Evolución y genómica del cerebro humano / Evolution and genomics of the human brain

La mayor parte de los seres vivos son capaces de realizar acciones que pueden ser consideradas inteligentes o al menos el resultado de un proceso de reacción adecuado ante las circunstancias cambiantes de su medio ambiente. Sin embargo, la inteligencia o los procesos intelectuales que desarrollan los seres humanos son enormemente superiores a los que logran los organismos de cualquier otra especie. El cerebro humano adulto es un órgano sumamente complejo: pesa aproximadamente 1.500g, lo que representa solo el 2% del peso corporal pero consume igual cantidad de energía que todo el músculo esquelético en reposo. Aunque el cerebro humano presenta una estructura típicamente primate, revela algunas características que lo distinguen y lo individualizan plenamente. El proceso de evolución y humanización del cerebro del Homo sapiens (H. sapiens) lo convirtió en un órgano único y diferente, alcanzando el mayor tamaño relativo entre todas las especies, pero además le permitió una reorganización estructural de tejidos y circuitos en segmentos y regiones específicas. Esto explica las notables capacidades cognitivas del hombre moderno, en comparación no solo con otros miembros de su género, sino con otros miembros más antiguos de su propia especie. La evolución del cerebro requirió la coexistencia de 2 mecanismos de adaptación. El primero involucra cambios genéticos que ocurren a nivel de especies y el segundo ocurre a nivel individual e involucra cambios en la organización de la cromatina o cambios epigenéticos. Entre los mecanismos genéticos se encuentran: a) cambios en regiones genéticas codificantes que conducen a cambios en la secuencia y actividad de proteínas existentes; b) los procesos de duplicación y deleción de genes previamente existentes; c) cambios en la expresión génica a través de modificaciones en las secuencias reguladoras de diferentes genes, y d) síntesis de ARNs no codificantes. Finalmente, en esta revisión se describen algunas de las más importantes diferencias cromosómicas reportadas entre humanos y grandes simios, que también han contribuido al proceso de evolución y humanización del cerebro del H. sapiens

Most living beings are able to perform actions that can be considered intelligent or, at the very least, the result of an appropriate reaction to changing circumstances in their environment. However, the intelligence or intellectual processes of humans are vastly superior to those achieved by all other species. The adult human brain is a highly complex organ weighing approximately 1500g, which accounts for only 2% of the total body weight but consumes an amount of energy equal to that required by all skeletal muscle at rest. Although the human brain displays a typical primate structure, it can be identified by its specific distinguishing features.The process of evolution and humanisation of the Homo sapiens brain resulted in a unique and distinct organ with the largest relative volume of any animal species. It also permitted structural reorganization of tissues and circuits in specific segments and regions. These steps explain the remarkable cognitive abilities of modern humans compared not only with other species in our genus, but also with older members of our own species. Brain evolution required the coexistence of two adaptation mechanisms. The first involves genetic changes that occur at the species level, and the second occurs at the individual level and involves changes in chromatin organisation or epigenetic changes. The genetic mechanisms include: a) genetic changes in coding regions that lead to changes in the sequence and activity of existing proteins; b) duplication and deletion of previously existing genes; c) changes in gene expression through changes in the regulatory sequences of different genes; and d) synthesis of non-coding RNAs. Lastly, this review describes some of the main documented chromosomal differences between humans and great apes. These differences have also contributed to the evolution and humanisation process of the H. sapiens brain

Mecanismos epigenéticos en el desarrollo de la memoria y su implicación en algunas enfermedades neurológicas / Epigenetic mechanisms in the development of memory and their involvement in certain neurological diseases

Introducción: Hoy en día se acepta que el sistema nervioso central adulto posee una enorme flexibilidad morfofuncional que le permite realizar procesos de remodelación estructural aún después de haber alcanzado su desarrollo y maduración. Además del enorme número de genes que participan en el desarrollo de la memoria, los diferentes mecanismos epigenéticos conocidos también han sido involucrados en procesos de modificación neuronal normal y patológica y, por ende, en los mecanismos de desarrollo de la memoria. Desarrollo: Este trabajo fue llevado a cabo a través de una sistemática revisión de las bases de datos de publicaciones biomédicas sobre los aspectos genéticos y epigenéticos que participan en la función sináptica y la memoria. Conclusiones: La activación de la expresión génica, en respuesta a estímulos extrínsecos, ocurre también en células nerviosas diferenciadas. La actividad neuronal induce formas específicas de plasticidad sináptica que permiten la formación y almacenamiento de la memoria a largo plazo. Los mecanismos epigenéticos tienen un papel crucial en los procesos de modificación sináptica y en la formación y desarrollo de la memoria. Alteraciones en estos mecanismos producen déficit cognitivo y de memoria en padecimientos neurodegenerativos (enfermedad de Alzheimer y Huntington) así como en trastornos del desarrollo neurológico (síndrome de Rett, X-frágil y esquizofrenia). Los resultados obtenidos en diferentes modelos muestran, sin embargo, un escenario promisorio con tratamientos potenciales para algunos de estos padecimientos

Introduction: Today, scientists accept that the central nervous system of an adult possesses considerable morphological and functional flexibility, allowing it to perform structural remodelling processes even after the individual is fully developed and mature. In addition to the vast number of genes participating in the development of memory, different known epigenetic mechanisms are involved in normal and pathological modifications to neurons and therefore also affect the mechanisms of memory development. Development: This study entailed a systematic review of biomedical article databases in search of genetic and epigenetic factors that participate in synaptic function and memory. Conclusions: The activation of gene expression in response to external stimuli also occurs in differentiated nerve cells. Neural activity induces specific forms of synaptic plasticity that permit the creation and storage of long-term memory. Epigenetic mechanisms play a key role in synaptic modification processes and in the creation and development of memory. Changes in these mechanisms result in the cognitive and memory impairment seen in neurodegenerative diseases (Alzheimer disease, Huntington disease) and in neurodevelopmental disorders (Rett syndrome, fragile X, and schizophrenia). Nevertheless, results obtained from different models are promising and point to potential treatments for some of these diseases

Enfermedades causadas por expansión de tripletes / Disease caused by Triplet expansion

Resumen. Introducción. Actualmente se conoce un grupo de mutaciones por la expansión de tripletes de nucleótidos, los cuales resultan muy inestables en meiosis y mitosis. Cuatro tipos de tripletes tienen capacidad de expansión patogénica en seres humanos (CGG/GCC, CAG/GTC, CTG/GAC y GAA/CTT) y pueden localizarse tanto en secuencias codificadoras (atrofia muscular bulboespinal, enfermedad de Huntington y algunas ataxias espinocerebelosas) como no codificadoras (síndrome X frágil, ataxia de Friedreich, distrofia miotónica). La expansión trinucleótida puede producir ganancia o pérdida de la función génica y parece asociarse a una variedad de factores, algunos directamente relacionados con el proceso expansivo (cis-actuantes) y otros cuya interacción con los tripletes contribuye a su inestabilidad (trans-actuantes). Las expansiones de tamaño intermedio (premutaciones), aunque clínicamente silentes, muestran una marcada tendencia a expandirse a mutaciones completas durante la transición por línea germinal. Los modelos propuestos para explicar la expansión de tripletes involucran los procesos de replicación y recombinación génica; sin embargo, no han logrado explicar por completo los fenómenos relacionados con la mutación o la expresión fenotípica en estas enfermedades. Desarrollo. Este trabajo examina los conceptos más recientes en relación a los procesos de mutación dinámica causantes de enfermedades humanas y revisa los más importantes aspectos clínicobiológicos observados en éstas. Conclusiones. Los procesos de mutación dinámica representan un nuevo concepto en la biología molecular de las mutaciones génicas. Un número continuamente creciente de patologías son causadas por este tipo de alteraciones en el ADN, las cuales muestran, en conjunto, características clinicobiológicas muy interesantes (AU)

Summary. Introduction. Today we know of a group of mutations caused by the expansion of nucleotide triplets, which are very unstable in meiosis and mitosis. Four types of triplets have the capacity for pathogenic expansion in human beings (CGG/ GCC, CAG/GTC, CTG/GAC and GAA/CTT) and maybe located both in coding sequences (bulbospinal muscular atrophy, Huntington’s disease and certain spinocerebellar ataxias) and non-coding sequences (fragile X syndrome, Friedreich’s ataxia, myotonic dystrophy). Trinucleotide expansion may lead to gains or losses in gene functioning and seems to be associated to a variety of factors, some of which are directly related with the expansive process (cis-acting) and others whose interaction with the triplets helps to make them increasingly more unstable (trans-acting). Medium-sized expansions (pre-mutations), although clinically silent, do show a marked tendency to expand into complete mutations during the transition along the germinal line. The models that have been proposed to explain triplet expansion involve gene recombination and replication processes; however, they have not fully succeeded in explaining the phenomena related to mutation or phenotypic expression in these diseases. Development. This work examines the most recent concepts related to the dynamic mutation processes that give rise to human diseases; it also reviews the most important clinico-biological aspects observed in those diseases. Conclusions. Dynamic mutation processes represent a new concept in the molecular biology of gene mutations. An ever increasing number of pathologies are caused by this type of DNA alterations, which, as a whole, display very interesting clinico-biological characteristics (AU)