Una investigacin demuestra que las clulas cerebrales tienen su origen en los ancestros de animales de hace unos 800 millones de aos. Estos microorganismos hoy habitan en zonas marinas poco profundas
Uno de los grandes misterios del organismo humano est en el funcionamiento de nuestro centro de mando: el cerebro. Aqu hay unos 900 millones de conexiones a travs de 1.600.000 kilmetros de cableado entre los 100.000 millones de neuronas, que tiene un rgano adulto. Estas clulas nerviosas son las unidades ms importantes del sistema nervioso. Son las responsables recibir las seales sensoriales del mundo exterior, envan rdenes a distintas partes del cuerpo y transforman y transmiten las seales elctricas que lo permiten. Cmo hemos llegado a un sistema tan sofisticado?
Ahora una investigacin que publica la revista Cell arroja nueva luz sobre la evolucin de las neuronas, centrndose en los placozoos, unos animales marinos de alrededor de un milmetro de tamao. Un equipo cientfico del Centro de Regulacin Genmica en Barcelona demuestra que las clulas secretoras especializadas presentes en estas criaturas nicas podran haber dado lugar a neuronas en animales ms complejos.
Quines son estos seres? Los placozoos son animales diminutos, que se alimentan de algas y microbios que viven en la superficie de rocas y otros sustratos encontrados en mares clidos y poco profundos. Estas criaturas, con forma de disco aplanado, estn entre los animales ms simples conocidos, y no tienen partes del cuerpo u rganos. Se apunta a su aparicin en la Tierra hace unos 800 millones de aos y constituyen uno de los cinco principales linajes de los animales, junto con los ctenforos, las esponjas, los cnidarios (corales, anmonas de mar y medusas) y los bilaterales (todos los dems animales, incluido el ser humano).
«Nos asombraron las similitudes», afirma en una nota Sebastin R. Najle, primer coautor del estudio e investigador postdoctoral en el Centro de Regulacin Genmica. «Las clulas peptidrgicas de los placozoos tienen muchas similitudes con las clulas neuronales, aunque claramente no lo sean. Es como observar un paso intermedio en la evolucin de las neuronas».
Los placozoos coordinan su comportamiento gracias a las clulas peptidrgicas que liberan pequeos pptidos que permiten coordinar el movimiento o la alimentacin del animal. Impulsados por la curiosidad sobre el origen de estas clulas, los autores del estudio utilizaron una serie de tcnicas moleculares y modelos computacionales para entender cmo evolucionaron los diferentes tipos de clulas de placozoos y reconstruir cul podra haber sido su aspecto y cmo podran haber funcionado nuestros ancestros.
Cmo se reconstruyeron los tipos celulares antiguos?
Primero, el equipo cre un mapa de todos los diferentes tipos celulares de placozoos, anotando sus caractersticas en cuatro especies diferentes. Cada tipo celular tiene un papel especializado que proviene de la expresin conjunta de ciertos de genes. Estos mapas o «atlas celulares» permitieron trazar conglomerados o «mdulos» funcionales de genes. Luego crearon un mapa de las regiones reguladoras en el ADN que controlan la expresin conjunta de estos genes. En conjunto, esto ofrece una visin comprensiva sobre lo que hace cada clula y cmo trabajan juntas. Finalmente, realizaron comparaciones entre especies para reconstruir cmo evolucionaron los tipos de clulas.
«Los placozoos carecen de neuronas, pero ahora hemos encontrado sorprendentes similitudes moleculares con nuestras clulas neuronales. Por otro lado, los ctenforos s tienen redes neuronales, con diferencias y similitudes clave con las nuestras. Significa esto que las neuronas evolucionaron una sola vez y luego divergieron, o evolucionaron ms de una vez, en paralelo? Son un mosaico, donde cada pieza tiene un origen diferente? Estas son preguntas que an quedan por responder», comenta Xavier Grau-Bov, primer coautor del estudio e investigador postdoctoral en el Centro de Regulacin Genmica.
El estudio muestra que los nueve tipos celulares principales en los placozoos parecen estar conectados por muchos tipos de clulas «intermedias» que cambian de un tipo a otro. Las clulas crecen y se dividen, manteniendo el delicado equilibrio de los tipos celulares necesarios para que el animal se mueva y coma. Esto contrasta con la existencia de linajes celulares bien separados que encontramos en nuestros cuerpos. Tambin encontraron catorce tipos diferentes de clulas peptidrgicas, pero estas eran diferentes a todas las dems clulas, no mostrando tipos intermedios ni signos de crecimiento o divisin.
Sorprendentemente, las clulas peptidrgicas compartan muchas similitudes con las neuronas, un tipo celular que se cree que apareci millones de aos despus en el ancestro comn de los animales bilaterales y cnidarios. Los anlisis comparativos entre especies revelaron que estas similitudes son nicas de los placozoos y no aparecen en otros animales con una ramificacin ms temprana como las esponjas o los ctenforos.
Los autores del estudio creen que, a medida que la ciencia mundial contine secuenciando genomas de alta calidad de especies diversas, se estrecha el cerco sobre el origen de las neuronas y la evolucin de otros tipos celulares. «Las clulas son las unidades fundamentales de la vida, por lo que comprender cmo surgen o cambian con el tiempo es esencial para explicar la historia evolutiva de la vida. Los placozoos, ctenforos, esponjas y otros animales tradicionalmente poco estudiados esconden secretos que apenas estamos comenzando a descifrar», concluye el profesor de investigacin ICREA Arnau Seb-Pedrs, autor principal del estudio y lder de grupo junior en el Centro de Regulacin Genmica.
Origen: paso a paso de la primera neurona
La similitud entre las clulas peptidrgicas y las neuronas es triple. Primero, el estudio demuestra que estas clulas de placozoos se diferencian a partir de una poblacin de clulas epiteliales progenitoras a travs de seales de desarrollo que se asemejan a la neurognesis, el proceso por el cual se forman nuevas neuronas, en cnidarios y bilaterales.
En segundo lugar, encontraron que las clulas peptidrgicas tienen muchos mdulos de genes necesarios para construir la parte de una neurona que puede enviar un mensaje (el complejo pre-sinptico). Sin embargo, estas clulas estn lejos de ser una verdadera neurona, ya que carecen de los componentes para el extremo receptor de un mensaje neuronal (complejo post-sinptico) o los componentes necesarios para conducir seales elctricas.
Finalmente, tcnicas de aprendizaje profundo mostraron que los tipos de clulas de placozoos se comunican entre s utilizando un sistema en las clulas donde unas protenas especficas, llamadas GPCRs (receptores acoplados a protenas G), detectan seales externas e inician una serie de reacciones dentro de la clula. Estas seales externas estn mediadas por neuropptidos, mensajeros qumicos utilizados por las neuronas en distintos procesos fisiolgicos.
Cmo es la primera neurona?
El estudio demuestra que los componentes bsicos de la neurona comenzaron a formarse hace 800 millones de aos en animales ancestrales que vivan discretamente en los mares poco profundos de la antigua Tierra. Desde una perspectiva evolutiva, es probable que las primeras neuronas hayan comenzado como algo parecido a las clulas secretoras peptidrgicas de los placozoos actuales. Estas clulas se comunicaban mediante neuropptidos, pero eventualmente adquirieron nuevos mdulos genticos que les permitieron crear el andamio post-sinptico, formar axones y dendritas y crear canales inicos que generan seales elctricas rpidas. Estas innovaciones fueron cruciales para el amanecer de la neurona alrededor de cien millones de aos despus de que los ancestros de los placozoos aparecieran por primera vez en la Tierra.
Sin embargo, la historia evolutiva completa de los sistemas nerviosos an est por contar. Se cree que la primera neurona moderna tuvo su origen en el ancestro comn de los cnidarios y los bilaterales hace unos 650 millones de aos. Y, aun as, existen clulas parecidas a las neuronas en ctenforos, aunque tienen importantes diferencias estructurales y carecen de la expresin de la mayora de los genes encontrados en las neuronas modernas. La presencia de algunos de estos genes neuronales en las clulas de los placozoos y su ausencia en ctenforos plantea nuevas preguntas sobre la trayectoria evolutiva de las neuronas.