Entender la formación de patrones cerebelosa

Soy Kathy Millan. Soy profesora asistente en la Universidad de Chicago en el Departamento de Genética Humana y también en el Departamento de Neurología. Trabajo en el desarrollo cerebral, y específicamente en el desarrollo del cerebelo, el cerebelo, la parte del cerebro ubicada aquí atrás, en la base del cráneo.

Y es más conocido por su papel en el desarrollo motor, pero resulta que está implicado en muchas cosas. Y es una parte realmente interesante del cerebro. La formación de patrones es el desarrollo de un patrón en un sistema biológico. Y es una de esas palabras que los biólogos del desarrollo utilizan de manera algo imprecisa para significar casi cualquier cosa.

Y no está realmente claro lo que significa. Creo que cada biólogo del desarrollo le daría una versión diferente de lo que significa para mí. Lo que significa es cómo sabe el cerebro, o en particular el cerebelo, cuál es arriba y abajo, cómo se define izquierda y derecha.

¿Cómo se decide qué parte de la estructura va a ser cuál? Y una vez que se han tomado esas decisiones críticas y fundamentales en las primeras etapas embrionarias, ¿cómo se reúne toda la estructura celular para formar la parte del cerebro exquisitamente organizada que llamamos cerebelo? Por lo tanto, estamos realmente interesados en el desarrollo cerebeloso y en la información de patrón en el cerebelo en desarrollo.

Dado que el cerebelo es un tejido exquisitamente organizado. Tiene pocas capas celulares y pocos tipos celulares. Por lo tanto, en comparación con otras partes del cerebro, es especialmente, bueno, una estructura relativamente simple.

Y también porque el cerebelo tiene una función muy específica, o una de muchas funciones, que es la coordinación motora. Cuando los ratones o los seres humanos presentan anomalías cerebelosas, uno de los fenotipos resultantes es la descoordinación motora. Por lo tanto, a lo largo de los últimos cien años, aproximadamente, de genética del ratón, se han descubierto múltiples mutantes espontáneos de ratón que han sido caracterizados hasta cierto punto, pero también simplemente aislados y almacenados en los estantes de Jackson Labs, donde se encuentran ratones con anomalías motoras.

Y un gran número de esos ratones, creo que hay más de unas 60 cepas espontáneas, presentan anomalías en el desarrollo cerebeloso. Y ese recurso constituye una fuente sumamente valiosa para investigar cuáles son los mecanismos del desarrollo que impulsan la formación del patrón cerebeloso. Por tanto, uno de los aspectos en los que se centra mi laboratorio consiste en utilizar todas las herramientas provenientes del Proyecto del Genoma Humano y del Proyecto del Genoma del Ratón, y emplear esos reactivos moleculares para identificar los genes que están mutados en todos esos mutantes espontáneos.

Y al encontrar esos mutantes, adoptamos un enfoque centrado en el fenotipo para identificar genes. Por lo tanto, no estamos tomando genes al azar y eliminándolos. Estamos descubriendo fenotipos y localizando los genes, ya que mediante este enfoque estamos identificando específicamente genes que son particularmente relevantes para el sistema de interés.

Por lo tanto, nuestro laboratorio y muchos otros laboratorios han clonado varios de estos mutantes espontáneos en ratones. Y esos mutantes espontáneos en ratones han dado lugar a biología nueva y verdaderamente interesante, porque estamos siguiendo un enfoque guiado por el fenotipo.

No tenemos ninguna preconcepción sobre el tipo de genes que vamos a encontrar. No estamos buscando específicamente análogos de dal ho ni mutaciones en canales. Estamos llegando a los genes que dictan los fenotipos.

Y debido a eso, estamos descubriendo mucha biología nueva. Por ejemplo, uno de los genes o uno de los fenotipos en los que mi laboratorio ha trabajado, junto con otro colega, Jim Linig, cuando yo era becario posdoctoral, fue en un mutante de ratón llamado dre, que en alemán significa girador o que gira como una peonza. Estos mutantes de ratón surgieron por primera vez en 1929 en Alemania y desde entonces se han ido acumulando en Jackson Labs.

Existen múltiples alelos de este locus en particular, y se sabía que el cerebelo estaba formado incorrectamente. Por lo tanto, todos los tipos celulares del cerebelo estaban presentes, pero el patrón del cerebelo era anormal. Faltaba la parte media, cuya denominación es vermis.

Y descubrimos que existía un fenotipo embrionario temprano en estos ratones que daba lugar al fenotipo adulto. Y el fenotipo era resultado de una mutación en un gen llamado LMX uno A, que significa caja con dominio homeo de miembro uno. Así que el gen LMX uno A se convirtió en un gen realmente interesante e importante en biología del desarrollo porque es uno de los genes más críticos para definir qué es arriba en el sistema nervioso central o qué es dorsal.

Y sin tener esta mutación rara, nadie sabía realmente cuál era la función de este gen. De hecho, se había encontrado por otras razones en células productoras de insulina en el páncreas. Y otras personas lo habían estado estudiando por su posible papel en la diabetes.

Pero de hecho, resulta que el envejecimiento de LMX uno por sí solo no tiene ningún papel en el desarrollo pancreático ni en el desarrollo de las células oceloides. Y de hecho, su función principal en el desarrollo consiste en impulsar el patrón dorsal en el sistema nervioso central. Cuando clonamos por primera vez el gen DR, el gen LMX uno A, nos dimos cuenta de que solo se expresa en la parte dorsal del sistema nervioso central.

Y de hecho, no solo se expresa en la parte dorsal del sistema nervioso central o en la lámina dorsal, como se le llama justo alrededor del cerebelo. En realidad, se expresa en la parte dorsal del sistema nervioso central a lo largo de toda la longitud axial del embrión de ratón. Y de hecho, se expresa a lo largo de toda la longitud axial de cada vertebrado que hemos examinado hasta ahora.

Y dado que se expresa dorsalmente en todas partes, razonamos que debía tener un papel dorsal en otras regiones del sistema nervioso central. Por ello, dedicamos mucho tiempo a caracterizar el fenotipo de los ratones DR en la médula espinal, ya que esta constituye en realidad un sistema modelo mucho mejor para comprender el desarrollo del SNC que el cerebelo, porque es mucho menos compleja tridimensionalmente. Tiene una estructura tridimensional mucho más sencilla.

Cambiando al pollo, en realidad pudimos aprovechar un gran número de reactivos para determinar cuál era el papel de LMX1A en la médula espinal. Y a partir de la médula espinal, volvimos al cerebelo. Y francamente, no creo que sin la tecnología de embrión de pollo hubiéramos tenido una comprensión tan clara de lo que hace el gen LMX1A; un posdoctorado en mi laboratorio, Víctor Chico, fue la persona que realmente llevó a cabo estos experimentos y los impulsó.

Y fue la persona que realmente descubrió qué hace el gen LMX1A y su función principal en el sistema nervioso central mediante el uso del sistema de electroforesis en pollo. Y honestamente no creo que hubiéramos podido avanzar tanto como lo hicimos sin la electroforesis en pollo. Por lo tanto, la electroforesis en pollo es una tecnología verdaderamente valiosa porque permite sobreexpresar genes rápidamente en el sistema nervioso en desarrollo del pollo, obtener resultados tras dos o tres días de incubación y obtener fenotipos analizables.

Si realmente intentara realizar manipulaciones genéticas en ratones para obtener animales transgénicos, eso tomaría varios meses, y para los knockout, etc., tomaría al menos un año y medio. Por lo tanto, el sistema del embrión de pollo es un sistema verdaderamente valioso porque permite manipular la expresión génica y descubrir fenotipos rápidamente. Así, cuando LMX1A se sobreexpresa en el sistema nervioso en desarrollo del pollo, en particular en la médula espinal en desarrollo, provoca que toda la parte dorsal del sistema nervioso central o de la médula espinal se transforme en una parte dorsal del sistema nervioso central o en la placa del techo.

Y así, lo que esto nos indicó, en combinación con una serie de otros experimentos que realizó Victor, fue que LMX1A por sí solo es responsable de impulsar todo el programa de diferenciación de la placa del techo. Y esto es importante porque la placa del techo es un centro de señalización crítico en el sistema nervioso en desarrollo. Si no se tiene una placa del techo, no se secretan morfógenos para indicar a las células adyacentes del tubo neural que se transformen en neuronas sensoriales dorsales.

Y sin esas señales, esas células pasan a un estado predeterminado de un tipo celular intermedio. Y se pierden la mayoría de las neuronas dorsales en la médula espinal, pero también en realidad en el cerebelo en desarrollo. Y no creo que hubiéramos podido llegar fácilmente a esa conclusión utilizando cualquier otro sistema que no fuera el tubo neural de pollo.

Estamos muy interesados en el desarrollo cerebeloso, no solo por la biología básica en sistemas de ratón y también en el pollo, sino porque los humanos presentan malformaciones cerebelosas. Y dichas malformaciones cerebelosas humanas se comprenden muy poco. Por ello, en colaboración con un colega, el Dr. William Dobbins, uno de los máximos expertos mundiales en malformaciones cerebrales humanas, hemos iniciado un proyecto conjunto para identificar los genes responsables de las malformaciones cerebelosas humanas.

Y estamos adoptando varios enfoques. Una de las acciones más importantes que hemos realizado es construir una base de datos de ADN y una base de datos clínica, en las que hemos reclutado a más de 500 pacientes con malformaciones cerebelosas humanas definidas, recolectado imágenes de resonancias magnéticas y correlacionado estas imágenes con muestras de ADN, con el fin de utilizar este recurso en la búsqueda de genes, ya que resulta que las malformaciones cerebelosas humanas no están en absoluto bien categorizadas. Y diría honestamente que, de cada 10 escáneres que recibimos a través de nuestros estudios, al menos uno de ellos corresponde a una malformación que nunca ha sido descrita y que realmente no había sido reconocida anteriormente.

La malformación cerebelosa humana más común se denomina malformación de Dandy-Walker, y es la que más reconocen los médicos clínicos. Pero resulta que es una especie de diagnóstico residual en el ámbito de las malformaciones cerebelosas humanas. Cualquier médico, o muchos médicos, cuando observan un cerebelo anormal, lo clasifican como Dandy-Walker.

Y así reclutamos pacientes para nuestro estudio sobre la malformación de Dandy-Walker, y encontramos todo tipo de malformaciones cerebelosas interesantes. Por lo tanto, estamos utilizando este recurso para identificar nuevos genes implicados en el desarrollo cerebeloso, porque como biólogo del desarrollo, considero que los seres humanos son un gran experimento de mutagénesis. Son una fuente invaluable para descubrir nuevos genes del desarrollo.

Por lo tanto, estamos adoptando varios enfoques para encontrar esos genes. Uno de estos enfoques consiste en tomar los genes que hemos identificado en el ratón que tienen funciones en el desarrollo cerebeloso y secuenciar esos genes en humanos. De hecho, recientemente hemos identificado la primera mutación humana en LMX1A.

Hasta ahora, ha habido aplicaciones realmente limitadas de nuestra investigación básica en ciencias a la investigación clínica. Pero eso está cambiando rápidamente. A medida que descubrimos genes cada vez más nuevos, podemos proporcionar nueva información de asesoramiento genético a las familias de niños afectados.

Y francamente, allí es donde veo el impacto más importante de nuestra investigación. Por tanto, mi visión para el campo en los próximos cinco años es que se habrá producido un descubrimiento genético mucho mayor, tanto mediante la caracterización de modelos de ratón como mediante estudios en malformaciones cerebelosas humanas. Conoceremos más sobre el conjunto de genes que participan en el desarrollo cerebeloso.

Y entonces el objetivo tendrá que ser cómo interactúan esos genes entre sí y cómo esos genes impulsan la biología real. ¿Cómo impulsan todos los diferentes eventos celulares que tienen lugar para formar un cerebelo? Y creo que el cerebelo es realmente un modelo ideal para todo el sistema nervioso central porque, francamente, solo existen entre cinco y siete tipos principales de células neuronales.

Están todos dispuestos de diversas maneras estereotipadas. Estamos aprendiendo cada vez más sobre las moléculas que impulsan la especificación y la diferenciación temprana de esos progenitores. Estamos comprendiendo cada vez más cómo proliferan esas células.

Por lo tanto, creo que dentro de más de cinco años, pero en última instancia, veo que el campo será capaz de avanzar desde el desarrollo del tubo hasta el desarrollo cerebeloso completo, logrando la forma madura del cerebelo. Y considero que, dado que el cerebelo es un sistema relativamente simple, tenemos la esperanza de descifrar realmente las moléculas y los eventos del desarrollo que impulsan la formación de todo el centro del cerebelo completo. Y creo que esto es realmente importante, no solo para el campo del diagnóstico genético en humanos y para el campo del desarrollo cerebeloso, sino que también considero que tendremos aplicaciones de esos mecanismos a otras partes del cerebro.

El cerebelo es una estructura relativamente simple, pero muchos de los eventos del desarrollo no serán exclusivos del cerebelo. Podemos aplicar lo que aprendimos del cerebelo a otras regiones más complejas del sistema nervioso central, como la corteza cerebral, y utilizar las lecciones y vías que descubrimos para determinar cómo se aplican al resto del cerebro.