Entender la formación de patrones cerebelosa

Soy Kathy Millan. Soy profesor asistente en la Universidad de Chicago en el Departamento de Genética Humana y también en el Departamento de Neurología. Y trabajo en el desarrollo del cerebro, y específicamente trabajo en el desarrollo de Cere Butler, el cerebelo, la parte del cerebro aquí en la parte posterior del cráneo.

Y es más famoso por su papel en el desarrollo motor, pero resulta que está involucrado en muchas cosas. Y es una parte muy interesante del cerebro: la formación de patrones es el desarrollo de patrones en un sistema biológico. Y es una de estas palabras que los biólogos del desarrollo usan de una manera blanda para significar casi cualquier cosa.

Y no está muy claro lo que significa. Creo que cada biólogo del desarrollo te daría una versión diferente de lo que significa para mí. Lo que significa es cómo el cerebro, o en particular el cerebelo, sabe de arriba hacia abajo, ¿cómo se define, cómo se define la izquierda y la derecha?

¿Cómo se decide qué parte de la estructura va a ser y cuál? Y una vez que se han tomado esas decisiones críticas y fundamentales sobre los primeros embriones, ¿cómo se reúne toda la estructura celular para formar la parte del cerebro con un patrón exquisito que llamamos cerebelo? Así que estamos realmente interesados en el desarrollo del cerebelo y la información de patrones en el cerebelo en desarrollo.

Porque el cerebelo es un tejido exquisitamente modelado. No tiene tantas capas de células ni tantos tipos de células. Entonces, en relación con otras partes del cerebro, es especialmente, bueno, es una estructura relativamente simple.

Y también porque el cerebelo tiene una función muy específica, o una de muchas funciones es la coordinación motora. Cuando los ratones o los humanos tienen anomalías cerebelosas, uno de los fenotipos resultantes es la descoordinación motora. Y así, a lo largo de los cien años más o menos de genética de ratones, ha habido múltiples mutantes espontáneos de ratones que se han descubierto y caracterizado hasta cierto punto, pero también aislados y sentados en el estante de los Laboratorios Jackson, donde son ratones con anomalías motoras.

Y un gran número de esos ratones, creo que hay más de 60 cepas espontáneas, tienen anomalías del desarrollo cerebeloso. Y ese recurso es un recurso realmente valioso y rico para observar cuáles son los mecanismos de desarrollo que impulsan la formación del patrón cerebeloso. Así que una cosa en la que se centra mi laboratorio es en tomar todas las herramientas que tenemos del Proyecto Genoma Humano y el Proyecto Genoma del Ratón, y usar esos reactivos moleculares para ir y encontrar los genes que son mutantes mutantes en todos esos mutantes espontáneos.

Y al encontrar esos mutantes, adoptamos un enfoque centrado en el fenotipo para encontrar genes. Así que no estamos tomando genes al azar y eliminándolos. Estamos encontrando fenotipos y encontrando los genes porque al usar ese enfoque, estamos encontrando específicamente genes que son particularmente relevantes para el sistema de interés.

Así que nuestro laboratorio y muchos otros laboratorios han clonado varios de estos mutantes espontáneos en ratones. Y esos mutantes espontáneos de ratón han dado lugar a una nueva biología realmente interesante. Porque estamos adoptando este enfoque basado en el fenotipo.

No tenemos ninguna idea preconcebida sobre qué tipo de genes vamos a encontrar. No estamos buscando específicamente análogos dal ho o mutaciones de canal. Estamos llegando a los genes que dictan los fenotipos.

Y debido a eso, estamos aprendiendo mucha biología nueva. Entonces, por ejemplo, uno de los genes o uno de los fenotipos en los que mi laboratorio ha trabajado y juntos, cuando era postdoc con otro colega, Jim Linig, trabajamos en un ratón mutante llamado dre, que en alemán significa spinner o girar como una peonza. Y estos ratones mutantes surgieron por primera vez en 1929 en Alemania y se han ido acumulando en los Laboratorios Jackson.

Hay múltiples alelos de este locus en particular, y se sabía que el cerebelo estaba formado incorrectamente. Así que todos los tipos de células cerebelosas estaban allí, pero el patrón del cerebelo era anormal. Faltaba la parte media, la parte central se llamaba verus.

Y descubrimos que había un fenotipo embrionario temprano en estos ratones que condujo a ese fenotipo adulto. Y el fenotipo fue el resultado de una mutación en un gen llamado LMX uno A, que significa dominio homeo de la extremidad que contiene la caja uno. Por lo tanto, el gen L LMX uno A se ha convertido en un gen realmente interesante e importante en la biología del desarrollo porque es uno de los genes más críticos para definir lo que está en el sistema nervioso central o lo que es dorsal.

Y sin tener esta rara mutación, nadie sabía realmente qué hacía este gen. De hecho, se había encontrado por otras razones en las células productoras de insulina del páncreas. Y otras personas lo habían estado estudiando para determinar su posible papel en la diabetes.

Pero, de hecho, resulta que el LMX que envejece realmente por sí solo no tiene ningún papel en el desarrollo del páncreas o el desarrollo de las células de los ojales. Y, de hecho, su papel principal en el desarrollo es impulsar el patrón dorsal en el sistema nervioso central. Cuando clonamos por primera vez el gen DR, el gen LMX A, nos dimos cuenta de que solo se expresa en la parte dorsal del sistema nervioso central.

Y, de hecho, no solo se expresa en la parte dorsal del sistema nervioso central o en la placa del techo que se llama justo alrededor del cerebelo. De hecho, se expresa en la parte dorsal del sistema nervioso central a lo largo de toda la longitud axial del embrión de ratón. Y, de hecho, se expresa a lo largo de toda la longitud axial de todos los vertebrados que hemos analizado hasta ahora.

Y debido a que se expresa dorsalmente en todas partes, razonamos que debe tener un papel dorsalmente en otras partes del sistema nervioso central. Y así, en realidad pasamos mucho tiempo caracterizando el fenotipo de los ratones DR en la médula espinal porque la médula espinal es en realidad un sistema modelo mucho mejor para comprender el desarrollo del SNC que el cerebelo porque es mucho menos complicado tridimensionalmente. Tiene mucha menos estructura tridimensional.

Al cambiar al pollito, pudimos aprovechar una gran cantidad de reactivos para averiguar cuál era el papel de LMX one A en la médula espinal. Y de la médula espinal, volvimos al cerebelo. Y, francamente, no creo que sin la tecnología de la chick ation, realmente hubiéramos tenido una gran comprensión de lo que hace un gen LMX, un postdoctorado en mi laboratorio, Victor Chiko, fue la persona que realmente tomó estos experimentos y los ejecutó.

Y él fue la persona que realmente descubrió lo que hace el gen LMX y su papel principal en el sistema nervioso central mediante el uso del sistema de electroporación de Chick. Y, sinceramente, no creo que hubiéramos podido avanzar tanto como lo hicimos sin la electroporación de pollitos. Por lo tanto, la electroporación de pollitos es una tecnología realmente valiosa porque se pueden sobreexpresar genes rápidamente en el sistema nervioso de los pollitos en desarrollo, obtener un resultado después de dos o tres días de incubación y obtener fenotipos analizables.

Si realmente se intentara hacer manipulaciones genéticas en ratones para animales transgénicos, eso llevaría varios meses y para los knockouts, etcétera, eso llevaría al menos un año y medio. Por lo tanto, el sistema de chick ation es un sistema realmente valioso porque se puede manipular la expresión génica y se pueden descubrir los fenotipos rápidamente. Por lo tanto, el envejecimiento de LMX cuando se sobreexpresa en el sistema nervioso del pollito en desarrollo, en particular, la médula espinal en desarrollo, hizo que toda la parte dorsal del sistema nervioso central o la médula espinal se convirtiera en una parte dorsal del sistema nervioso central o la placa del techo.

Y lo que eso nos dijo, en combinación con un montón de otros experimentos que hizo Víctor, fue que el LMX un A por sí solo es responsable de impulsar todo el programa de diferenciación de la placa del techo. Y eso es importante porque la placa del techo es un centro de señalización crítico en el sistema nervioso en desarrollo. Si no tienes una placa de techo, no segregas morfógeno para decirle a las células del tubo neural adyacentes que se conviertan en neuronas sensoriales dorsales.

Y sin esas señales, esas celdas entran en un estado predeterminado de un tipo de celda intermedio. Y se pierden la mayoría de las neuronas dorsales en la médula espinal, pero también en el cerebelo en desarrollo. Y no creo que hubiéramos podido llegar fácilmente a esa conclusión utilizando ningún otro sistema que no fuera el tubo neuronal del pollo.

Estamos realmente interesados en el desarrollo cerebeloso, no solo por la biología básica en los sistemas de ratones y también en el polluelo, sino que también los humanos tienen malformaciones cerebelosas. Y esas malformaciones cerebelosas humanas son realmente poco conocidas. Y así, en colaboración con un colega, el Dr. William Dobbins, uno de los expertos mundiales en malformaciones cerebrales humanas, hemos iniciado un proyecto para encontrar genes de malformaciones cerebelosas humanas.

Y estamos adoptando varios enfoques. Una de las cosas más importantes que hemos hecho es construir una base de datos de ADN y una base de datos clínica donde hemos reclutado a más de 500 pacientes con malformaciones cerebelosas humanas definidas y hemos recopilado imágenes de resonancias magnéticas y también las hemos correlacionado con muestras de ADN para que podamos usar eso como un recurso para la búsqueda de genes, porque resulta que las malformaciones cerebelosas humanas no están bien categorizadas en absoluto. Y honestamente diría que de cada 10 exploraciones que recibimos a través de nuestros estudios, al menos una de esas exploraciones es alguna malformación que nunca se ha descrito y que realmente no se ha reconocido antes.

La malformación cerebelosa humana más común se llama malformación de Dandy Walker, y es la más reconocida por los médicos. Pero resulta que es una especie de diagnóstico basura del mundo cerebeloso humano. Cualquier médico o muchos médicos, cuando ven un cerebelo anormal clasificado como dandy walker.

Y así reclutamos pacientes para nuestro estudio de malformaciones de Dandy Walker, y encontramos todo tipo de malformaciones cerebelosas interesantes. Así que estamos usando este recurso para encontrar nuevos genes del desarrollo cerebeloso, porque como biólogo del desarrollo, lo que creo es que los humanos son un gran experimento de mutagénesis. Son una gran fuente para encontrar nuevos genes de desarrollo.

Así que estamos adoptando varios enfoques para encontrar esos genes. Uno de esos enfoques es tomar genes que hemos descubierto en ratones que tienen roles en el desarrollo cerebeloso y secuenciar esos genes en humanos. Y, de hecho, recientemente hemos identificado la primera mutación LMX uno A humana.

Hasta ahora ha habido aplicaciones muy limitadas de nuestra investigación en ciencias básicas a la investigación clínica. Pero eso está cambiando muy rápidamente. A medida que vamos encontrando genes nuevos y nuevos, podemos proporcionar nueva información de asesoramiento genético a las familias de los niños afectados.

Y, francamente, ahí es donde veo el mayor impacto de nuestra investigación. Por lo tanto, mi visión para el campo de cinco años en cinco años es que se habrán producido muchos más descubrimientos genéticos, tanto por la caracterización de modelos de ratón como por el trabajo en malformaciones cerebelosas humanas. Vamos a conocer más sobre el conjunto de genes que están involucrados en el desarrollo cerebeloso.

Y luego el objetivo va a tener que ser cómo interactúan esos genes entre sí, y cómo esos genes impulsan la biología real. ¿Cómo impulsan todos los diferentes eventos celulares que tienen lugar para formar un cerebelo? Y creo que el cerebelo es realmente un modelo ideal para todo el sistema nervioso central porque, francamente, solo hay de cinco a siete tipos principales de células neuronales.

Todos están dispuestos de una manera estereotipada. Estamos aprendiendo cada vez más sobre las moléculas que impulsan la especificación y la diferenciación temprana de esos progenitores. Cada vez sabemos más sobre cómo proliferan esas células.

Así que creo que dentro de más de cinco años, pero en última instancia, veo que el campo puede ir desde el desarrollo del tubo hasta el desarrollo cerebeloso para lograr la forma madura del cerebelo. Y creo que debido a que el cerebelo es un sistema relativamente simple, tenemos la esperanza de descubrir realmente las moléculas y los eventos de desarrollo que impulsan la formación de todo el cerebelo central. Y creo que eso es realmente importante, no solo para el campo del diagnóstico genético en humanos, y es importante para el campo del desarrollo cerebeloso, sino que creo que también vamos a tener aplicaciones de esos mecanismos a otras partes del cerebro.

El cerebelo es una estructura relativamente simple, pero muchos de los eventos del desarrollo no van a ser exclusivos del cerebelo. Podemos llevar lo que aprendimos del cerebelo a otras regiones más complicadas del sistema nervioso central como la corteza cerebral, y tomar las lecciones y las vías que aprendimos y descubrir cómo se aplican al resto del cerebro.