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Genómica cognitiva

La genómica cognitiva (o genómica neurológica ) es el subcampo de la genómica que se ocupa de la función cognitiva y en el que se estudian los genes y las secuencias no codifica...

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La genómica cognitiva (o genómica neurológica ) es el subcampo de la genómica que se ocupa de la función cognitiva y en el que se estudian los genes y las secuencias no codificantes del genoma de un organismo relacionados con la salud y la actividad del cerebro . Mediante la aplicación de la genómica comparativa , se comparan los genomas de múltiples especies para identificar diferencias genéticas y fenotípicas entre especies. Las características fenotípicas observadas relacionadas con la función neurológica incluyen el comportamiento , la personalidad , la neuroanatomía y la neuropatología . La teoría detrás de la genómica cognitiva se basa en elementos de la genética , la biología evolutiva , la biología molecular , la psicología cognitiva , la psicología conductual y la neurofisiología .

La inteligencia es el rasgo conductual más ampliamente estudiado . [1] En los humanos, aproximadamente el 70% de todos los genes se expresan en el cerebro. [2] La variación genética representa el 40% de la variación fenotípica. [3] Se han utilizado enfoques de genómica cognitiva para investigar las causas genéticas de muchos trastornos mentales y neurodegenerativos , incluidos el síndrome de Down , el trastorno depresivo mayor , el autismo y la enfermedad de Alzheimer .

Pruebas de genómica cognitiva

Aproches

Evo-geno

El método más utilizado para la investigación del genoma es la biología genómica evolutiva, o evogeno, en la que se comparan los genomas de dos especies que comparten un ancestro común. [4] Un ejemplo común de evogeno es la prueba genómica cognitiva comparativa entre humanos y chimpancés que compartieron un ancestro hace 6-7 millones de años. [5] Se examinan los patrones de expresión génica local y el empalme de genes para determinar la diferenciación genómica. Los análisis transcriptómicos comparativos realizados en cerebros de primates para medir los niveles de expresión génica han mostrado diferencias significativas entre los genomas humanos y de chimpancé. [4] El método evogeno también se utilizó para verificar la teoría de que los humanos y los primates no humanos comparten niveles similares de expresión en genes relacionados con el metabolismo energético que tienen implicaciones para el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas. [4]

Evo-devo

El enfoque de la biología del desarrollo evolutivo (evo-devo) compara los patrones de desarrollo cognitivo y neuroanatómico entre grupos de especies. Los estudios de cerebros de fetos humanos revelan que casi un tercio de los genes expresados ​​están diferenciados regionalmente, mucho más que en especies no humanas. [4] Este hallazgo podría explicar las variaciones en el desarrollo cognitivo entre individuos. Los estudios neuroanatómicos de evo-devo han relacionado un orden cerebral superior con la lateralización cerebral que, aunque presente en otras especies, está altamente ordenada en los humanos.

Evo-feno y evo-pato

El enfoque de la biología fenotípica evolutiva (evo-feno) examina la expresión fenotípica entre especies. El enfoque de la biología patológica evolutiva (evo-pato) investiga la prevalencia de enfermedades entre especies.

Genómica de imágenes

Selección de genes candidatos

En genómica, un gen que se está analizando se denomina gen candidato. Los genes candidatos ideales para las pruebas genómicas comparativas son aquellos que albergan polimorfismos funcionales bien definidos con efectos conocidos en la función neuroanatómica y/o cognitiva. [2] Sin embargo, basta con genes con polimorfismos de un solo nucleótido identificados o variaciones alélicas con posibles implicaciones funcionales en los sistemas neuroanatómicos. [2] Cuanto más débil sea la conexión entre el gen y el fenotipo, más difícil será establecer la causalidad mediante pruebas. [2]

Control de factores no genéticos

Los factores no genéticos, como la edad, las enfermedades, las lesiones o el abuso de sustancias, pueden tener efectos significativos en la expresión genética y la variación fenotípica. [2] La identificación y la contribución de la variación genética a fenotipos específicos solo se puede realizar cuando se pueden emparejar otros factores contribuyentes potenciales entre grupos de genotipos. [2] En el caso de las imágenes neurológicas durante el desempeño de tareas como la fMRI, los grupos se emparejan por nivel de desempeño. Los factores no genéticos tienen un efecto potencial particularmente grande en el desarrollo cognitivo. En el caso del autismo, los factores no genéticos representan el 62% del riesgo de enfermedad. [6]

Selección de tareas

Para estudiar la conexión entre un gen candidato y un fenotipo propuesto, a menudo se le asigna a un sujeto una tarea que debe realizar y que provoca el fenotipo conductual mientras se somete a algún tipo de neuroimagen . Muchas tareas conductuales que se utilizan para estudios genómicos son versiones modificadas de pruebas conductuales y neuropsicológicas clásicas diseñadas para investigar sistemas neuronales críticos para conductas particulares. [2]

Especies utilizadas en la genómica cognitiva comparativa

Humanos

En 2003, el Proyecto Genoma Humano produjo el primer genoma humano completo. [7] A pesar del éxito del proyecto, se sabe muy poco sobre la expresión de los genes cognitivos. [8] Antes de 2003, cualquier evidencia sobre la conectividad cerebral humana se basaba en observaciones post mortem . [9] Debido a cuestiones éticas, no se han realizado estudios genómicos invasivos in vivo en seres humanos vivos. [ cita requerida ]

Primates no humanos

Como los parientes genéticos más cercanos a los humanos, los primates no humanos son los sujetos preferidos para la obtención de imágenes genómicas. En la mayoría de los casos, las imágenes de los primates se obtienen bajo anestesia . [8] Debido al alto costo de criar y mantener poblaciones de primates, las pruebas genómicas en primates no humanos se realizan típicamente en instalaciones de investigación de primates.

Chimpancés

Los chimpancés ( Pan troglodytes ) son los parientes genéticos más cercanos a los humanos , compartiendo un 93,6% de similitud genética. [10] Se cree que los humanos y los chimpancés compartieron un ancestro genético común hace unos 7 millones de años. [8] El movimiento para secuenciar el genoma del chimpancé comenzó en 1998 y los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE. UU. le dieron alta prioridad. [11]

En la actualidad, los humanos y los chimpancés poseen los únicos genomas secuenciados en la extensa familia de primates. [12] Algunas comparaciones de segmentos de ADN autosómicos intergénicos no repetitivos sugieren que hay tan solo un 1,24 % de diferencia genética entre humanos y chimpancés a lo largo de ciertas secciones. [13] A pesar de la similitud genética, el 80 % de las proteínas entre las dos especies son diferentes, lo que subestima las claras diferencias fenotípicas. [14]

Macacos Rhesus

Los macacos rhesus ( Macaca mulatta ) presentan una similitud genética con los humanos de aproximadamente el 93 %. [15] A menudo se los utiliza como un grupo externo en estudios genómicos entre humanos y chimpancés. [8] Los humanos y los macacos rhesus compartieron un ancestro común hace aproximadamente 25 millones de años. [5]

simios

Los orangutanes ( Pongo pygmaeus ) y los gorilas ( Gorilla gorilla ) se han utilizado en pruebas genómicas, pero no son sujetos comunes debido al costo. [8]

Trastornos neuroconductuales y cognitivos

A pesar de lo que a veces se informa, la mayoría de los fenotipos conductuales o patológicos no se deben a una única mutación genética , sino a una base genética compleja. [16] Sin embargo, existen algunas excepciones a esta regla, como la enfermedad de Huntington , que es causada por un único trastorno genético específico. [16] La aparición de trastornos neuroconductuales está influenciada por una serie de factores, genéticos y no genéticos.

Síndrome de Down

El síndrome de Down es un síndrome genético caracterizado por discapacidad intelectual y características craneofaciales distintivas y ocurre en aproximadamente 1 de cada 800 nacidos vivos. [17] Los expertos creen que la causa genética del síndrome es una falta de genes en el cromosoma 21. [17] Sin embargo, aún no se han descubierto el gen o los genes responsables del fenotipo cognitivo.

Síndrome del cromosoma X frágil

El síndrome del cromosoma X frágil es causado por una mutación del gen FRAXA ubicado en el cromosoma X. [17] El síndrome se caracteriza por discapacidad intelectual (moderada en varones, leve en mujeres), deficiencia del lenguaje y algunos comportamientos del espectro autista . [17]

Enfermedad de Alzheimer

La enfermedad de Alzheimer es un trastorno neurodegenerativo que provoca un deterioro cognitivo progresivo relacionado con la edad. [17] En modelos animales con ratones se ha investigado la fisiopatología y se han sugerido posibles tratamientos como la inmunización con beta amiloide y la administración periférica de anticuerpos contra beta amiloide. [17] Los estudios han vinculado el Alzheimer con alteraciones genéticas que causan anomalías en la proteína SAMP8 . [18]

Autismo

El autismo es un trastorno generalizado del desarrollo que se caracteriza por un desarrollo social anormal, incapacidad para empatizar y comunicarse de manera efectiva y patrones restringidos de interés. [17] Una posible causa neuroanatómica es la presencia de tubérculos en el lóbulo temporal. [17] Como se mencionó anteriormente, los factores no genéticos representan el 62% del riesgo de desarrollar autismo. [6] El autismo es un trastorno específico de los humanos. Como tal, la causa genética se ha relacionado con la lateralización cerebral altamente ordenada que exhiben los humanos. [4] Se han vinculado dos genes con el autismo y los trastornos del espectro autista (TEA): c3orf58 (también conocido como Deleted In Autism-1 o DIA1) y cXorf36 (también conocido como Deleted in Autism-1 Related o DIA1R). [19]

Trastorno depresivo mayor

El trastorno depresivo mayor es un trastorno del estado de ánimo común que se cree que es causado por la captación neuronal irregular de serotonina . Si bien se desconoce la causa genética, los estudios genómicos de cerebros de pacientes con TDM post mortem han descubierto anomalías en el sistema del factor de crecimiento de fibroblastos , lo que respalda la teoría de que los factores de crecimiento desempeñan un papel importante en los trastornos del estado de ánimo. [20]

Otros

Otros trastornos neurodegenerativos incluyen el síndrome de Rett , el síndrome de Prader-Willi , el síndrome de Angelman y el síndrome de Williams-Beuren .

Véase también

Referencias

  1. ^ Plomin, Robert; Spinath, Frank M. (enero de 2004). "Inteligencia: genética, genes y genómica". Revista de personalidad y psicología social . 86 (1): 112–129. CiteSeerX  10.1.1.525.3970 . doi :10.1037/0022-3514.86.1.112. PMID  14717631.
  2. ^ abcdefg Hariri, Ahmad R; Weinberger, Daniel R (marzo de 2003). "Genómica de imágenes". British Medical Bulletin . 65 (1): 259–270. doi : 10.1093/bmb/65.1.259 . PMID  12697630.
  3. ^ Plomin, Robert; Spinath, Frank M. (enero de 2004). "Inteligencia: genética, genes y genómica" (PDF) . Revista de personalidad y psicología social . 86 (1): 112–129. doi :10.1037/0022-3514.86.1.112. PMID  14717631. S2CID  5734393. Archivado desde el original (PDF) el 26 de julio de 2020.
  4. ^ abcde Konopka, Genevieve; Geschwind, Daniel H. (21 de octubre de 2010). "Evolución del cerebro humano: aprovechar la (r)evolución genómica para vincular genes, cognición y comportamiento". Neuron . 68 (2): 231–244. doi :10.1016/j.neuron.2010.10.012. PMC 2993319 . PMID  20955931. 
  5. ^ ab Cáceres, Mario; Lachuer, Joel; Zapala, Matthew A.; Redmond, John C.; Kudo, Lili; Geschwind, Daniel H.; Lockhart, David J.; Preuss, Todd M.; Barlow, Carrolee (28 de octubre de 2003). "Los niveles elevados de expresión genética distinguen los cerebros de los primates humanos de los no humanos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 100 (22): 13030–13035. Bibcode :2003PNAS..10013030C. doi : 10.1073/pnas.2135499100 . PMC 240739 . PMID  14557539. 
  6. ^ ab Digitale, Erin (4 de julio de 2011). "Los factores no genéticos juegan un papel sorprendentemente importante en la determinación del autismo, según un estudio grupal". Facultad de Medicina de Stanford, Universidad de Stanford.
  7. ^ "Preguntas frecuentes sobre el Proyecto Genoma Humano". Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano .
  8. ^ abcde Entrevista con Todd Preuss, PhD, Centro Nacional de Investigación de Primates Yerkes [ ¿fuente poco confiable? ]
  9. ^ Behrens, TEJ; Johansen-Berg, H; Woolrich, MW; Smith, SM; Wheeler-Kingshott, CAM; Boulby, PA; Barker, GJ; Sillery, EL; Sheehan, K; Ciccarelli, O; Thompson, AJ; Brady, JM; Matthews, PM (15 de junio de 2003). "Mapeo no invasivo de las conexiones entre el tálamo y la corteza humanos mediante imágenes de difusión". Nature Neuroscience . 6 (7): 750–757. doi :10.1038/nn1075. PMID  12808459. S2CID  827480.
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