Neotenia (2). ¡Niños rata (topo)!

Neurociencia Básica & Evolutiva

 

Los humanos y las ratas topo desnudas (Heterocephalus glaber) tienen en común que son animales extremadamente sociales, disfrutan de una larga vida y han reducido la presión de la selección natural por razones, en un principio, distintas. Por su parte, el envejecimiento representa un mecanismo desarrollado por la evolución para mejorar la capacidad de evolución natural de los organismos mediada por la selección. Esto significa que, para las criaturas que relajan la presión de la selección natural, el envejecimiento se convierte en algo atávico. De hecho, la neotenia de las ratas topo desnudas y de los humanos, en base a una compleja organización social (y en nuestro caso, de ciertos elementos como la cultura, la tecnología y los nichos de especialistas), hace que el envejecimiento sea inútil como mecanismo para mejorar, o explicar, la eficiencia de la selección natural. Además, la alta resistencia de las ratas topo desnudas a las principales categorías de enfermedades relacionadas con la edad, como el cáncer o la diabetes, es muy clarificadora y requiere atención especial. El término neotenia fue acuñado por J. Kollman en 1905 y se empleó más tarde para describir la preservación de las características juveniles en la edad adulta.

La ausencia de enemigos es una característica común de otros animales con senescencia insignificante, sin sugerir que sería suficiente proteger a un animal contra los enemigos para que dure de inmediato. Cualquier animal de laboratorio no tiene problemas con los depredadores o la búsqueda de alimentos, pero aún envejece, y la conversión de un organismo de corta duración a uno de larga duración requiere mucho tiempo, como otros eventos que involucran la evolución biológica.

Estos animales son, además, eusociales. Es decir, forman grandes grupos sociales de hasta 300 subordinados con unos pocos individuos privilegiados que participan en la reproducción y, por lo tanto, en los procesos evolutivos. Este número de subordinados es tan numeroso que las presiones de la selección natural sobre “la reina” y sus “maridos” deberían, de hecho, reducirse. Como resultado, la evolución de H. glaber parece haber respondido reduciendo los efectos del envejecimiento a través de la neotenia, algo que no es el caso de otras dos especies, como la rata topo de Damaraland (Fukomys damarensis) y la rata topo plateada (Heliophobius argenteocinereus), que o no tienen una estructura social organizada (la primera), o son animales solitarios (la segunda) y que, además de no alcanzar ni un tercio de la esperanza de vida de la rata topo desnuda, tampoco presentan los dos rasgos neoténicos más impresionantes de las ratas topo desnudas, que son su pequeño tamaño y la ausencia de pelo.

Además, el número y la actividad de las mitocondrias así como la tasa de reposo del consumo de oxígeno, parámetros que generalmente disminuyen con la edad en los mamíferos, no disminuyen en el envejecimiento de las ratas topo desnudas lo que contrasta con el patrón observado en ratones. Del mismo modo, el envejecimiento en la mayoría de los mamíferos se acompaña de una elevación en la producción general de especies reactivas del oxígeno (ROS)  y, en particular, de ROS mitocondriales (mROS) , no estando presente en ratas topo desnudas. La anoxia provoca el agotamiento del adenosín trifosfato (ATP), nucleótido indispensable para la energía celular, porque la fosforilación respiratoria, el principal mecanismo de síntesis de ATP para las células cerebrales, está desactivada. La despolarización a largo plazo de una neurona ocurre después de que se excite bajo anaerobiosis porque los gradientes de Na + / K + no se regeneran debido a una deficiencia de ATP. Finalmente, las neuronas se destruyen mediante la apoptosis iniciada por la estimulación inducida por Ca2 + de la producción de mROS, lo que provoca la apertura de poros en la membrana mitocondrial interna.

En animales que envejecen, las mROS juegan un papel importante en la formación del fenotipo senil y se producen como resultado de la actividad respiratoria mitocondrial, envenenando lentamente a las células y causando su muerte. El mismo razonamiento puede explicar, en parte, la resistencia extraordinaria de las neuronas de ratas topo desnudas al estrés oxidativo inducido por anoxia. Si la hipótesis de que las ROS son agentes tóxicos que conducen al envejecimiento es cierta, entonces el estrés oxidativo debería aumentar con la edad en los organismos afectados por el envejecimiento y debería permanecer constante en los organismos donde los efectos del envejecimiento son insignificantes. Este es el caso cuando se comparan ratones y ratas topo desnudas.

Por su parte, la resistencia de las neuronas del hipocampo de la rata topo desnuda adulta a la anoxia es mucho más alta que la de otros mamíferos adultos estudiados y se asemeja a los recién nacidos de otros mamíferos pues el fenómeno de un alto grado de resistencia en el cerebro a la hipoxia y al estrés oxidativo es inherente a los mamíferos neonatales. En animales que no sean ratas topo desnudas, la resistencia disminuye fuertemente cuando maduran. Sin embargo, la neurogénesis y la migración neuronal son inherentes a los cerebros de ratas topo desnudas adulta, y la maduración neuronal de sus hipocampos no se completa en adultos, como resultado de la adaptación a condiciones hipóxicas. Patrones similares de neotenia cerebral también son inherentes a los humanos, donde la hipótesis hipóxica no se puede aplicar. Al menos, como veréis, en parte.

Cuando consideramos nuestros orígenes nos comparamos, con razón, con grandes simios como los chimpancés. Esta comparación es un mosaico, con muchos rasgos que se desarrollan más lentamente en humanos que en chimpancés, como pasa con nuestra complicada actividad cerebral, que parece ser única entre los organismos vivos y somos primates que desarrollan la madurez sexual a pesar de retener muchos rasgos paedomórficos en edad adulta. Además, para los simios y los monos, la mortalidad aumenta desde el momento de la maduración sexual. Este aumento es muy pequeño para H. sapiens durante la parte inicial de la vida, pero en las etapas posteriores la supervivencia de los humanos disminuye drásticamente con la edad como resultado de las modificaciones neoténicas de la ontogenia humana. El transcriptoma de la corteza prefrontal de humanos, chimpancés y macacos rhesus se remodela drásticamente desde que nacemos hasta que morimos, con retrasos para un subconjunto específico de genes que juegan un papel en el desarrollo neuronal incluidos los genes que codifican proteínas sinápticas, a pesar del hecho de que el tiempo de gestación para los humanos es más largo que para los chimpancés. De hecho, un retraso en la expresión de muchos genes relacionados con el cerebro en humanos se combina con la prolongación de su período de crecimiento. Se debe enfatizar que este retraso significativo, en comparación con el desarrollo en otros simios, se asemeja al de las ratas topo desnudas en comparación con los ratones.

Las neuronas humanas en adultos retienen ciertas características juveniles, tales como actividad sináptica elevada, plasticidad y mielinización incompleta durante las primeras dos décadas de vida postnatal. La corteza cerebral humana adulta ha experimentado, además, un aumento en la expresión de genes relacionados con la glucólisis aeróbica, la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula, en comparación con los de los primates no humanos, y es probablemente responsable del estrés oxidativo en el cerebro humano, lo que resulta en enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer y la demencia frontal que se encuentran exclusivamente en humanos .

El cerebro utiliza principalmente glucosa para satisfacer sus necesidades de energía. En el citosol de las neuronas la glucosa se convierte en piruvato, que luego es oxidado por el O2 en las mitocondrias neuronales. En reposo, la cantidad de ATP producida por la fosforilación oxidativa, que se acopla a la oxidación de piruvato, parece ser suficiente para proporcionar la energía necesaria. Sin embargo, la energía adicional requerida para la proliferación y plasticidad celular, la función sináptica y otros procesos es mayor que la necesaria en el estado de reposo, y generar esta energía requiere una gran cantidad de mitocondrias. Aparentemente, este no es el caso en el cerebro neoténico de los recién nacidos humanos y de los niños pequeños. El índice de neotenia de varias regiones del cerebro correlaciona con el índice de glucólisis aeróbica en particular, como la corteza prefrontal dorsolateral, donde la neotenia es especialmente fuerte  e inherente al desarrollo de regiones del cerebro humano con altas demandas de energía que se requieren para funciones cognitivas de alto nivel. Requieren probablemente, como las de la rata topo desnuda, resistencia al estrés oxidativo para marcar la diferencia y dominar sus entornos extremadamente sociales, y muestran un período extremadamente prolongado de maduración cerebral que puede permitir la plasticidad y la resistencia a los procesos neurodegenerativos durante su vida útil en décadas.

[Primera parte]

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Referencias:

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Jones, O. R., Scheuerlein, A., Salguero-Gómez, R., Camarda, C. G., Schaible, R., Casper, B. B., … Vaupel, J. W. (2013). Diversity of ageing across the tree of life. Nature, 505(7482), 169–173. doi:10.1038/nature12789

Penz, O. K., Fuzik, J., Kurek, A. B., Romanov, R., Larson, J., Park, T. J., … Keimpema, E. (2015). Protracted brain development in a rodent model of extreme longevity. Scientific Reports, 5(1).

Skulachev, V. P., Holtze, S., Vyssokikh, M. Y., Bakeeva, L. E., Skulachev, M. V., Markov, A. V., … Sadovnichii, V. A. (2017). Neoteny, Prolongation of Youth: From Naked Mole Rats to “Naked Apes” (Humans). Physiological Reviews, 97(2), 699–720.

 

Canción recomendada para la lectura:

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