El origen evolutivo de las neuronas

¿En qué momento de la evolución de la vida aparecieron las neuronas como células especializadas que acabarían haciendo posible el portento de la inteligencia de los animales complejos y en especial del ser humano? Un estudio reciente ha encontrado una importante pista sobre ello.

El nuevo estudio aporta datos nuevos y reveladores sobre la evolución de las neuronas, centrándose en los placozoos, unos animales marinos de alrededor de un milímetro de tamaño. Un equipo científico del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona demuestra que las células secretoras especializadas presentes en estas criaturas únicas podrían haber dado lugar a neuronas en animales más complejos.

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 cálidos y poco profundos. Estas criaturas, con forma de disco aplanado, están entre los animales más simples conocidos, y no tienen partes del cuerpo u órganos. Se cree que aparecieron en la Tierra hace unos 800 millones de años y son uno de los cinco principales linajes de los animales, junto con los ctenóforos, las esponjas, los cnidarios (corales, anémonas de mar y medusas) y los bilaterales (todos los demás animales, incluido el ser humano).

Los placozoos coordinan su comportamiento gracias a las células peptidérgicas que liberan pequeños péptidos que permiten coordinar el movimiento o la alimentación del animal. Impulsados por la curiosidad sobre el origen de estas células, los autores del estudio utilizaron una serie de técnicas moleculares y modelos computacionales para entender cómo evolucionaron los diferentes tipos de células de placozoos y reconstruir cuál podría haber sido su aspecto y cómo podrían haber funcionado nuestros ancestros.

Reconstruyendo tipos celulares antiguos

Primero, el equipo creó un mapa de todos los diferentes tipos celulares de placozoos, anotando sus características en cuatro especies diferentes. Cada tipo celular tiene un papel especializado que proviene de la expresión conjunta de ciertos de genes. Estos mapas o «atlas celulares» permitieron trazar conglomerados o «módulos» funcionales de genes. Luego crearon un mapa de las regiones reguladoras en el ADN que controlan la expresión conjunta de estos genes. En conjunto, esto ofrece una visión esclarecedora sobre lo que hace cada célula y cómo trabajan juntas. Finalmente, realizaron comparaciones entre especies para reconstruir cómo evolucionaron los tipos de células.

El estudio muestra que los nueve tipos celulares principales en los placozoos parecen estar conectados por muchos tipos de células «intermedias» que cambian de un tipo a otro. Las células 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. También encontraron catorce tipos diferentes de células peptidérgicas, pero estas eran diferentes a todas las demás células, no mostrando tipos intermedios ni signos de crecimiento o división.

Sorprendentemente, las células peptidérgicas compartían muchas similitudes con las neuronas, un tipo celular que se cree que apareció millones de años después en el ancestro común más reciente de los animales bilaterales y cnidarios. Los análisis comparativos entre especies revelaron que estas similitudes son únicas de los placozoos y no aparecen en otros animales con una ramificación más temprana como las esponjas o los ctenóforos.

Imagen obtenida mediante microscopio en la que se muestra el núcleo de un ejemplar de Trichoplax sp. H2, una de las cuatro especies de placozoos de las cuales los autores del estudio han confeccionado un catálogo de células. (Imagen: Sebastián R. Najle / Centro de Regulación Genómica. CC BY-ND)

La evolución de la neurona, paso a paso

La similitud entre las células peptidérgicas y las neuronas es triple. Primero, el estudio demuestra que estas células de placozoos se diferencian a partir de una población de células epiteliales progenitoras a través de señales de desarrollo que se asemejan a la neurogénesis, el proceso por el cual se forman nuevas neuronas, en cnidarios y bilaterales.

En segundo lugar, los autores del estudio encontraron que las células peptidérgicas tienen muchos módulos de genes necesarios para construir la parte de una neurona que puede enviar un mensaje (el complejo presináptico). Sin embargo, estas células están lejos de ser una verdadera neurona, ya que carecen de los componentes para el extremo receptor de un mensaje neuronal (complejo postsináptico) o los componentes necesarios para conducir señales eléctricas.

Finalmente, técnicas de aprendizaje profundo (una modalidad de inteligencia artificial) mostraron que los tipos de células de placozoos se comunican entre sí utilizando un sistema en las células donde unas proteínas específicas, llamadas GPCRs (receptores acoplados a proteínas 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 distintos procesos fisiológicos.

«Nos asombraron las similitudes», afirma el Dr. Sebastián R. Najle, coautor del estudio e investigador postdoctoral en el Centro de Regulación Genómica. «Las células peptidérgicas de los placozoos tienen muchas similitudes con las células neuronales, aunque claramente no lo sean. Es como observar un paso intermedio en la evolución de las neuronas.»

La primera neurona

El estudio demuestra que los componentes básicos de la neurona comenzaron a formarse hace 800 millones de años en animales ancestrales que vivían 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 células secretoras peptidérgicas de los placozoos actuales. Estas células se comunicaban mediante neuropéptidos, pero finalmente adquirieron nuevos módulos genéticos que les permitieron crear el andamio postsináptico, formar axones y dendritas y crear canales iónicos que generan señales eléctricas rápidas. Estas innovaciones fueron cruciales para el amanecer de la neurona alrededor de cien millones de años después de que los ancestros de los placozoos aparecieran por primera vez en la Tierra.

Sin embargo, la historia evolutiva completa de los sistemas nerviosos aún está por contar. Se cree que la primera neurona moderna tuvo su origen en el ancestro común más reciente de los cnidarios y los bilaterales hace unos 650 millones de años. Y, aun así, existen células parecidas a las neuronas en ctenóforos, aunque tienen importantes diferencias estructurales y carecen de la expresión de la mayoría de los genes encontrados en las neuronas modernas. La presencia de algunos de estos genes neuronales en las células de los placozoos y su ausencia en ctenóforos plantea nuevas preguntas sobre la trayectoria evolutiva de las neuronas.

«Los placozoos carecen de neuronas, pero ahora hemos encontrado sorprendentes similitudes moleculares con nuestras células neuronales. Por otro lado, los ctenóforos sí 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 más de una vez, en paralelo? ¿Son un mosaico, donde cada pieza tiene un origen diferente? Estas son preguntas que aún quedan por responder», afirma el Dr. Xavier Grau-Bové, coautor del estudio e investigador postdoctoral en el Centro de Regulación Genómica.

Los autores del estudio creen que, a medida que la ciencia mundial continúe secuenciando genomas de alta calidad de especies diversas, se estrechará más el cerco sobre el origen de las neuronas y la evolución de otros tipos celulares. «Las células son las unidades fundamentales de la vida, por lo que comprender cómo surgen o cambian con el tiempo es esencial para explicar la historia evolutiva de la vida. Los placozoos, ctenóforos, esponjas y otros animales tradicionalmente poco estudiados esconden secretos que apenas estamos comenzando a descifrar», concluye el profesor de investigación ICREA Arnau Sebé-Pedrós, coautor del estudio y líder de grupo junior en el Centro de Regulación Genómica.

El estudio se titula “Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution”. Y se ha publicado en la revista académica Cell. (Fuente: CRG)