Ronald Palacios Castrillo
Resumen
El ritmo de desarrollo del cerebro humano es muy prolongado en comparación con el de la mayoría de las demás especies. La maduración de las neuronas corticales es particularmente lenta y tarda de meses a años en desarrollar funciones adultas.
Sorprendentemente, este tiempo prolongado se conserva en las neuronas corticales derivadas de células madre pluripotentes humanas (hPSC) durante la diferenciación in vitro o tras el trasplante al cerebro de ratón.
Esos hallazgos sugieren la presencia de un reloj intrínseco celular que marca el ritmo de maduración neuronal, aunque la naturaleza molecular de este reloj sigue siendo desconocida.
Ciceri,et,at.,(Nature 626, 881–890 ,2024), identificaron un programa de desarrollo epigenético que establece el momento de la maduración neuronal humana.
Primero, desarrollaron un enfoque basado en hPSC para sincronizar el nacimiento de neuronas corticales in vitro, lo que les permitió definir un atlas de maduración morfológica, funcional y molecular.
Observaron un lento desarrollo de los programas de maduración, limitado por la retención de factores epigenéticos específicos.
La pérdida de función de varios de esos factores en las neuronas corticales permite una maduración precoz. La inhibición transitoria de EZH2, EHMT1 y EHMT2 o DOT1L, en la etapa progenitora, prepara a las neuronas recién nacidas para que adquieran rápidamente propiedades maduras tras la diferenciación.
Así, los hallazgos de los investigadores revelan que la velocidad a la que maduran las neuronas humanas se establece mucho antes de la neurogénesis mediante el establecimiento de una barrera epigenética en las células progenitoras.
Mecánicamente, esta barrera mantiene los programas de maduración transcripcional en un estado de equilibrio que se libera gradualmente para garantizar el cronograma prolongado de maduración de las neuronas corticales humanas.
En Detalle
El desarrollo del sistema nervioso central sigue una secuencia coordinada de eventos en los que se especifican, diferencian y ensamblan diversas identidades celulares en circuitos maduros.
Aunque los pasos fundamentales del desarrollo se conservan ampliamente a lo largo de la evolución de los mamíferos, el ritmo de desarrollo es prolongado en los humanos en comparación con los roedores o incluso los primates.
El orden secuencial, la duración y el ritmo de las transiciones del desarrollo in vivo se mantienen en gran medida ex vivo, como durante la diferenciación de células madre pluripotentes (PSC) in vitro.
Por ejemplo, las PSC de varias especies, diferenciadas hacia linajes de la corteza cerebral, recapitulan fielmente la generación secuencial de subtipos de neuronas y glía, siguiendo un «programa» que coincide en gran medida con el ritmo de desarrollo cortical in vivo específico de cada especie.
La capacidad neurogénica de las células madre neurales y la especificación secuencial de los tipos de células corticales está orquestada por vías transcripcionales y epigenéticas específicas.
Las variaciones temporales de la neurogénesis y la especificación del destino celular durante la evolución se han relacionado con el aumento del tamaño y la complejidad del cerebro humano.
Sin embargo, los mecanismos que dirigen el momento de la maduración neuronal después del establecimiento del destino neuronal siguen en gran medida inexplorados.
El ritmo de maduración neuronal del ratón versus el humano muestra una marcada diferencia temporal (aproximadamente diez veces) en comparación con la diferencia de dos a tres veces en la tasa de embriogénesis temprana.
La maduración neuronal puede durar semanas, meses o incluso años, según la especie. Un ejemplo destacado es la corteza cerebral humana, donde la sinaptogénesis y la maduración del circuito neuronal continúan durante años hasta la última etapa de la vida posnatal.
De manera similar, las neuronas corticales derivadas de hPSC requieren meses para alcanzar la función electrofisiológica y sináptica madura.
Las señales extrínsecas, incluidas las interacciones entre neurona y glía, la actividad de la red y las moléculas secretadas, pueden modular aspectos de la morfogénesis, la excitabilidad y la conectividad neuronal.
Sin embargo, hay pruebas convincentes que indican que el ritmo de maduración neuronal sigue un programa intrínseco a la célula.
Las neuronas corticales derivadas de hPSC trasplantadas en la neocorteza de ratón de rápida maduración desarrollan morfologías, conectividad y función de la columna dendrítica similares a las de los adultos después de nueve meses, en comparación con las cuatro semanas necesarias para las neuronas corticales derivadas de PSC de ratón.
Además, injertar neuronas corticales humanas en modelos de accidente cerebrovascular en ratones o neuronas dopaminérgicas humanas en un modelo de enfermedad de Parkinson en ratas lleva más de cinco meses para inducir la recuperación funcional.
En consecuencia, las neuronas humanas trasplantadas siguen un ritmo de maduración específico de cada especie en lugar de adoptar el ritmo de la especie huésped. Un tiempo de maduración tan prolongado plantea un desafío importante para el estudio de los trastornos neurológicos que implican una funcionalidad alterada de las redes neuronales posnatales. Por lo tanto, comprender los mecanismos que impulsan el momento de la maduración es fundamental para acceder a todo el potencial de las tecnologías hPSC para modelar y tratar trastornos cerebrales.
Las tecnologías hPSC ofrecen nuevos enfoques para investigar los mecanismos del momento del desarrollo. Ciceri,et,al.,(Nature 626, 881–890 ,2024) desarrollaron un método para sincronizar la generación de neuronas corticales a partir de hPSC, facilitando estudios sobre la maduración neuronal.
Este novedoso sistema de cultivo es particularmente adecuado para abordar los mecanismos intrínsecos de las neuronas, ya que carece en gran medida de células gliales, que se sabe que afectan la función neuronal.
Un estudio reciente sobre diferenciación neuronal en lugar de maduración neuronal sugirió que el cocultivo de PSC de ratón y humanas puede modular el momento de la diferenciación. Sin embargo, las señales extrínsecas que afectan el tiempo en tales cultivos quiméricos siguen sin estar claras.
Finalmente, será valioso comparar las tasas de maduración en neuronas generadas por diferentes métodos basados en hPSC y comparar la aparición de neurotransmisión NMDA madura.
El estudio de Cicero y colegas, trazó varios fenotipos de maduración (sinapsis, metabolismo, relacionados con la inmunidad y epigenética).
Actualmente no está claro si existen mecanismos independientes que regulan cada fenotipo o si un reloj compartido orquesta su expresión concertada. Por ejemplo, la maduración mitocondrial puede regular aspectos tanto morfológicos como funcionales de la maduración neuronal.
Por el contrario, los parálogos humanos del gen postsináptico SRGAP2A están específicamente asociados con la sinaptogénesis prolongada y la morfogénesis de la columna mediante la modulación de la función del gen ancestral.
Los datos de Cicero y colegas, indican que los altos niveles de expresión y la regulación lenta de la barrera epigenética garantizan un cronograma prolongado de maduración humana. Por el contrario, las neuronas de ratón que maduran más rápido parecen tener una barrera epigenética más baja, con un número menor de transcripciones de Ezh2.
En consecuencia, la inducción de marcadores de maduración en neuronas de ratón solo se ve ligeramente mejorada por la inhibición de Ezh2, y el mantenimiento de la barrera epigenética mediante la inhibición de las desmetilasas JMJD3 y UTX H3K27 puede retrasar su maduración.
Un estudio reciente informó que la traducción de Ezh2, Jmjd3 (también conocido como Kdm6b) y Utx (también conocido como Kdm6a) afecta el momento de la especificación del destino en los NPC de ratón1, lo que implica la contribución de la regulación transcripcional y traduccional.
Las distintas tasas de iniciación de la transcripción y recambio de proteínas se correlacionan con escalas de tiempo de desarrollo temprano específicas de cada especie. Sin embargo, se necesitan más estudios para demostrar la causalidad y la aplicabilidad a procesos más prolongados, incluida la maduración neuronal.
El metabolismo energético y la maduración mitocondrial también aumentan con el tiempo de maduración específico de la especie.
La disección de las interacciones recíprocas entre el metabolismo y la barrera epigenética puede identificar aún más los mecanismos subyacentes al momento de la maduración. La barrera epigenética comprende múltiples clases de reguladores de la cromatina, y será necesario realizar más estudios para analizar su interacción.
Por ejemplo, EZH2 y DOT1L cooperan en la regulación de subconjuntos de genes de maduración. Sin embargo, la inhibición de EZH2 indujo la expresión de genes de maduración, mientras que la inhibición de DOT1L, una vía vinculada a la potencia, puede promover la maduración al silenciar los programas relacionados con la inmadurez.
Otros factores incluyen SOX4 y SOX11, que están regulados negativamente con dinámicas temporales distintas y pueden modular la maduración de las neuronas corticales in vivo.
Un elemento central de nuestro estudio es el hallazgo de que la inhibición transitoria de factores epigenéticos clave (EZH2, DOT1L y EHMT1/2) en los NPC permite una maduración neuronal posmitótica acelerada, lo que indica que las tasas de maduración están «preprogramadas» antes de la neurogénesis.
Además, centrándonos en EZH2, Cicero y colegas encontraron que varios genes relacionados con la maduración están preparados transcripcionalmente en los NPC a través de la deposición dual H3K27me3 y H3K4me3.
La reducción de los niveles de H3K27me3 mediante la inhibición de EZH2 aceleró la expresión posterior de muchas transcripciones relacionadas con la maduración, aunque se necesitan más estudios para evaluar los posibles efectos fuera del objetivo de la inhibición de EZH2, independientes de la maduración.
Los genes de maduración preparada comprendían «efectores» de la madurez neuronal (como canales iónicos y proteínas sinápticas) y otros reguladores de la cromatina (CHD5 y JADE2) que interactúan «competitivamente» con las barreras epigenéticas.
Aunque nuestro modelo destaca la liberación de PRC2 y H3K27me3 represivos como un factor determinante del momento de maduración, no niega la contribución de los factores activos relacionados con la cromatina. De hecho, la ganancia de H3K4me3 y H3K27ac en las neuronas también se correlaciona con la transcripción dependiente de la maduración y la pérdida de función de las desmetilasas H3K4 KDM5 o KDM1A también impulsa parcialmente la maduración, probablemente mediante el aumento global de los niveles de metilación de H3K4.
Se ha propuesto que la dinámica de EZH2 y H3K27me3 impulse la competencia temporal de los NPC para generar secuencialmente neuronas versus glía en la corteza del ratón.
En consecuencia, la inhibición transitoria de EZH2 en organoides condujo a una especificación precoz de los astrocitos, además de mejorar la funcionalidad neuronal.
La regulación negativa de EZH2 en NPC cortical está relacionada con la regulación positiva de la transcripción de maduración durante la neurogénesis tardía.
Esto plantea la intrigante posibilidad de que una maquinaria epigenética compartida pueda coordinar la especificación temporal de las identidades neuronales con el momento de la maduración posmitótica. En particular, la regulación negativa gradual de la barrera epigenética se comparte entre los subtipos de neuronas excitadoras e inhibidoras en la corteza humana y de ratón in vivo.
Nuestro estudio se centró en las neuronas de la capa profunda TBR1+ y estudios adicionales deberían probar si la barrera epigenética modula los tiempos de maduración en otras neuronas, incluidas las de la capa superior.
Finalmente, los métodos para manipular el tiempo de maduración pueden permitir tecnologías mejoradas basadas en hPSC para interrogar las propiedades emergentes de las redes neuronales humanas y modelar la función neuronal similar a la de un adulto en enfermedades neurológicas.