Los biólogos de Caltech han realizado el primer cribado a gran escala en un animal vertebrado para detectar genes que regulan el sueño, y han identificado un gen que cuando se sobreactiva causa insomnio severo. La expresión del gen, neuromedina U Nmu, también parece servir comoestimulante de la naturaleza: los peces que carecen del gen tardan más en despertarse por la mañana y son menos activos durante el día.
Los hallazgos mejoran nuestra comprensión de cómo se regula el sueño, un proceso del que sabemos sorprendentemente poco a pesar de su clara importancia. A largo plazo, los resultados sugieren que Nmu es un candidato potencial para nuevas terapias para abordar los trastornos del sueño.
Un artículo que describe el nuevo proceso de selección y sus resultados aparece en la edición del 17 de febrero de 2016 de la revista neurona . David Prober, profesor asistente de biología en Caltech, comenzó el trabajo como becario postdoctoral en la Universidad de Harvard y ha continuado el trabajo en Caltech desde 2009. Los autores principales del artículo son Cindy Chiu PhD '14, unaex estudiante de posgrado en el laboratorio de Prober, y Jason Rihel, quien colaboró con Prober en Harvard y ahora tiene su propio laboratorio en University College London.
"El sueño es un proceso misterioso", dice Prober. Pasamos un tercio de nuestras vidas haciéndolo, y todos los animales con un sistema nervioso complejo parecen hacerlo, por lo que debe ser importante. Pero todavía no entendemospor qué lo hacemos o cómo se regula ".
Las pantallas genéticas son un método poderoso que puede ayudar a identificar la base genética de tales comportamientos. Por lo general, implican mutar el ADN de miles de animales, criarlos, identificar cualquier diferencia física o de comportamiento resultante y determinar qué gen alterado produjo cada mutación.Este enfoque funciona bien para organismos modelo simples, como moscas de la fruta y gusanos, porque su anatomía es relativamente simple y es fácil criar un gran número de ellos, pero es mucho más difícil en vertebrados, como roedores.
Recientemente, el pez cebra ha surgido como un valioso sistema modelo de vertebrados para estudiar el sueño. En comparación con un ratón, es mucho más fácil trabajar con los peces pequeños y rayados. Muchos pueden criarse en un espacio pequeño una larva mide aproximadamente 4 milímetros de largo, aproximadamente del mismo tamaño que una mosca de la fruta; se desarrollan rápidamente, exhibiendo comportamientos complejos, como la caza, para cuando tienen cinco días de edad; y son transparentes durante sus etapas embrionarias y larvales, lo que facilita a los investigadores el seguimientolo que está sucediendo dentro de sus cerebros. Al igual que los humanos, el pez cebra duerme durante períodos de tiempo consolidados durante la noche. Además, dice Prober, "las similitudes anatómicas y moleculares entre el cerebro del pez cebra y el de los mamíferos sugieren que los circuitos neuronales básicos que regulan el sueño en el pez cebra probablemente se conservan en los mamíferos. "
En lugar de mutar el ADN y probar qué funciones se perdieron, los investigadores utilizaron un enfoque de ganancia de función en el nuevo estudio. Justo después de la fertilización, cuando los embriones de pez cebra aún eran células individuales, los investigadores les inyectaron una molécula de ADN, llamado plásmido, que lleva un gen que se insertó en el genoma de algunas de las células de cada pez. En particular, querían probar genes que se predice que codifican proteínas secretadas, aquellas, como los neuropéptidos, que las células producen yluego se liberan. Muchos de los genes que se han identificado como involucrados en el sueño codifican neuropéptidos.
Usando un interruptor genético llamado promotor de choque térmico, que se enciende solo cuando los peces se calientan a unos 37 grados Celsius, los biólogos pudieron controlar cuándo el pez expresaba cada gen insertado. Mantuvieron el interruptor encendido el tiempo suficiente paralos peces para sobreexpresar cada gen, haciendo muchas copias de los productos. Luego usaron rastreadores de video computarizados para monitorear a los peces durante varios días para ver qué genes afectaban el sueño.
A continuación, los investigadores crearon un pez cebra transgénico para cada uno de los genes que habían demostrado efectos fuertes sobre el sueño en la pantalla genética. Ese enfoque laborioso les dio un pez cebra en el que todas las células sobreexpresaban un gen en particular en respuesta al choque térmico, proporcionando másresultados robustos.
Al final, el cambio más significativo se debió a la sobreexpresión de Nmu, un gen que también se encuentra en mamíferos y se expresa en una parte del cerebro llamada hipotálamo.
"Después del choque térmico, los peces que sobreexpresan Nmu son mucho más activos durante el día y la noche", dice Prober. "Los peces casi no duermen en toda la noche después del choque térmico, por lo que muestran unforma muy profunda de insomnio ".
Cuando los investigadores mutaron el pez cebra para que no tuvieran Nmu, las larvas estaban menos activas durante el día. Los peces adultos sin el gen eran particularmente lentos a primera hora de la mañana.
Como los humanos, el pez cebra normalmente comienza a despertarse al final de la noche y luego se vuelve mucho más activo cuando se encienden las luces. "Los peces sin Nmu son defectuosos en esta anticipación del amanecer", dice Prober.que este gen es particularmente importante para la transición del sueño nocturno a la vigilia diurna ".
Para explorar cómo Nmu promueve la vigilia, los investigadores primero investigaron el papel del gen en una vía de respuesta al estrés conocida como eje hipotalámico-pituitario-adrenal HPA. Los investigadores habían demostrado previamente que Nmu estaba involucrado en la excitación causada por situaciones estresantes y plantearon la hipótesis deque estaba involucrado en la activación del eje HPA. Sin embargo, Prober y sus colegas encontraron que Nmu suprimió el sueño en la misma medida en los mutantes de pez cebra que carecen de una proteína llamada receptor de glucocorticoides, que es necesaria para la señalización del eje HPA, como lo hizo en peces conun receptor de glucocorticoides funcional, lo que sugiere que el gen no actúa a través del eje HPA.
Los investigadores luego volvieron a la mesa de dibujo y preguntaron qué neuronas en el cerebro se activaron como resultado de la sobreexpresión de Nmu. Usando una técnica que etiqueta las neuronas activadas, vieron una fuerte activación de un puñado de células que expresan un gen llamado corticotrofinahormona liberadora CRH en el tronco del encéfalo.
"Eso fue sorprendente porque CRH es el gen que inicia la respuesta del eje HPA, pero las células que lo hacen están en el hipotálamo, una parte diferente del cerebro, y no se activan cuando sobreexpresamos Nmu", dice Prober. "Es otra población de células CRH en el tronco encefálico que son activadas por la sobreexpresión de Nmu".
Una dosis baja de un fármaco que bloquea la señalización de CRH bloqueó por completo el efecto promotor de la vigilia de la sobreexpresión de Nmu en el pez cebra, encontraron los investigadores, mientras que una dosis más alta también redujo la vigilia en los peces normales.
"Entonces, no solo se requiere la señalización CRH para los efectos de Nmu en el comportamiento, también se requiere para niveles normales de actividad", explica Prober.
Se han identificado varios genes y neuronas que promueven la vigilia o el sueño, señala. Sin embargo, los científicos aún no saben cuáles son los relevantes para causar trastornos del sueño en humanos ". Nuestro estudio sugiere que Nmu podría ser un buen genbuscar en."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :