Hace unos 800 millones de años, los componentes básicos de nuestras células cerebrales comenzaron a formarse en océanos poco profundos. Una investigación publicada en la revista Cell proporciona nuevos conocimientos sobre la evolución de las neuronas, centrándose en los animales vivíparos, un animal marino de tamaño milimétrico. Científicos del Centro de Regulación del Genoma de Barcelona han descubierto que las células secretoras especializadas de estos animales antiguos y únicos pueden haber dado lugar a neuronas de animales más complejos.
Los animales vivíparos son animales diminutos, aproximadamente del tamaño de un gran grano de arena, que se alimentan en mares cálidos y poco profundos de algas y microorganismos que viven en superficies rocosas y otros sustratos. Las criaturas con forma de bola y panqueque son muy simples y no tienen partes ni órganos del cuerpo.
Se cree que estos animales aparecieron por primera vez en la Tierra hace unos 800 millones de años y son uno de los cinco filos de animales principales, junto con Ctenophora, Porifera, Cnidaria (corales, anémonas de mar y medusas) y Bilateria (todos los demás animales).
Estas criaturas marinas coordinan su comportamiento a través de células peptidérgicas, un tipo especial de célula que libera pequeños péptidos para dirigir el movimiento o la alimentación del animal. Impulsados por la curiosidad sobre los orígenes de estas células, los autores del estudio utilizaron una variedad de técnicas moleculares y modelos computacionales para comprender cómo evolucionaron los tipos de células animales vivíparas y reconstruir cómo eran y funcionaban nuestros ancestros antiguos.
Reconstruir tipos de células antiguas
Los investigadores primero crearon un mapa de todos los diferentes tipos de células animales vivíparas, observando sus características en cuatro especies diferentes. Cada tipo de célula tiene funciones específicas que surgen de un conjunto específico de genes. Estos mapas, o "atlas celulares", permiten a los investigadores trazar grupos o "módulos" de estos genes. Luego mapearon las regiones reguladoras del ADN que controlan estos módulos genéticos, mostrando claramente qué hace cada célula y cómo trabajan juntas. Finalmente, realizaron comparaciones entre especies para reconstruir la evolución de los tipos celulares.
Las investigaciones muestran que los nueve tipos celulares principales de los animales vivíparos parecen estar conectados por muchos tipos celulares "intermedios" que pasan de un tipo a otro. Estas células crecen y se dividen constantemente, manteniendo un delicado equilibrio de los tipos de células que el animal necesita para moverse y comer. Los investigadores también descubrieron 14 tipos diferentes de células peptidérgicas, pero estas células eran diferentes de todas las demás células y no mostraban ningún tipo intermedio ni signos de crecimiento o división.
Sorprendentemente, las células peptidérgicas tienen muchas similitudes con las neuronas, un tipo de célula que no apareció hasta millones de años después en animales más avanzados como los dichaetes. El análisis entre especies mostró que estas similitudes eran exclusivas de los animales vivíparos y no se observaron en otros clados tempranos, como las esponjas o los ctenóforos.
trampolín hacia la evolución
Las similitudes entre las células peptidérgicas y las neuronas son evidentes en tres aspectos. En primer lugar, los investigadores descubrieron que estas células animales vivíparas se diferenciaban de una población de células epiteliales nativas a través de señales de desarrollo similares al proceso de neurogénesis, la formación de nuevas neuronas, en gusanos y diplopodos.
En segundo lugar, descubrieron que las células peptidérgicas poseen muchos módulos genéticos que son necesarios para construir la parte de la neurona que envía mensajes (el andamiaje presináptico). Sin embargo, estas células están lejos de ser verdaderas neuronas porque carecen de los componentes en el extremo receptor de información de una neurona (post-sináptico) o de los componentes necesarios para conducir señales eléctricas.
Finalmente, los autores utilizaron técnicas de aprendizaje profundo para demostrar que la comunicación entre tipos de células animales vivíparas se produce a través de un sistema intracelular en el que proteínas específicas llamadas GPCR (receptores acoplados a proteína G) detectan señales externas e inician una serie de reacciones dentro de la célula. Estas señales externas están mediadas por neuropéptidos, mensajeros químicos utilizados por las neuronas en muchos procesos fisiológicos diferentes.
"Nos sorprendieron las similitudes", dijo Sebastián R. Najle, Ph.D., coprimer autor del estudio e investigador postdoctoral en el Centro de Regulación Genómica. "Las células peptidérgicas de los animales vivíparos tienen muchas similitudes con las células nerviosas primitivas, aunque todavía no han llegado a ese punto. Es como mirar un trampolín evolutivo".
El amanecer de las neuronas
El estudio muestra que los componentes básicos de las neuronas se formaron hace 800 millones de años en animales ancestrales que pastaban en mares poco profundos en la Tierra antigua. Desde una perspectiva evolutiva, las primeras neuronas pueden haberse parecido inicialmente a las células secretoras peptidérgicas de los animales vivíparos actuales.
Las células utilizaron neuropéptidos para comunicarse, pero finalmente adquirieron nuevos módulos genéticos que les permitieron crear estructuras postsinápticas, formar axones y dendritas y crear canales iónicos que generan señales eléctricas rápidas, innovaciones que fueron fundamentales para la aparición de neuronas unos 100 millones de años después de que los ancestros de los animales vivíparos aparecieran por primera vez en la Tierra.
Sin embargo, aún queda por determinar la historia evolutiva completa del sistema nervioso. Se cree que las primeras neuronas modernas se originaron a partir del ancestro común de cnidarios y anfibios hace unos 650 millones de años. Sin embargo, también existen células similares a neuronas en los ctenóforos, aunque son estructuralmente muy diferentes y carecen de la expresión de la mayoría de los genes que se encuentran en las neuronas modernas. Algunos de estos genes neuronales están presentes en células animales vivíparas pero no en ctenóforos, lo que plantea nuevas preguntas sobre la trayectoria evolutiva de las neuronas.
"Los animales vivíparos carecen de neuronas, pero ahora hemos descubierto que tienen sorprendentes similitudes moleculares con nuestras células nerviosas. Los ctenóforos tienen redes neuronales que tienen diferencias clave, así como similitudes, con las nuestras. ¿Las neuronas evolucionan una vez y luego se diferencian, o progresan en paralelo más de una vez?" ¿Son mosaicos y cada pieza tiene un origen diferente? Estas son preguntas abiertas que necesitan respuesta", afirmó Xavier Grau-Bové, Ph.D., coprimer autor del estudio e investigador postdoctoral en el Centro de Regulación del Genoma.
Los autores del estudio creen que a medida que los investigadores de todo el mundo continúen secuenciando genomas de alta calidad de diferentes especies, los orígenes de las neuronas y la evolución de otros tipos de células serán cada vez más claros.
"Las células son la unidad básica de la vida, por lo que comprender cómo surgen o cambian con el tiempo es clave para explicar la historia de la evolución de la vida. Los animales vivíparos, ctenóforos, esponjas y otros animales modelo no tradicionales guardan secretos que apenas estamos empezando a descubrir", concluye Arnau Sebé-Pedros, autor correspondiente del estudio, líder de grupo junior en el Centro de Regulación Genómica y profesor de investigación ICREA.