06 de abril de 2001
Ratones quimeras ofrecen pistas sobre cómo funciona el reloj cerebral
Al estudiar ratones cuyos cerebros contienen un grupo de diferentes
neuronas que producen ritmos circadianos normales y ritmos más
largos de lo normal, unos investigadores están comenzando a
entender cómo las neuronas sincronizan su comportamiento
oscilatorio para controlar el reloj interno de 24 horas del cuerpo.
Los experimentos son el comienzo de una nueva vía de
investigación, dicen los científicos, que va más
allá de descubrir los genes que producen la maquinaria del reloj
interno, al explorar cómo las células del cerebro
interactúan para producir ritmos circadianos coherentes.
Los científicos también dicen que la técnica de
producir un grupo de diferentes ratones genéticos, o "quimeras",
ofrece una forma prometedora de estudiar cómo las células
trabajan conjuntamente en las diversas regiones del cerebro para
generar comportamientos específicos.
La mayoría de los relojes biológicos funcionan con un
ciclo de 24 horas, o ciclo circadiano (del latín, "cerca de un
día"), que gobierna funciones tales como el dormir y el
despertar, el descanso y la actividad, la regulación del balance
de líquidos, de la temperatura corporal, del rendimiento
cardíaco, del consumo de oxígeno y de la secreción
de las glándulas endocrinas. En mamíferos, los
componentes principales del reloj circadiano se encuentran en las
células en el núcleo supraquiasmático (SCN, por
sus siglas en inglés) del cerebro. Dentro de estas
células, los componentes moleculares del reloj son
"reacomodados" diariamente por los efectos de la luz y otros
estímulos.
En un artículo publicado en el número del 6 de abril
de 2001, de la revista Cell, el investigador del Instituto
Médico Howard Hughes, Joseph S. Takahashi y Sharon Low-Zeddies,
ambos en la Universidad Northwestern, informaron que crearon más
de 200 ratones quimeras distintos, cuyos núcleos
supraquiasmáticos tenían diferentes proporciones de
neuronas circadianas normales y mutantes.
Los ratones fueron diseñados genéticamente utilizando
una técnica estándar para producir ratones quimeras. Los
investigadores combinaron embriones de ocho células de ratones
de tipo salvaje con células de embriones que contenían un
gen Reloj mutante, lo que lleva a la pérdida de ritmos
circadianos y hace que el período tenga una longitud de 27 a 29
horas en animales homocigotas (ratones con dos copias del gen
mutante).
Generalmente, estos embriones agregados forman de manera
espontánea un único embrión, que entonces puede
ser implantado en un ratón substituto que parirá un
ratón quimera. Dado que los ratones de tipo salvaje eran albinos
y los ratones mutantes eran pigmentados, los científicos
podían determinar qué animales eran quimeras por el color
jaspeado de su pelaje y la pigmentación del ojo. Además,
las células Reloj mutantes llevaban un marcador
genético para una tinción característica, de modo
que los científicos podían distinguir las células
Reloj mutantes de las células de tipo salvaje, al
examinar los cerebros de los animales.
Los científicos midieron el comportamiento circadiano de los
animales quimeras usando los análisis estándares para
medir la cantidad de tiempo que estos pasaban en las ruedas que
tenían en sus jaulas. "Uno de los hechos importantes
establecidos en investigaciones anteriores con ratas y ratones era que
las neuronas individuales del SCN podían generar sus propias
oscilaciones circadianas in vitro", dijo Takahashi. "Esos
experimentos resultaron importantes porque demostraron que el oscilador
circadiano en mamíferos es celular-independiente o
celular-intrínseco para las neuronas del SCN".
Un segundo aspecto importante que se aprendió de estudios
anteriores, dijo Takahashi, fue que la mutación Reloj
reducía la amplitud y alargaba los ritmos circadianos de
neuronas individuales in vitro. Finalmente, hizo notar que los
investigadores encontraron que ratas y hámsteres a los que se
les había lesionado el SCN, perdían el ritmo circadiano.
Transplantes de tejidos del SCN restauraban los ritmos circadianos en
los animales.
Todos estos experimentos anteriores sugieren que el estudio de los
ratones Reloj quimeras puede ofrecer un nuevo entendimiento
sobre cómo funcionan las células del SCN para generar los
ritmos circadianos de los animales, dijo Takahashi. El estudio de los
ratones quimeras será considerablemente más ventajoso que
el estudio de animales con tejidos trasplantados porque la estructura
del SCN permanecerá intacta, dijo.
Low-Zeddies y Takahashi midieron y analizaron la actividad
circadiana de los ratones quimeras, cuyos SCN pasaban de tener
mayoría de células Reloj mutantes a tener
mayoría de células de tipo salvaje. Sus estudios
demostraron que, de acuerdo al comportamiento, cerca de un tercio de
los ratones quimeras parecían ser animales normales de tipo
salvaje, un tercio parecía ser mutante homocigota y el tercio
restante intermedio.
"Esto sugirió que para dominar el comportamiento de los
animales, el SCN tenía que tener mayoría de un tipo de
célula", dijo Takahashi. "Eso podría parecer obvio, pero
resultó que no era predecible porque los experimentos de
lesiones demostraban que si apenas se tenía algunas
células restantes en el SCN, esas eran suficientes para generar
los ritmos", dijo. "Sin embargo, encontramos claramente que el SCN
necesita mayoría de un tipo de célula para dominar el
comportamiento".
Según Takahashi, sin embargo, uno de los resultados
más interesantes fue que algunos de los ratones quimera
intermedios se comportaban como animales mutados genéticamente
que eran heterocigotas-esto quiere decir que cada una de sus
células tenía un gen Reloj mutante y un gen de
tipo salvaje-. Los animales quimera intermedios y los mutantes
heterocigotas presentaron ritmos circadianos intermedios de 25
horas.
"Este resultado demuestra enfáticamente que las interacciones
entre células y la integración de estos períodos
deben estar ocurriendo en estos ratones", dijo Takahashi. "Y dado que
los períodos en tales quimeras son coherentes y estables, la
única forma de conseguir esto es que todas las células
estén sincronizadas".
Análisis comparativos de los animales quimeras realizados por
Low-Zeddies y Takahashi revelaron que el período de
oscilación circadiana y la amplitud de la actividad del animal
no siempre varía relacionadamente. En cambio, en animales
mutantes Reloj, la extensión del período
circadiano va siempre acompañada de una disminución en la
amplitud de la actividad del animal mutante.
"No creemos que alguien haya encontrado que el período y la
amplitud puedan variar independientemente", dijo Takahashi. "Tales
hallazgos son tan complejos y delicados que no habrían sido
posibles sin la utilización de un número y variedad de
animales tan grandes".
Estudios adicionales serán necesarios para entender los
detalles sobre cómo las neuronas del SCN coordinan el ritmo
circadiano, dijo Takahashi. Sin embargo, dijo, esta nueva estrategia
será una vía importante que se utilizará para
entender la organización fisiológica de los ritmos
circadianos.
"Durante los últimos cuatro años, el campo ha estado
inmerso en el descubrimiento de genes y en la descripción del
mecanismo molecular del reloj circadiano en mamíferos, moscas y
otros organismos", dijo. "Por supuesto, los genes son importantes, pero
para entender el comportamiento animal, tenemos que entender
cómo interactúan las células en el cerebro para
producir un comportamiento circadiano coherente". Finalmente, Takahashi
enfatizó que los experimentos con quimeras demuestran tener una
nueva función en estudios con tales animales.
"El análisis de quimeras se ha aplicado tradicionalmente a
problemas de desarrollo en la biología del ratón", dijo.
"Pero este estudio demuestra que también puede ser aplicado al
estudio de cómo la estructura cerebral gobierna el
comportamiento, lo que tradicionalmente se había pensado era un
mecanismo demasiado complejo para ser estudiado de esta forma".
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