Neurogenética - Neurogenetics
La neurogenética estudia el papel de la genética en el desarrollo y la función del sistema nervioso . Considera las características neuronales como fenotipos (es decir, manifestaciones, medibles o no, de la estructura genética de un individuo), y se basa principalmente en la observación de que el sistema nervioso de los individuos, incluso de los que pertenecen a la misma especie , puede no ser ser idéntico. Como su nombre lo indica, extrae aspectos tanto de los estudios de neurociencia como de genética, centrándose en particular en cómo el código genético que porta un organismo afecta sus rasgos expresados . Las mutaciones en esta secuencia genética pueden tener una amplia gama de efectos sobre la calidad de vida del individuo. Las enfermedades neurológicas, el comportamiento y la personalidad se estudian en el contexto de la neurogenética. El campo de la neurogenética surgió a mediados y finales del siglo XX con avances que siguieron de cerca los avances realizados en la tecnología disponible. Actualmente, la neurogenética es el centro de mucha investigación que utiliza técnicas de vanguardia.
Historia
El campo de la neurogenética surgió de los avances realizados en biología molecular, genética y el deseo de comprender el vínculo entre los genes, el comportamiento, el cerebro y los trastornos y enfermedades neurológicos. El campo comenzó a expandirse en la década de 1960 a través de la investigación de Seymour Benzer , considerado por algunos como el padre de la neurogenética.
Su trabajo pionero con Drosophila ayudó a dilucidar el vínculo entre los ritmos circadianos y los genes, lo que llevó a nuevas investigaciones sobre otros rasgos de comportamiento. También comenzó a realizar investigaciones sobre neurodegeneración en moscas de la fruta en un intento por descubrir formas de suprimir las enfermedades neurológicas en humanos. Muchas de las técnicas que usó y las conclusiones que sacó impulsarían el campo hacia adelante.
El análisis inicial se basó en la interpretación estadística a través de procesos como las puntuaciones LOD (logaritmo de probabilidades) de los pedigríes y otros métodos de observación como los pares de hermanos afectados, que analizan el fenotipo y la configuración de la EII (identidad por descendencia). Muchos de los trastornos estudiados desde el principio, incluidos el Alzheimer , Huntington y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), todavía están en el centro de muchas investigaciones hasta el día de hoy. A fines de la década de 1980, los nuevos avances en genética, como la tecnología del ADN recombinante y la genética inversa, permitieron un uso más amplio de polimorfismos de ADN para probar la vinculación entre el ADN y los defectos genéticos. Este proceso se denomina a veces análisis de vinculación. En la década de 1990, la tecnología cada vez más avanzada había hecho que el análisis genético fuera más factible y disponible. Esta década fue testigo de un marcado aumento en la identificación del papel específico que desempeñaban los genes en relación con los trastornos neurológicos. Se hicieron avances, entre otros, en: síndrome del X frágil , Alzheimer, Parkinson , epilepsia y ELA.
Desórdenes neurológicos
Si bien la base genética de las enfermedades y los trastornos simples se ha identificado con precisión, la genética detrás de los trastornos neurológicos más complejos sigue siendo una fuente de investigación en curso. Los nuevos desarrollos, como los estudios de asociación del genoma completo (GWAS), han puesto al alcance de la mano una gran cantidad de nuevos recursos. Con esta nueva información, se puede discernir más fácilmente la variabilidad genética dentro de la población humana y las enfermedades posiblemente relacionadas. Las enfermedades neurodegenerativas son un subconjunto más común de trastornos neurológicos, con ejemplos de ello la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson . Actualmente no existen tratamientos viables que reviertan realmente la progresión de las enfermedades neurodegenerativas; sin embargo, la neurogenética está emergiendo como un campo que podría generar una conexión causal. El descubrimiento de vínculos podría conducir a fármacos terapéuticos, que podrían revertir la degeneración cerebral.
Secuenciación de genes
Uno de los resultados más notables de futuras investigaciones sobre neurogenética es un mayor conocimiento de los loci de genes que muestran vínculos con enfermedades neurológicas. La siguiente tabla representa una muestra de ubicaciones de genes específicos identificados para desempeñar un papel en enfermedades neurológicas seleccionadas según la prevalencia en los Estados Unidos .
| Loci de genes | Enfermedad neurologica |
|---|---|
| APOE ε4 , PICALM | Enfermedad de Alzheimer |
| DR15 , DQ6 | Esclerosis múltiple |
| LRRK2 , PARK2 , PARK7 | enfermedad de Parkinson |
| HTT | enfermedad de Huntington |
Métodos de investigación
análisis estadístico
El logaritmo de probabilidades (LOD) es una técnica estadística utilizada para estimar la probabilidad de vinculación genética entre rasgos. LOD se usa a menudo junto con pedigríes, mapas de la estructura genética de una familia, para producir estimaciones más precisas. Un beneficio clave de esta técnica es su capacidad para dar resultados confiables tanto en tamaños de muestra grandes como pequeños, lo cual es una ventaja marcada en la investigación de laboratorio.
El mapeo de loci de rasgos cuantitativos (QTL) es otro método estadístico utilizado para determinar las posiciones cromosómicas de un conjunto de genes responsables de un rasgo determinado. Al identificar marcadores genéticos específicos para los genes de interés en una cepa endogámica recombinante , la cantidad de interacción entre estos genes y su relación con el fenotipo observado se puede determinar mediante análisis estadístico complejo. En un laboratorio de neurogenética, el fenotipo de un organismo modelo se observa mediante la evaluación de la morfología de su cerebro mediante cortes finos. El mapeo de QTL también se puede realizar en humanos, aunque las morfologías cerebrales se examinan utilizando imágenes de resonancia magnética nuclear (IRM) en lugar de cortes cerebrales. Los seres humanos plantean un desafío mayor para el análisis de QTL porque la población genética no puede controlarse tan cuidadosamente como la de una población recombinante endogámica, lo que puede dar lugar a fuentes de error estadístico.
ADN recombinante
El ADN recombinante es un método importante de investigación en muchos campos, incluida la neurogenética. Se utiliza para realizar alteraciones en el genoma de un organismo, lo que generalmente hace que exprese en exceso o de forma insuficiente un determinado gen de interés, o exprese una forma mutada del mismo. Los resultados de estos experimentos pueden proporcionar información sobre el papel de ese gen en el cuerpo del organismo y su importancia en la supervivencia y la aptitud. A continuación, los huéspedes se seleccionan con la ayuda de un fármaco tóxico al que el marcador seleccionable es resistente. El uso de ADN recombinante es un ejemplo de genética inversa, donde los investigadores crean un genotipo mutante y analizan el fenotipo resultante. En genética avanzada , primero se identifica un organismo con un fenotipo particular y luego se analiza su genotipo.
Investigación animal
Los organismos modelo son una herramienta importante en muchas áreas de investigación, incluido el campo de la neurogenética. Al estudiar criaturas con sistemas nerviosos más simples y con genomas más pequeños, los científicos pueden comprender mejor sus procesos biológicos y aplicarlos a organismos más complejos, como los humanos. Debido a sus genomas de bajo mantenimiento y altamente mapeados, los ratones, Drosophila y C. elegans son muy comunes. El pez cebra y los ratones de campo de la pradera también se han vuelto más comunes, especialmente en los ámbitos social y conductual de la neurogenética.
Además de examinar cómo las mutaciones genéticas afectan la estructura real del cerebro, los investigadores en neurogenética también examinan cómo estas mutaciones afectan la cognición y el comportamiento. Un método para examinar esto implica la ingeniería deliberada de organismos modelo con mutaciones de ciertos genes de interés. Luego, estos animales son condicionados clásicamente para realizar ciertos tipos de tareas, como tirar de una palanca para obtener una recompensa. La velocidad de su aprendizaje, la retención de la conducta aprendida y otros factores se comparan luego con los resultados de organismos sanos para determinar qué tipo de efecto, si lo hay, ha tenido la mutación en estos procesos superiores. Los resultados de esta investigación pueden ayudar a identificar genes que pueden estar asociados con condiciones que involucran deficiencias cognitivas y de aprendizaje.
Investigación humana
Muchas instalaciones de investigación buscan voluntarios con determinadas afecciones o enfermedades para participar en los estudios. Los organismos modelo, si bien son importantes, no pueden modelar completamente la complejidad del cuerpo humano, por lo que los voluntarios son una parte clave para el progreso de la investigación. Además de recopilar información básica sobre el historial médico y el alcance de sus síntomas, se toman muestras de los participantes, que incluyen sangre, líquido cefalorraquídeo y / o tejido muscular. Luego, estas muestras de tejido se secuencian genéticamente y los genomas se agregan a las colecciones de bases de datos actuales. El crecimiento de estas bases de datos permitirá a los investigadores comprender mejor los matices genéticos de estas afecciones y acercar los tratamientos terapéuticos a la realidad. Las áreas de interés actuales en este campo tienen una amplia gama, que abarca desde el mantenimiento de los ritmos circadianos , la progresión de trastornos neurodegenerativos, la persistencia de trastornos periódicos y los efectos de la descomposición mitocondrial en el metabolismo.
Neurogenética del comportamiento
Los avances en las técnicas de biología molecular y el proyecto del genoma de toda la especie han hecho posible trazar un mapa del genoma completo de un individuo. Si los factores genéticos o ambientales son los principales responsables de la personalidad de un individuo ha sido un tema de debate durante mucho tiempo. Gracias a los avances que se están realizando en el campo de la neurogenética, los investigadores han comenzado a abordar esta cuestión comenzando a mapear genes y correlacionarlos con diferentes rasgos de personalidad. Hay poca o ninguna evidencia que sugiera que la presencia de un solo gen indique que un individuo expresará un estilo de comportamiento sobre otro; más bien, tener un gen específico podría hacer que uno esté más predispuesto a mostrar este tipo de comportamiento. Está empezando a quedar claro que la mayoría de los comportamientos influenciados genéticamente se deben a los efectos de muchas variantes dentro de muchos genes, además de otros factores reguladores neurológicos como los niveles de neurotransmisores. Debido al hecho de que muchas características del comportamiento se han conservado entre especies durante generaciones, los investigadores pueden utilizar sujetos animales como ratones y ratas, pero también moscas de la fruta, gusanos y pez cebra, para tratar de determinar genes específicos que se correlacionan con el comportamiento y el intento. para hacer coincidir estos con genes humanos.
Conservación de genes de especies cruzadas
Si bien es cierto que la variación entre especies puede parecer pronunciada, en su forma más básica comparten muchos rasgos de comportamiento similares que son necesarios para la supervivencia. Dichos rasgos incluyen el apareamiento, la agresión, la búsqueda de alimento, el comportamiento social y los patrones de sueño. Esta conservación del comportamiento entre especies ha llevado a los biólogos a plantear la hipótesis de que estos rasgos podrían tener causas y vías genéticas similares, si no las mismas. Los estudios realizados en los genomas de una gran cantidad de organismos han revelado que muchos organismos tienen genes homólogos , lo que significa que se ha conservado algo de material genético entre especies. Si estos organismos compartieran un ancestro evolutivo común, entonces esto podría implicar que aspectos del comportamiento pueden heredarse de generaciones anteriores, dando apoyo a las causas genéticas, en oposición a las causas ambientales, del comportamiento. Las variaciones en las personalidades y los rasgos de comportamiento observadas entre los individuos de la misma especie podrían explicarse por los diferentes niveles de expresión de estos genes y sus proteínas correspondientes.
Agresión
También se están realizando investigaciones sobre cómo los genes de un individuo pueden causar diferentes niveles de agresión y control de la agresión.
En todo el reino animal, se pueden observar diferentes estilos, tipos y niveles de agresión que llevan a los científicos a creer que podría haber una contribución genética que haya conservado este rasgo de comportamiento particular. Para algunas especies, los diferentes niveles de agresión han mostrado una correlación directa con un nivel más alto de aptitud darwiniana .
Desarrollo
Se han realizado muchas investigaciones sobre los efectos de los genes y la formación del cerebro y el sistema nervioso central. Los siguientes enlaces wiki pueden resultar útiles:
Hay muchos genes y proteínas que contribuyen a la formación y desarrollo del sistema nervioso central, muchos de los cuales se pueden encontrar en los enlaces antes mencionados. De particular importancia son los que codifican BMP , inhibidores de BMP y SHH . Cuando se expresan durante el desarrollo temprano, las BMP son responsables de la diferenciación de las células epidérmicas del ectodermo ventral . Los inhibidores de las BMP, como NOG y CHRD , promueven la diferenciación de las células del ectodermo en tejido neural prospectivo en el lado dorsal. Si alguno de estos genes está regulado incorrectamente, no se producirá la formación y diferenciación adecuadas. BMP también juega un papel muy importante en el patrón que ocurre después de la formación del tubo neural . Debido a la respuesta graduada que tienen las células del tubo neural a la señalización de BMP y Shh, estas vías compiten para determinar el destino de las células preneurales. BMP promueve la diferenciación dorsal de las células preneurales en neuronas sensoriales y Shh promueve la diferenciación ventral en neuronas motoras . Hay muchos otros genes que ayudan a determinar el destino neuronal y el desarrollo adecuado, incluidos los genes de codificación RELN , SOX9 , WNT , Notch y Delta , HOX y varios genes de codificación de cadherina como CDH1 y CDH2 .
Algunas investigaciones recientes han demostrado que el nivel de expresión genética cambia drásticamente en el cerebro en diferentes períodos a lo largo del ciclo de vida. Por ejemplo, durante el desarrollo prenatal, la cantidad de ARNm en el cerebro (un indicador de la expresión genética) es excepcionalmente alta y cae a un nivel significativamente más bajo poco después del nacimiento. El único otro punto del ciclo de vida durante el cual la expresión es tan alta es durante el período de vida media a tardía, entre los 50 y los 70 años de edad. Si bien el aumento de la expresión durante el período prenatal puede explicarse por el rápido crecimiento y formación del tejido cerebral, la razón detrás del aumento de la expresión en la vejez sigue siendo un tema de investigación en curso.
La investigación actual
La neurogenética es un campo que se está expandiendo y creciendo rápidamente. Las áreas de investigación actuales son muy diversas en sus enfoques. Un área se ocupa de los procesos moleculares y la función de ciertas proteínas, a menudo junto con la señalización celular y la liberación de neurotransmisores, el desarrollo y reparación celular o la plasticidad neuronal. Las áreas de investigación conductuales y cognitivas continúan expandiéndose en un esfuerzo por identificar los factores genéticos contribuyentes. Como resultado de la expansión del campo de la neurogenética, ha surgido una mejor comprensión de los trastornos neurológicos y fenotipos específicos con correlación directa con mutaciones genéticas . Con trastornos graves como epilepsia , malformaciones cerebrales o retraso mental , se ha identificado un solo gen o condición causal el 60% de las veces; sin embargo, cuanto más leve es la discapacidad intelectual, menor es la probabilidad de que se haya identificado una causa genética específica. El autismo, por ejemplo, solo está vinculado a un gen mutado específico alrededor del 15-20% de las veces, mientras que las formas más leves de discapacidades mentales solo se explican genéticamente en menos del 5% de las veces. Sin embargo, la investigación en neurogenética ha arrojado algunos resultados prometedores, ya que las mutaciones en loci de genes específicos se han relacionado con fenotipos dañinos y sus trastornos resultantes. Por ejemplo, una mutación por desplazamiento de marco o una mutación sin sentido en la ubicación del gen DCX provoca un defecto de migración neuronal también conocido como lisencefalia . Otro ejemplo es el gen ROBO3 donde una mutación altera la longitud del axón impactando negativamente las conexiones neuronales. La parálisis de la mirada horizontal con escoliosis progresiva (HGPPS) acompaña a una mutación aquí. Estos son solo algunos ejemplos de lo que ha logrado la investigación actual en el campo de la neurogenética.
Ver también
- Genética del comportamiento
- Genómica cognitiva
- Genes, cerebro y comportamiento
- Sociedad Internacional de Genética Neural y del Comportamiento
- Revista de neurogenética
- Neurogenética