Un trabajo reciente del Instituto de Biomedicina de Valencia (IBV), centro del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha identificado un mecanismo genético capaz de hacer que las neuronas alteren su función y su comportamiento en función de las condiciones ambientales.
El equipo, que empleó como organismo modelo al nematodo “Caenorhabditis elegans”, comprobó que un mecanismo epigenético actúa como un candado que impide a ciertas neuronas captar serotonina, el neurotransmisor que en humanos participa en la regulación del estado de ánimo, modificando así su identidad y sus tareas.
Según detallan, este candado puede abrirse cuando el entorno lo exige, alterando la conducta del gusano. El resultado es clave para entender cómo los sistemas nerviosos se ajustan al ambiente y abre una vía de estudio para trastornos como la depresión, la ansiedad o el autismo.
Desde el CSIC recuerdan que todas las células de un organismo contienen la misma secuencia de ADN, a partir de la cual se originan tipos celulares muy distintos con funciones concretas (piel, hígado, neuronas...). La interacción entre genes y entorno modula las identidades y la actividad celular mediante cambios epigenéticos, un sistema que indica a cada célula cómo leer el ADN para desempeñar una función específica.
El estudio, publicado en “Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS), detalla cómo este mecanismo regula la respuesta a la serotonina en un modelo animal sencillo, logrando modificar la identidad y el comportamiento de las neuronas mediante ligeras variaciones en la regulación génica provocadas por el ambiente.
El trabajo se basa en un pequeño nematodo (“Caenorhabditis”), un auténtico “laboratorio viviente” muy utilizado en biología y biomedicina para descifrar el funcionamiento del sistema nervioso, ya que posee 302 neuronas perfectamente catalogadas. En el laboratorio dirigido por Nuria Flames en el IBV-CSIC se estudió un subtipo concreto de neuronas (VC), que mostraba indicios inesperados de poder captar serotonina, neurotransmisor relacionado con la conducta y los estados internos del animal.
“En la especie 'Caenorhabditis elegans', las neuronas de identidad VC tienen el potencial de captar serotonina, pero no lo hacen porque existe una represión por mecanismos epigenéticos”, explica Flames, investigadora del CSIC. “Un mecanismo llamado metilación de histonas actúa como un candado que bloquea el gen mod-5/SERT, encargado de captar serotonina del medio. Por eso estas neuronas no muestran un fenotipo serotonérgico, firma biológica que permite a una neurona captar serotonina”, apunta.
Identidad neuronal flexible y respuesta al entorno
El grupo de investigación verificó que, en varias especies del género “Caenorhabditis”, ese candado epigenético se ha roto a lo largo de la evolución. “Estas especies han adquirido un nuevo 'potenciador' que activa el gen mod-5/SERT en las neuronas VC, escapando a la represión epigenética y permitiéndoles captar serotonina de forma intensa y estable”, describe Flames.
Además, basta con introducir ese potenciador en otras especies como “C. elegans” para que sus neuronas VC enciendan el gen mod-5/SERT. “Una única pieza reguladora es suficiente para cambiar la identidad y función de las neuronas”, resume la investigadora del CSIC.
Para sorpresa del equipo, en determinadas especies este cambio también se desencadena si el ambiente lo demanda. “Aunque, en condiciones normales, las neuronas VC de 'C. elegans' reprimen la recaptación de serotonina, en condiciones concretas, el candado epigenético se abre y estas neuronas se vuelven serotonérgicas, lo que cambia el comportamiento de puesta de huevos. Su identidad neuronal tiene, por tanto, un carácter plástico, depende del ambiente”, revela Andrea Millán Trejo, científica del IBV-CSIC y de la unidad asociada del IBV con el Centro de Investigación Príncipe Felipe (CIPF) que figura como primera autora del trabajo.
Este modelo animal sencillo permite analizar la plasticidad y la evolución de las identidades celulares enlazando tres niveles: regulación de genes (ADN), identidades neuronales (células) y comportamiento (organismo). Además, pone de manifiesto que no todo se explica por grandes mutaciones en el genoma completo: pequeños ajustes en la regulación de genes pueden desencadenar efectos muy relevantes.
Relación entre entorno, cerebro y enfermedad mental
El estudio pone de relieve mecanismos de plasticidad neuronal que podrían conservarse en organismos más complejos. En esta línea, “el gen equivalente a mod-5/SERT en humanos está implicado en depresión, ansiedad o autismo”, explica Flames. “Entender cómo su expresión puede ser suprimida o activada epigenéticamente podría iluminar mecanismos presentes en nuestro propio cerebro y contribuir a comprender cómo el entorno influye en la vulnerabilidad a enfermedades mentales”, avanza.
Asimismo, desentrañar cómo surgen nuevas funciones en células y organismos ayuda a explicar mejor la diversidad de los sistemas nerviosos. El trabajo ilustra cómo los seres vivos se adaptan a cambios ambientales, como la presencia de compuestos químicos, lo que podría aplicarse al estudio de la respuesta de distintas especies a alteraciones ecológicas derivadas del cambio climático. También sugiere posibles estrategias para modular genes de forma flexible, activándolos o silenciándolos según las condiciones, o para desarrollar métodos de control de gusanos parásitos en agricultura, ganadería y biomedicina.