¿Por qué no perdemos la capacidad de aprender?

Investigaciones realizadas en la Universidad Rockefeller, en Nueva York, Estados Unidos, e instituciones colaboradoras han identificado un nuevo mecanismo que hace posible la plasticidad de las histonas para el aprendizaje de las personas. Este descubrimiento, que se detalla en un artículo que se publica este miércoles en 'Neuron', se centra en un tipo específico de histonas, proteínas que sustentan el ADN y ayudan a controlar su expresión.

Las neuronas son un bien limitado, de forma que cada persona vive con esencialmente el mismo número que tenía al nacer. Pero estas células, cuyas señales eléctricas dirigen nuestros pensamientos, percepciones y acciones, son cualquier cosa menos estáticas, cambiándose y adaptándose en función de la experiencia a lo largo de la vida, un proceso más conocido como aprendizaje.

"Las histonas y sus modificaciones pueden desempeñar un papel importante en el encendido y apagado de genes, un tipo de control epigenético. Esta investigación descubre un mecanismo epigenético, que afecta a una ligeramente modificada "variante" de histonas, que hace posible el aprendizaje, facilitando los cambios genéticos necesarios para que las neuronas formen conexiones", afirma el autor del estudio, David C. Allis, profesor y jefe del Laboratorio de Biología sobre Cromatina y Epigenética.

Las histonas son proteínas que actúan como bobinas de ADN, aportando el código genético, la estructura y la protección. Se conocen cinco tipos principales de histonas, incluyendo uno llamado H3, y los investigadores se han interesado en la función de las variantes de estas histonas, que a menudo son muy similares a sus contrapartes convencionales. Este estudio se centró en una de esas variantes, H3.3, que se parece mucho a su principal contraparte H3.

En una serie de experimentos utilizando una amplia variedad de técnicas, el primer autor Ian Maze, un exinvestigador postdoctoral en el laboratorio de Allis y ahora profesor asistente en la Escuela Icahn de Medicina de Mount Sinai, Estados Unidos, y sus colegas vincularon la plasticidad y, como consecuencia, el aprendizaje con la destrucción y sustitución de H3.3 dentro de las neuronas del hipocampo, una región del cerebro asociada con la memoria, entre otras cosas.

Comenzaron observando las histonas dentro de los cerebros de los ratones y muestras postmortem de los seres humanos. En ambos casos, se vio que los niveles de H3.3 aumentan con la edad y, finalmente, llegan a ser dominantes.

Tras añadir a los alimentos de los animales una etiqueta química y seguir la decadencia de una señal radiactiva que se encuentra naturalmente en las muestras de cerebro humano, los científicos determinaron que, en lugar de permanecer en el ADN durante toda la vida, H3.3 está constantemente reciclándose, con nuevas proteínas H3.3 en sustitución de las viejas, un proceso que disminuye con la edad.

En el cultivo celular, relacionaron el reemplazo de H3.3 con una mayor actividad neuronal, y luego en ratones, encontraron que un ambiente estimulante para la mente --para los ratones esto significa correr en una rueda, jugar con juguetes y tener un montón de espacio, entre otras cosas produjo un aumento del recambio de H3.3 en el hipocampo. Estos resultados sugieren un vínculo entre el reciclaje de H3.3 y la plasticidad neuronal.

Cuando los investigadores analizaron la expresión de genes, vieron que tras la estimulación de una neurona, la expresión de ciertos genes aumentó. Los mismos genes resultaron ser necesarios para la formación de sinapsis y fueron acompañados por cantidades significativas de H3.3. Sus resultados les llevaron a sospechar de una conexión entre el reciclaje de H3.3 y el aprendizaje, a través de la formación de sinapsis.

DIFICULTADES PARA DISTINGUIR OBJETOS

"Cuando pusimos fin al reemplazo de las histonas en ratones adultos, vimos que se alteraban los patrones normales de expresión de genes asociados con la plasticidad y como resultado, se deterioraba la capacidad de los animales para aprender cosas nuevas. Por ejemplo, tenían dificultades para distinguir los objetos que conocían previamente de otros nuevos --explica Maze--. Debido a que algunas enfermedades psiquiátricas, como la esquizofrenia, se asocian con déficits en la sinapsis, sería interesante investigar si el reemplazo de las histonas está implicado".

En experimentos adicionales, los autores redujeron la sustitución de las histonas en células madre embrionarias, que tienen el potencial de convertirse en cualquier tipo de célula en un organismo, con poco efecto. Sin embargo, reducir la rotación alteró la expresión génica en las células gliales, otras células del cerebro implicadas en el apoyo de las neuronas. No obstante, la rotación afectó a un conjunto diferente de genes de las células gliales y astrocitos que en las neuronas.

"Parece que el reemplazo de H3.3 puede tener implicaciones más allá de las neuronas, como medio para controlar la plasticidad en células adultas que tienen una identidad fija pero que aún deben responder a su entorno", dice Allis. "Nuestros experimentos sugieren que esto sucede en las células dentro del sistema nervioso y sospechamos que puede ocurrir lo mismo en otras partes del cuerpo", concluye.