Pequeñas criaturas marinas revelan el origen de las neuronas

Un estudio publicado hoy en la revista Cell arroja nueva luz 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.

Estas criaturas, con forma de disco aplanado, están entre los animales más simples conocidos, y no tienen partes del cuerpo u órganos.

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 también su alimentación.

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 el aspecto y el funcionamiento del organismo de nuestros ancestros.

Tipos celulares antiguos

El primer paso consistió en crear un mapa de 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, los investigadores crearon un mapa de las regiones reguladoras en el ADN que controlan la expresión conjunta de estos genes. Esto ofrece una visión abarcadora sobre lo que hace cada célula y cómo trabajan juntas.

Finalmente, se 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.

Los expertos hallaron asimismo 14 tipos diferentes de células peptidérgicas, pero estas eran diferentes a todas las demás células, y no mostraban tipos intermedios ni signos de crecimiento o división.

Sorprendentemente, las células peptidérgicas compartían muchas características con las neuronas, un tipo celular que se cree que apareció millones de años después en el ancestro común 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.

La evolución de la neurona

La similitud entre las células peptidérgicas y las neuronas es triple. Primero, el trabajo 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 científicos 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 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 Sebastián R. Najle, primer 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 Tierra antigua.

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 eventualmente 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 ser contada. Se cree que la primera neurona moderna tuvo su origen en el ancestro común 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 Xavier Grau-Bové, primer coautor del estudio.

Los científicos creen que, a medida que la ciencia mundial continúe secuenciando genomas de alta calidad de especies diversas se estrecha 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 existencia. 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, autor principal del estudio y líder de grupo junior en el Centro de Regulación Genómica.

Referencia:

Sebé-Pedrós, A. et al. "Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution". Cell (2023)