Un estudio del Instituto de Biomedicina de Valencia (CSIC) revela cómo el entorno puede modificar la identidad de las neuronas.
Marca de serotonina en las neuronas VC del nematodo C. elegans modificado genéticamente./ Andrea Millán-Trejo (IBV-CSIC)
Un mecanismo epigenético regula la identidad y función de las neuronas
Un estudio del Instituto de Biomedicina de Valencia (IBV), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), describe un mecanismo genético que permite a las neuronas cambiar su función y comportamiento en respuesta al ambiente. Utilizando el nematodo Caenorhabditis elegans como modelo, los investigadores descubrieron que un mecanismo epigenético actúa como un ‘candado’ que bloquea la capacidad de las neuronas para captar serotonina —neurotransmisor que regula el estado de ánimo en humanos—, lo que modifica su identidad y funciones.
Este candado puede abrirse cuando el ambiente lo requiere, modificando el comportamiento del animal. El hallazgo es clave para comprender cómo se adaptan al ambiente los sistemas nerviosos de los organismos y ofrece una nueva vía para investigar trastornos como la depresión, la ansiedad o el autismo.
Genes y entorno interactúan para definir la identidad celular
Todas las células de un organismo comparten la misma información genética (ADN), a partir de la cual surgen los diferentes tipos celulares con funciones específicas (piel, hígado, neuronas…). Los genes y el entorno interactúan para modular las identidades y el funcionamiento de las células mediante cambios epigenéticos, un sistema que dicta a la célula cómo interpretar el ADN para funcionar de un modo concreto.
Ahora, el trabajo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) describe cómo este mecanismo regula la respuesta al neurotransmisor serotonina en un sencillo modelo animal, consiguiendo cambiar la identidad de las neuronas y su comportamiento mediante pequeños cambios en los genes en respuesta al ambiente.
Un modelo animal clave para estudiar el sistema nervioso
El trabajo utiliza un pequeño gusano nematodo (Caenorhabditis), un ‘laboratorio viviente’ muy usado en biología y biomedicina para entender cómo funciona el sistema nervioso: tiene 302 neuronas, identificadas una a una.
Nuria Flames y Andrea Millán-Trejo, en el laboratorio del Instituto de Biomedicina de Valencia
En el laboratorio que dirige Nuria Flames en el IBV-CSIC analizaron un tipo concreto de neurona de este animal (VC), que muestra indicios de algo inesperado: captar serotonina, neurotransmisor implicado en la conducta y estados internos del animal.
El «candado» epigenético que bloquea la serotonina
“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 Nuria Flames.
“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”, continúa.
Identidad neuronal plástica.
El equipo de investigación comprobó que en varias especies del género Caenorhabditis, este candado se ha roto durante la evolución. Estas especies han adquirido un nuevo ‘potenciador’ (enhancer) que activa el gen mod-5/SERT, permitiendo a las neuronas captar serotonina de forma intensa y estable.
Además, basta con trasladar ese potenciador a otras especies como C. elegans para que sus neuronas activen este gen. Una única pieza reguladora es suficiente para cambiar la identidad y función neuronal.
En determinadas condiciones, el entorno también puede activar este proceso. Así, las neuronas pueden volverse serotonérgicas y modificar el comportamiento del organismo.
Pequeños cambios genéticos con impacto en la evolución
El uso de este modelo permite estudiar la plasticidad y evolución de las identidades celulares conectando tres niveles: regulación genética (ADN), identidad neuronal y comportamiento.
Además, el estudio muestra que no todo depende de grandes mutaciones: pequeñas modificaciones en la regulación de los genes pueden tener efectos significativos.
Estos resultados apoyan la teoría de la asimilación genética, según la cual respuestas adaptativas inducidas por el entorno pueden, con el tiempo, quedar fijadas de forma hereditaria.
Entorno y enfermedad mental
El estudio revela mecanismos de plasticidad neuronal que podrían ser comunes en animales más complejos. El gen equivalente a mod-5/SERT en humanos está implicado en depresión, ansiedad o autismo.
Comprender cómo su expresión puede ser regulada epigenéticamente podría ayudar a entender cómo el entorno influye en la vulnerabilidad a enfermedades mentales.
Implicaciones en biomedicina y adaptación ambiental
Además, estos resultados contribuyen a entender cómo surgen nuevas funciones celulares y cómo los organismos se adaptan a cambios ambientales.
Este conocimiento podría aplicarse en distintos ámbitos, desde la biomedicina hasta la agricultura, mediante estrategias que permitan activar o desactivar genes según el entorno.
Andrea Millán-Trejo, Carlos Mora-Martínez, Adrián Tarazona-Sánchez, Carla Lloret-Fernández, Rafael Alis, Antonio Jordán-Pla, Arantza Barrios and Nuria Flames. Epigenetic constraint and enhancer innovation link neuronal plasticity to evolutionary adaptation. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2524709123