Más del 98% de genes en común, pero una diferencia de 3 veces en el tamaño cerebral
Cuando visitas un zoológico o ves videos en tu móvil, es probable que hayas visto chimpancés. Pueden pelar un plátano con habilidad e incluso abrir botellas con dos dedos. Sus movimientos y expresiones son sorprendentemente similares a los humanos.
Pero al observar sus cráneos, las diferencias se vuelven evidentes. El cerebro de un chimpancé adulto pesa unos 400 gramos, similar al de un pomelo. En cambio, el cerebro humano promedio alcanza los 1400 gramos, equivalente a dos botellas y media de agua mineral. El volumen cerebral entre ambas especies difiere en exactamente 3 veces, y la complejidad de sus conexiones neuronales es aún mayor.
Esta paradoja presenta un enigma para la ciencia. Los genes que codifican proteínas (los planos que producen los materiales básicos del cuerpo) entre humanos y chimpancés comparten más del 98% de similitud. La diferencia genética entre dos humanos caminando por la calle suele ser de solo una milésima, y entre chimpancés y humanos, los planos de sus componentes corporales básicos son casi idénticos.
Los materiales de construcción del cuerpo son los mismos. Si los ladrillos y el cemento son idénticos, la diferencia en la altura de los edificios depende de cuándo se inicien las obras según sus planos. El punto de inflexión clave se encuentra en los interruptores de regulación genética.
Figura: chimpancé con genes altamente similares a los humanos. Fuente: Lund University / iStock
Mini-cerebros en el laboratorio: descubriendo genes silenciados en chimpancés
Para comprender cómo los cerebros de humanos y chimpancés se diferenciaron, debemos volver al origen del desarrollo. Observar directamente el desarrollo embrionario de primates enfrenta barreras éticas y técnicas, por lo que el equipo de investigación debió buscar un camino alternativo.
El equipo de Johan Jakobsson de la Universidad de Lund (Suecia) encontró la solución. La investigadora postdoctoral Patricia Gerdes pasó dos años perfeccionando un protocolo estable para cultivar células de chimpancé. Los investigadores extrajeron células madre pluripotentes inducidas (células madre reprogramadas in vitro que pueden diferenciarse en cualquier tipo de tejido) y las hicieron desarrollarse en platos de cultivo.
Estas células gradualmente formaron órganoides cerebrales (mini-tejidos cerebrales cultivados en platos que simulan el desarrollo cerebral temprano). Estos mini-cerebros, de solo unos milímetros de tamaño, reproducieron con precisión el ritmo de crecimiento de los primeros tres meses del desarrollo fetal cerebral. Al comparar la actividad génica en ambos tejidos, el equipo rápidamente identificó un objetivo principal.
Se centraron en el gen LINC00662. Este es un gen de ARN no codificante largo (un interruptor de regulación que no sintetiza proteínas sino que dirige otros genes neuronales). En los mini-cerebros humanos, este interruptor funciona a plena capacidad. En los tejidos de chimpancé, permanece silencioso desde el principio, sin generar ninguna señal.
Figura: células madre pluripotentes inducidas de chimpancé cultivadas en el experimento. Fuente: The Transmitter
Eliminando el virus con bisturí molecular: genes dormidos reactivados
¿Por qué el interruptor clave quedó bloqueado en chimpancés? Utilizando tecnología de secuenciación de lectura larga de alta precisión, el equipo de investigación identificó el intruso. En el gen LINC00662 de los chimpancés, se encontró un fragmento de ADN de un virus ancestral denominado PTERV1. Este fragmento extranjero actúa como un cuño oxidado que bloquea el interruptor, cortando las señales neuronales posteriores. En la secuencia genética correspondiente humana, el área está limpia, sin rastros virales.
Para verificar la relación causal, el equipo empleó un bisturí molecular. Utilizaron la edición genética CRISPR (una herramienta molecular que puede localizar y cortar fragmentos de ADN específicos) para eliminar completamente el fragmento viral de las células madre de chimpancé. Luego, cultivaron mini-cerebros de nuevo.
Después de eliminar el fragmento viral, el gen LINC00662, dormido durante millones de años, se reactivó en los tejidos de chimpancé y comenzó a expresarse normalmente. La verificación inversa fue igualmente clara. Cuando los investigadores silenciaron el gen LINC00662 en los órganoides humanos, el crecimiento de los axones (cables largos y delgados que las neuronas extienden para transmitir señales) se vio obstaculizado y las conexiones de la red se redujeron significativamente.
Figura: imagen microscópica de órganoides neuronales de chimpancé. Fuente: The Transmitter / Patricia Gerdes
Infección viral hace 5 millones de años: 158 copias en chimpancés
¿De dónde procede este fragmento viral que cambió la trayectoria evolutiva cerebral? Evidencias geológicas y moleculares evolutivas muestran que PTERV1 es un retrovirus antiguo. Hace entre 5 y 7 millones de años, este virus se extendía por los bosques africanos, justo en el momento crítico cuando los ancestros humanos y los chimpancés tomaron caminos evolutivos separados.
Los ancestros de los chimpancés se infectaron con este patógeno. El virus rompió las defensas e invadió las células germinales, amplificándose en el genoma del huésped. Dejó aproximadamente 158 copias genéticas en el genoma chimpancé. Estos insertos extranjeros se transmitieron de generación en generación, persistiendo hasta hoy.
Los ancestros humanos quizás vivían en áreas abiertas, evitando el virus, o tenían un sistema inmunológico más fuerte que rechazaba el patógeno. La línea humana escapó de esta infección ancestral, manteniendo sus interruptores genéticos limpios.
Las diferencias en los cronogramas de desarrollo amplificaron este destino divergente. Los datos del desarrollo embrionario humano muestran que la actividad de LINC00662 alcanza su pico entre las semanas 10 y 12 de gestación. En ese momento, el feto tiene exactamente tres meses y el cerebro está intensificando la creación de conexiones neuronales. En los chimpancés, el interruptor de desarrollo queda bloqueado por el virus en este momento, ralentizando tempranamente su progreso.
Más del 8% del genoma son restos virales que limitaron el desarrollo cerebral
La gente común suele pensar que los virus solo causan tos, secreción nasal y fiebre. Pero en la larga historia evolutiva de la vida, las huellas dejadas por infecciones antiguas son mucho más profundas que estas enfermedades temporales. Estos fragmentos virales dormidos en el genoma del huésped se conocen como retrovirus endógenos (fósiles genéticos escritos en el ADN del huésped después de que un virus antiguo infectara células germinales). Constituyen más del 8% del genoma humano y chimpancé.
Este del 8% es sorprendentemente alto. Todos los genes que codifican la producción de huesos y músculos juntos representan solo alrededor del 1.5% del genoma total. Si el código genético es un libro grande, una doceava parte de sus páginas son capítulos incompletos dejados por virus ancestrales.
No hay desperdicio absoluto en el genoma. Los fragmentos virales antiguos a menudo juegan roles peculiares en la evolución. Por ejemplo, el tejido placentario necesario para la reproducción en mamíferos utiliza elementos de virus antiguos. Ravinder Kanda, genetista evolutiva de la Universidad de Oxford Brookes, considera que este estudio confirma inequívocamente el papel de los residuos virales en la diferenciación del desarrollo neuronal. Sin embargo, advierte que solo estamos viendo la punta del iceberg.
Los humanos tienden a atribuir nuestra inteligencia a alguna forma de singularidad. La investigación de la Universidad de Lund revela el azar de la evolución: la trayectoria cerebral divergente entre humanos y chimpancés se debe a que hace millones de años una infección viral ancestral reescribió los interruptores genéticos de los chimpancés, bloqueando el camino de expansión cerebral de nuestros parientes cercanos durante millones de años.
Enlaces de referencia:
- Artículo en Science Advances
- Reportaje de Science News
- Noticia de investigación de la Universidad de Lund
