Contexto

El córtex cerebral humano se expande rápidamente durante la gestación, cuando las células madre neuronales se multiplican y se diferencian en varios linajes. En el centro de este proceso se encuentran las astrocitos radiales ventriculares (vRG) y los astrocitos radiales externos (oRG). Especialmente en los primates, los oRG, que se han incrementado significativamente, son considerados células clave para formar el córtex ancho y arrugado exclusivo del ser humano, aunque el modo de regulación génica a nivel celular no está completamente aclarado.

Estudios previos a nivel de célula única han mostrado qué genes se expresan y qué cromatina está abierta, pero han tenido dificultades para rastrear con precisión cómo las regiones reguladoras distantes interactúan con genes específicos en el espacio tridimensional. Esto limita la interpretación de variantes asociadas a trastornos mentales, que suelen estar concentradas en regiones no codificantes y pueden regular genes situados a decenas de miles de pares de bases de distancia.

El equipo de investigación analizó de forma integrada la expresión génica, la accesibilidad de la cromatina, la metilación del ADN y las interacciones tridimensionales de la cromatina en vRG, oRG, precursores de oligodendrocitos (OPC) y microglia (MG) obtenidos del córtex cerebral humano durante la semana 15 a 24 de gestación. La diferencia en etapas de desarrollo se debe a que el pico de aparición de RG y OPC·MG ocurre en momentos distintos. Artículo en Nature

Hallazgos clave

Los investigadores identificaron 69.141 cCRE candidatos con alta accesibilidad y baja metilación en vRG, 72.450 en oRG, 65.295 en OPC y 6.958 en MG. Más del 60 % de estos se encontraban fuera de los promotores. Con PLAC-seq basado en H3K4me3, detectaron entre 135.000 y 144.000 interacciones significativas por tipo celular con una resolución de 2 kilobases, lo que representa un aumento de aproximadamente 4 veces en comparación con análisis de 5 kilobases. La distancia promedio de contacto osciló entre 188.000 y 233.000 pares de bases.

En experimentos con reporteros en embriones de ratón, 14 de 18 secuencias reguladoras de RG y células precursoras intermedias mostraron actividad de enhancer en el cerebro embrionario. Al comparar vRG y oRG, se encontraron 7.941 regiones con acceso diferencial, pero solo 756 con metilación diferencial. La diferencia entre ambas células fue más clara en la accesibilidad cromatínica y en las interacciones tridimensionales. Los factores de transcripción LHX2 y ASCL1 estaban conectados con las redes reguladoras de oRG y vRG, respectivamente. Al inhibir LHX2 con ARN de horquilla corta, se redujo la autorenovación de oRG y aumentó la diferenciación hacia células gliales.

El análisis con aprendizaje automático también ayudó a delimitar el alcance de las variantes patogénicas. De 11.360 variantes de esquizofrenia identificadas por DeepGWAS, 929 estaban en cromatina abierta y 112 se clasificaron como candidatas a modificar la accesibilidad. La variante rs4449074 T se predijo que reduciría la actividad del enhancer vRG hs3134, y en el prosencefalo de ratón mostró una señal más débil que la variante no riesgosa C. La susceptibilidad a la enfermedad de Alzheimer se concentró en elementos reguladores de MG, mientras que la susceptibilidad al trastorno del espectro autista destacó en vRG y oRG.

Significado y perspectivas

En el análisis evolutivo, 72 de las regiones con acceso diferencial en oRG coincidieron con áreas aceleradas humanas (HAR), mientras que en vRG solo 13, lo que indica una concentración 2,43 veces mayor en oRG. Los investigadores evaluaron 565 HAR abiertas en oRG y 3.447 variantes entre humanos y chimpancés, identificando 76 candidatos que podrían aumentar la accesibilidad en el genoma humano y 73 en el genoma de chimpancés.

HARsv2_1313 se conectó tridimensionalmente con el promotor de ROCK2. Al inhibir esta región con CRISPRi en precursores neuronales derivados de células madre pluripotentes inducidas, la expresión de ROCK2 disminuyó y aumentó el número de células Ki67 positivas. Además, la secuencia humana de HARsv2_1602 eliminó un sitio de unión al factor de transcripción represor ZBT18, lo que podría incrementar la actividad reguladora de EPHA4. Esto sugiere que la expansión cortical humana y el riesgo de trastornos mentales podrían compartir ciertos circuitos reguladores no codificantes.

Sin embargo, los valores analizados representan promedios de poblaciones celulares obtenidas mediante clasificación por citometría de flujo. No se capturaron diferencias en subtipos raros de precursores ni variaciones por ubicación, y la diferencia en accesibilidad entre portadores de rs4449074 no fue estadísticamente significativa. Los resultados obtenidos en embriones de ratón y precursores neuronales cultivados no deben extrapolarse directamente al desarrollo fetal humano ni a la patología clínica. Se necesitarán estudios posteriores con análisis epigenéticos espaciales y celulares, y experimentos de edición precisa en organoides cerebrales humanos para confirmar relaciones causales.