Cuando el cerebro va a bucear: cómo pueden las focas aguantar sin aire durante una hora

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foca de casco o foca capuchina (Cystophora cristata)

Dos genes cerebrales pueden contribuir a su inusual tolerancia a la hipoxia

La foca de casco o foca capuchina es capaz de notables hazañas de buceo permaneciendo bajo el agua durante un máximo de una hora. Mariana Hoff y Andrej Fabrizius discuten su reciente investigación, publicada en BMC Genomics, que mira las adaptaciones moleculares en el cerebro de la foca de casco que le permite aguantar sin oxígeno durante períodos tan largos.

Para la mayoría de los mamíferos vivos de la tierra la falta de oxígeno por lo general resulta en un daño irreversible en el cerebro en pocos minutos. Una de las razones por las que esto sucede es porque este tejido altamente activo no puede hacer frente al desequilibrio entre la producción y la demanda de energía en condiciones deficientes en oxígeno (también conocido como hipoxia). Por otro lado, el cerebro de los mamíferos que bucean, como las ballenas y las focas, puede sobrevivir sin daños recurrentes a períodos prolongados de hipoxia causada por el buceo.

Hasta cierto punto, esta tolerancia cerebral se le atribuye a la combinación de adaptaciones de comportamiento de buceo, anatómicas y fisiológicas, tales como una disminución de la frecuencia cardíaca y la constricción de los vasos sanguíneos periféricos. Mucho menos estudiadas son adaptaciones celulares y moleculares en el cerebro de los mamíferos de buceo que posiblemente también contribuyan a su tolerancia a la hipoxia.

focas de casco o focas capuchina (Cystophora cristata)La evidencia que apoya la idea de que juegan un papel los mecanismos celulares y moleculares surgió de estudios electrofisiológicos de secciones del cerebro de la foca de casco (Cystophora cristata). Esta foca es un experto buceador con inmersiones registradas de hasta 1 hora y profundidades de más de 1.000 m. Cuando se sometió a hipoxia in vitro a neuronas de esta foca fócida ártica, permanecieron activas durante un periodo prolongado, mientras que las neuronas de ratones murieron inmediatamente.

En nuestro artículo (dice Mariana Hoff), investigamos las adaptaciones moleculares de la foca de casco utilizando secuenciación-RNA (RNA-seq). En primer lugar, obtuvimos un transcriptoma de la corteza visual de la foca de casco con más de 10.000 transcripciones. A continuación, se compararon los niveles de mRNA con los de la corteza de un pariente terrestre cercano, el hurón. Hemos encontrado en el cerebro de la foca una reducción general de los niveles de expresión de genes relacionados con el metabolismo de la energía. Y, lo más importante, hemos identificado en el cerebro de la foca dos genes candidatos potenciales que tienen un nivel de expresión inusualmente alto y por lo tanto pueden contribuir a su inusual tolerancia a la hipoxia.

En el nivel de mRNA más alto en la corteza de la foca se encontró clusterina (CLU), que es una proteína chaperona con una variedad de funciones. Por ejemplo, la CLU interfiere con la vía de la apoptosis BAX mediada, promoviendo así la supervivencia celular. El alto nivel de CLU en el cerebro de la foca se puede interpretar ya sea como una preadaptacion que la protege de los daños asociados con inmersiones o como consecuencia de la condición de estrés durante o después de una inmersión.

Niveles de expresión de Clu (azul) y S100B (verde) en mamiferos

Figura: Niveles de expresión de Clu (azul) y S100B (verde) en los tejidos del cerebro de mamíferos de buceo y de no buceo, indicando las regiones específicas del cerebro y la especie.

La mayor diferencia en los niveles de mRNA entre el la foca capuchina y el cerebro del hurón se encontraron para el S100B, que está altamente expresado en el cerebro de la foca. S100B es una proteína Ca2+ de unión de estrés con funciones tales como la regulación de la proliferación celular y la activación de los astrocitos durante el daño y enfermedades cerebrales. Lo más interesante, más análisis comparativos de la transcriptomes cerebrales disponibles demostraron que los niveles de ARNm de S100B también fueron altos en la ballena minke y de Groenlandia, pero bajos en los mamíferos terrestres. Por lo tanto, el S100B parece ser componente de un mecanismo de adaptación común que evolucionó de manera convergente en las ballenas y las focas para sobrevivir mejor el reducido suministro de oxígeno durante las inmersiones.

Sin embargo, este no es el final de la historia. Las funciones de estos dos candidatos en la adaptación al buceo deben investigarse más a fondo ya que, por ejemplo, el S100B también puede promover el cáncer, y la CLU está implicada en varias enfermedades neurodegenerativas en seres humanos, además de estar asociada con el envejecimiento.

Artículo científico: When the brain goes diving: transcriptome analysis reveals a reduced aerobic energy metabolism and increased stress proteins in the seal brain

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