Descodifican los patrones de expresión génica comunes al cerebro humano

Puede que el cerebro humano sea la más compleja pieza de materia organizada del universo conocido, pero los investigadores del Instituto Allen de Ciencia del Cerebro, de Estados Unidos, han comenzado a desentrañar el código genético que subyace a su funcionamiento.

La investigación, publicada este mes en la revista Nature Neuroscience, identificó un sorprendentemente pequeño conjunto de patrones moleculares que dominan la expresión genética en el cerebro humano y parecen ser comunes a todos los individuos, y que proporciona información clave sobre el núcleo del código genético que hace que nuestro cerebro sea distintivamente humano.

«Muchas investigaciones se centran en las diferencias entre los individuos, pero le dimos la vuelta a esa pregunta: ¿Qué nos hace similares?», dice Ed Lein, investigador del Instituto, con sede en Seattle (Washington), y creado por el fundador de Microsoft Paul Allen. «¿Cuál es el elemento constante en todos nosotros que debe dar lugar a nuestras capacidades cognitivas y rasgos humanos únicos?»

Los investigadores utilizaron datos del Atlas Allen del Cerebro Humano -que son de acceso público- para investigar cómo varía la expresión de genes a lo largo de cientos de regiones cerebrales funcionalmente distintas en seis cerebros humanos. Comenzaron por la clasificación de genes por la consistencia de sus patrones de expresión entre individuos, y luego analizaron la relación de estos genes entre sí y con la función cerebral y con su relación con enfermedades.

«Observar los datos desde este punto de vista único nos permite estudiar los patrones génicos que todos compartimos», dice el investigador Mike Hawrylycz, en la nota de prensa del Instituto. «Hemos utilizado los datos para cuantificar la consistencia de los patrones de expresión de varios genes en varios cerebros humanos, y para determinar la importancia de los genes más consistentes y reproducibles para la función del cerebro.»

A pesar de la complejidad anatómica del cerebro y de la complejidad del genoma humano, la mayoría de los patrones de uso de genes, entre los 20.000 genes, pudieron caracterizarse por sólo 32 patrones de expresión.

Si bien muchos de estos patrones eran similares en humanos y ratones, el organismo modelo genético dominante para la investigación biomédica, muchos genes mostraron diferencias. Sorprendentemente, los genes asociados con las neuronas se conservaban más entre especies, mientras que los de las células gliales de apoyo mostraron diferencias más grandes.

Enfermedades

Los genes más estables -los más consistentes a través de todos los cerebros-, incluyen aquellos que están asociados con enfermedades y trastornos como el autismo y el Alzheimer e incluyen muchos objetivos de fármacos existentes. Estos patrones proporcionan una visión de lo que hace distinto al cerebro humano y plantean nuevas oportunidades para orientar la terapéutica para el tratamiento de las enfermedades.

Los investigadores también descubrieron que el patrón de la expresión génica en la corteza cerebral se correlaciona con la «conectividad funcional», según lo revelado por los datos de neuroimagen del Proyecto Human Connectome.

«Es emocionante encontrar una correlación entre los circuitos del cerebro y la expresión génica mediante la combinación de datos de alta calidad a partir de estos dos proyectos a gran escala», dice David Van Essen, profesor de la Universidad de Washington en St. Louis y uno de los coordinadores del Proyecto Human Connectome, que colaboró en el estudio, al igual que el Hospital Infantil y Centro Médico de Cincinnati.

«El cerebro humano es extraordinariamente complejo, por lo que es bastante sorprendente que un pequeño número de patrones pueda explicar la mayor parte de la variabilidad de genes en todo el cerebro», dice Christof Koch, presidente y director científico del Instituto Allen. «Podrían fácilmente haber sido miles de patrones, o ninguno en absoluto. Esto nos da una manera emocionante de observar más a fondo la actividad funcional que subyace en el singular cerebro humano».

Referencia bibliográfica:

Michael Hawrylycz, Jeremy A Miller, Vilas Menon, David Feng, Tim Dolbeare, Angela L Guillozet-Bongaarts, Anil G Jegga, Bruce J Aronow, Chang-Kyu Lee, Amy Bernard, Matthew F Glasser, Donna L Dierker, Jörg Menche, Aaron Szafer, Forrest Collman, Pascal Grange, Kenneth A Berman, Stefan Mihalas, Zizhen Yao, Lance Stewart, Albert-László Barabási, Jay Schulkin, John Phillips, Lydia Ng, Chinh Dang, David R Haynor, Allan Jones, David C Van Essen, Christof Koch, Ed Lein: Canonical genetic signatures of the adult human brain. Nature Neuroscience (2015). DOI: 10.1038/nn.4171.