Científicos mapean los 'interruptores' que determinaron la evolución del cerebro humano

07-09/03/2015 - E.P.

Los científicos se han convertido en expertos en comparar los genomas de diferentes especies para identificar los cambios en la secuencia de ADN que subyacen a esas diferencias

Miles de interruptores genéticos "reguladores", regiones de ADN conocidas como elementos reguladores, aumentaron durante la evolución humana en la corteza cerebral en desarrollo, según un nuevo estudio de James P. Noonan, Steven K. Reilly, y Jun Yin, de la Escuela de Medicina de la Universidad de Yale, en Estados Unidos, y que se publica en 'Science'.

A diferencia de los modelos experimentales, estos interruptores muestran una mayor actividad en los seres humanos, en los que pueden conducir la expresión de genes en la corteza cerebral, la región del cerebro que participa en el pensamiento y el lenguaje consciente. Esta diferencia puede explicar por qué la estructura y función de esa parte del cerebro es tan única en los seres humanos en comparación con otros mamíferos.

Además de crear un catálogo rico y detallado de los cambios específicos de los humanos en la regulación génica, Noonan y sus colegas identificaron varios procesos biológicos potencialmente guiados por estos elementos reguladores que son cruciales para el desarrollo del cerebro humano.

"La construcción de una corteza más compleja probablemente implica varias cosas: la formación de más células, que modifican las funciones de las áreas corticales, y el cambio de las conexiones de las neuronas entre sí. Los cambios regulatorios que encontramos en los seres humanos están relacionados con esos procesos", afirma Noonan, profesor asociado de Genética, investigador en el Instituto Kavli de Neurociencia y autor principal del estudio.

"Esto probablemente implica modificaciones evolutivas en la proliferación celular, el patrón cortical y otros procesos de desarrollo que están generalmente bien conservados a través de muchas especies", argumenta este investigador.

Los científicos se han convertido en expertos en comparar los genomas de diferentes especies para identificar los cambios en la secuencia de ADN que subyacen a esas diferencias. Pero muchos genes humanos son muy similares a los de otros primates, lo que sugiere que los cambios en la manera en la que se regulan los genes --además de los cambios en los genes mismos-- es lo que diferencia la biología humana.

Sin embargo, hasta ahora, ha sido muy difícil medir esos cambios y averiguar su impacto, especialmente en el cerebro en desarrollo. Los investigadores de Yale se aprovecharon de nuevas herramientas experimentales y computacionales para identificar elementos reguladores activos --aquellas secuencias de ADN que activan o desactivan los genes en determinados momentos y en ciertos tipos de células-- directamente en la corteza humana y estudiar sus efectos biológicos.

En primer lugar, Noonan y sus colegas mapearon elementos reguladores activos en el genoma humano durante las primeras 12 semanas de desarrollo cortical mediante la búsqueda de bioquímica específica o modificaciones "epigenéticas". Hicieron lo mismo en los cerebros en desarrollo de monos rhesus y ratones, y luego compararon los tres mapas para identificar aquellos elementos que mostraron mayor actividad en el cerebro humano en desarrollo, hallando varios miles de elementos reguladores que mostraron una mayor actividad en el humano.

A continuación, quisieron saber el impacto biológico de esos cambios normativos. El equipo se dirigió a BrainSpan, un atlas digital de la expresión génica en el cerebro durante toda la vida humana, para identificar grupos de genes que muestran expresión coordinada en la corteza cerebral. Posteriormente, superpusieron los cambios regulatorios que habían encontrado con estos grupos de genes e identificaron varios procesos biológicos asociados a un número sorprendentemente alto de cambios regulatorios en los seres humanos.

"Aunque a menudo pensamos en el cerebro humano como una estructura altamente innovadora, ha sido sorprendente ver que muchos de estos elementos reguladores parecen jugar un papel en los antiguos procesos importantes para la construcción de la corteza en todos los mamíferos, señala el autor Steven Reilly.

"Sin embargo, esto es a menudo una característica de la evolución, jugar con las herramientas disponibles para producir nuevas características y funciones", apunta Reilly. Ahora, estos expertos planean investigar la función de algunos de los cambios regulatorios que identificaron mediante su introducción en el genoma y sus efectos en el desarrollo del cerebro del modelo experimental..