Comparten en muchas regiones patrones de expresión genética sorprendentemente similares a los del ratón
¿Cómo era el primer cerebro complejo de los vertebrados? Para averiguarlo, los científicos recurrieron a un viajero del tiempo poco probable: la lamprea, un pez sin mandíbulas, parecido a una anguila, cuyo plan corporal apenas ha cambiado en aproximadamente 360 millones de años.
En un nuevo estudio un equipo de investigadores liderado por Su Bing del Instituto de Zoología de Kunming de la Academia China de Ciencias, junto con colaboradores de BGI-Research y la Universidad Normal de Liaoning, construyó el primer atlas tridimensional de células individuales de un cerebro completo de lamprea, que es esencialmente un mapa de alta resolución que muestra la ubicación de cada célula y qué genes están activos en cada una de ellas.
Los investigadores descubrieron que, si bien las lampreas divergieron de los vertebrados con mandíbulas hace unos 450 millones de años, sus cerebros comparten en muchas regiones patrones de expresión genética sorprendentemente similares a los del ratón.
Este hallazgo sugiere que el ancestro común de todos los vertebrados probablemente ya poseía un cerebro bien organizado y molecularmente complejo.
Imagen: Atlas transcriptómico tridimensional del cerebro de la lamprea y evolución del cerebro de los vertebrados. Integrando Stereo-seq y snRNA-seq, construimos un atlas tridimensional completo de células individuales que delimita 14 regiones del cerebro de la lamprea. Los análisis entre especies de diversos clados de vertebrados dilucidan los principios subyacentes de la evolución divergente de la estructura cerebral, la extensa especialización neuronal impulsada por variaciones de familias de genes y el origen evolutivo temprano de la estructura cerebelosa. Ma, millones de años atrás. Crédito: Instituto de Zoología de Kunming.
Sin embargo, los investigadores demostraron que cada linaje también desarrolló sus propias innovaciones: la lamprea tiene neuronas únicas en el mesencéfalo y "células de Müller" de gran tamaño, mientras que los mamíferos desarrollaron una corteza más elaborada y estratificada.
Además, el atlas sugiere cómo se especializaron los tipos neuronales a lo largo de la evolución. La lamprea posee un tipo celular versátil llamado neurona enriquecida con anamniotas (AEN, por sus siglas en inglés) que transmite señales tanto excitatorias como inhibitorias simultáneamente, un proceso descrito como "función dual".
Al comparar especies vivas en todo el árbol de vertebrados, los investigadores encontraron que estas células de "duales" son comunes en las lampreas y el pez cebra, pero raras en los amniotas, que en cambio dependen de neuronas "especializadas" con funciones dedicadas. Los investigadores sugieren que este contraste está relacionado con una antigua duplicación del genoma completo.
Imagen derecha: Portada de la revista Science con el estudio sobre el cerebro de la lamprea.
Además, los investigadores revelaron que incluso el cerebelo, el centro de coordinación del cerebro, muestra orígenes primitivos: las células de la lamprea que se asemejan a las neuronas cerebelosas apuntan a una difusa y primitiva "región similar al cerebelo".
En general, el estudio ayuda a reconstruir el patrón evolutivo del cerebro ancestral de los vertebrados y proporciona nuevas perspectivas sobre cómo los cerebros de los vertebrados se volvieron cada vez más complejos con el tiempo.
El estudio se ha publicado en Science el 18 de junio: Lamprey 3D single-cell transcriptomics reveals ancestral and specialized features of the vertebrate brain
