas tras su muerte y observaron todo su genoma para buscar las llamadas variaciones en el número de copias (CNV), que son segmentos de ADN cuyo número de copias es variable si se compara con un genoma de referencia.
Descubrieron así que hasta un 41% de las neuronas analizadas tenían al menos una única y masiva CNV surgida espontáneamente, esto es, no transmitida por un progenitor. Estas variaciones en el número de copias se extendían por todo el genoma.
Para muchos tipos de células de nuestro cuerpo, sin embargo, este concepto resulta una simplificación excesiva. Investigaciones realizadas en la última década sobre los genomas neuronales han revelado, por ejemplo, la existencia de cromosomas adicionales o ausentes; o de fragmentos de ADN que pueden replicarse y pegarse a sí mismos a través de esos genomas.
La única manera de saber con certeza que las neuronas de un mismo individuo portan un ADN único es perfilando los genomas de sus células individuales, en lugar del genoma de poblaciones celulares, que lo que arroja es un promedio.
Ahora, usando la secuenciación de una sola célula, investigadores del Salk Institute for Biological Studies de Estados Unidos y sus colaboradores han demostrado que las estructuras genómicas de las neuronas individuales difieren entre sí, incluso más de lo que se esperaba. El hallazgo ha aparecido publicado en Science.
Un mosaico de ADN
"Al contrario de lo que alguna vez pensamos, la composición genética de las neuronas del cerebro no es idéntica, sino que forma un mosaico de ADN", explica Fred Gage, uno de los autores de la investigación, en un comunicado de dicho Instituto.
En el estudio, dirigido por Mike McConnell, los investigadores aislaron unas 100 neuronas de tres personas tras su muerte y observaron todo su genoma para buscar las llamadas variaciones en el número de copias (CNV), que son segmentos de ADN cuyo número de copias es variable si se compara con un genoma de referencia.
Descubrieron así que hasta un 41% de las neuronas analizadas tenían al menos una única y masiva CNV surgida espontáneamente, esto es, no transmitida por un progenitor. Estas variaciones en el número de copias se extendían por todo el genoma.
Diferencias también en neuronas derivadas
Para que pueda ser secuenciada, la minúscula cantidad de ADN presente en una sola célula debe ser químicamente amplificada muchas veces. Este proceso es técnicamente difícil, por lo que el equipo pasó un año descartando posibles fuentes de error en el proceso.
"Una buena parte de nuestro estudio ha consistido en hacer experimentos de control para demostrar que esto no es un producto artificial", explica Gage. "Tuvimos que hacerlo porque resulta sorprendente descubrir que las neuronas individuales del cerebro tienen diferente contenido de ADN."
El grupo encontró asimismo una cantidad similar de variabilidad en las CNV dentro de neuronas individuales derivadas de células de la piel de tres personas sanas.
Los científicos usan rutinariamente estas células madre pluripotentes inducidas (iPS) para estudiar neuronas vivas en laboratorio. Dado que las iPS provienen de células individuales de piel, cabría esperar que sus genomas fueran los mismos.
Pero "lo sorprendente es que no lo son", afirma el científico. "Hay un buen número de supresiones y amplificaciones únicas en el genoma de neuronas derivadas de una línea de iPS”.
Curiosamente, las células de la piel también eran genéticamente diferentes, aunque no tanto como las neuronas. Este hallazgo, junto con el hecho de que las neuronas presenten CNV únicas, sugiere que esos cambios genéticos se producen durante desarrollo, y no se heredan de los padres ni pasan a la descendencia.
Tiene sentido que las neuronas tengan genomas más diversos que las células de la piel, señala McConnell. "Lo que pasa con las neuronas es que, a diferencia de las células de la piel, interactúan unas con otras. Forman grandes circuitos complejos, en los que una célula con unas variaciones en el número de copias que la hacen diferente puede influir en toda esa red cerebral".
¿Por qué esos cambios?
Las CNV espontáneas habían sido ya relacionadas con el riesgo de ciertos trastornos cerebrales, como la esquizofrenia o el autismo, en estudios con muchas neuronas.
Estas investigaciones han señalado que ese tipo de CNV afectaría a múltiples células cerebrales, si no a todas, de lo que se deduce que se producirían en fases tempranas del desarrollo.
En cuanto al cerebro sano, el propósito de las CNV en él aún no está claro, pero los investigadores tienen algunas ideas. Creen que estas modificaciones podrían ayudar a las personas a adaptarse a nuevos entornos o a sobrevivir a una infección viral masiva.
Cuestiones pendientes
Los científicos trabajan ahora en formas de alterar la variabilidad genómica de las neuronas derivadas o iPS para probarlas de manera específica en cultivo.
Las células con genomas diferentes probablemente producen ARN únicos y, a continuación, proteínas. Sin embargo, hasta el momento, sólo se ha podido aplicar una tecnología de secuenciación a las células individuales.
"Cuando se aplique más de un método a una sola célula, podremos ver si las células con genomas diferentes presentan diferentes transcriptomas (conjunto de todos los ARN celulares) de manera predecible", afirma McConnell.
Además, será necesario secuenciar muchas más células y, en particular, más tipos de células. Todavía queda, por tanto, mucho trabajo por hacer para comprender realmente si nuestros hallazgos son específicos de las neuronas o están relacionados con parámetros diversos, como la edad o el genotipo, concluyen los científicos.
Para que pueda ser secuenciada, la minúscula cantidad de ADN presente en una sola célula debe ser químicamente amplificada muchas veces. Este proceso es técnicamente difícil, por lo que el equipo pasó un año descartando posibles fuentes de error en el proceso.
"Una buena parte de nuestro estudio ha consistido en hacer experimentos de control para demostrar que esto no es un producto artificial", explica Gage. "Tuvimos que hacerlo porque resulta sorprendente descubrir que las neuronas individuales del cerebro tienen diferente contenido de ADN."
El grupo encontró asimismo una cantidad similar de variabilidad en las CNV dentro de neuronas individuales derivadas de células de la piel de tres personas sanas.
Los científicos usan rutinariamente estas células madre pluripotentes inducidas (iPS) para estudiar neuronas vivas en laboratorio. Dado que las iPS provienen de células individuales de piel, cabría esperar que sus genomas fueran los mismos.
Pero "lo sorprendente es que no lo son", afirma el científico. "Hay un buen número de supresiones y amplificaciones únicas en el genoma de neuronas derivadas de una línea de iPS”.
Curiosamente, las células de la piel también eran genéticamente diferentes, aunque no tanto como las neuronas. Este hallazgo, junto con el hecho de que las neuronas presenten CNV únicas, sugiere que esos cambios genéticos se producen durante desarrollo, y no se heredan de los padres ni pasan a la descendencia.
Tiene sentido que las neuronas tengan genomas más diversos que las células de la piel, señala McConnell. "Lo que pasa con las neuronas es que, a diferencia de las células de la piel, interactúan unas con otras. Forman grandes circuitos complejos, en los que una célula con unas variaciones en el número de copias que la hacen diferente puede influir en toda esa red cerebral".
¿Por qué esos cambios?
Las CNV espontáneas habían sido ya relacionadas con el riesgo de ciertos trastornos cerebrales, como la esquizofrenia o el autismo, en estudios con muchas neuronas.
Estas investigaciones han señalado que ese tipo de CNV afectaría a múltiples células cerebrales, si no a todas, de lo que se deduce que se producirían en fases tempranas del desarrollo.
En cuanto al cerebro sano, el propósito de las CNV en él aún no está claro, pero los investigadores tienen algunas ideas. Creen que estas modificaciones podrían ayudar a las personas a adaptarse a nuevos entornos o a sobrevivir a una infección viral masiva.
Cuestiones pendientes
Los científicos trabajan ahora en formas de alterar la variabilidad genómica de las neuronas derivadas o iPS para probarlas de manera específica en cultivo.
Las células con genomas diferentes probablemente producen ARN únicos y, a continuación, proteínas. Sin embargo, hasta el momento, sólo se ha podido aplicar una tecnología de secuenciación a las células individuales.
"Cuando se aplique más de un método a una sola célula, podremos ver si las células con genomas diferentes presentan diferentes transcriptomas (conjunto de todos los ARN celulares) de manera predecible", afirma McConnell.
Además, será necesario secuenciar muchas más células y, en particular, más tipos de células. Todavía queda, por tanto, mucho trabajo por hacer para comprender realmente si nuestros hallazgos son específicos de las neuronas o están relacionados con parámetros diversos, como la edad o el genotipo, concluyen los científicos.
Referencia bibliográfica:
M. J. McConnell, M. R. Lindberg, K. J. Brennand, J. C. Piper, T. Voet, C. Cowing-Zitron, S. Shumilina, R. S. Lasken, J. R. Vermeesch, I. M. Hall, F. H. Gage. Mosaic Copy Number Variation in Human Neurons. Science (2013). DOI: 10.1126/science.1243472.
M. J. McConnell, M. R. Lindberg, K. J. Brennand, J. C. Piper, T. Voet, C. Cowing-Zitron, S. Shumilina, R. S. Lasken, J. R. Vermeesch, I. M. Hall, F. H. Gage. Mosaic Copy Number Variation in Human Neurons. Science (2013). DOI: 10.1126/science.1243472.