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Por favor, explique qué es una isoforma genética en términos simples.

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Soy físico de formación, sin embargo, ahora estoy investigando en biología computacional. Sé lo que son los genes, el ADN, las proteínas, las enzimas, los intrones y los exones. Entiendo cómo se usa el ADN para crear ARN, que los ribosomas usan para fabricar proteínas. Ese es el alcance de mis conocimientos de biología y genética.

Entonces, ¿alguien podría explicar qué es una isoforma genética en términos simples? Hay una pregunta relacionada aquí y wikipedia tiene una explicación. Sin embargo, existe una barrera jerárquica significativa para mí.


Las isoformas de genes son todos los diferentes ARN que se pueden sintetizar a partir de un solo gen. Es posible que se esté refiriendo a variantes de empalme, que son sistemas para obtener diferentes ARNm de la misma secuencia utilizando diferentes combinaciones de intrones y exones.


(fuente: riken.jp)

Traduciendo su artículo de wikipedia: Las isoformas de genes son los diferentes productos de ARN que se pueden obtener de un gen que pueden variar en el lugar donde comienza la traducción (síntesis de proteínas), que tienen diferentes secuencias en la región codificante (dando así diferentes proteínas, a veces con diferentes funciones) o por tener diferentes sin traducir. regiones, UTR (los salientes de la secuencia que no se traducen en el ARNm). Esta última diferencia, la UTR, normalmente da lugar a una estabilidad diferente dentro de la célula, ya que las estructuras secundarias de la UTR suelen controlar la velocidad de degradación de un ARN.

Espero eso ayude


ABDOMEN / ABDOMINAL cavidad corporal debajo del diafragma que contiene estómago, intestinos, hígado y otros órganos
ABSORBE absorber líquidos, absorber
Condición de ACIDOSIS cuando la sangre contiene más ácido de lo normal
ACUIDAD claridad, agudeza, esp. de la visión y las vías respiratorias
AGUDO nuevo, reciente, repentino, urgente
ADENOPATÍA inflamación de los ganglios linfáticos (glándulas)
ADJUVANTE útil, asistiendo, ayudando, solidario
TRATAMIENTO ADYUVANTE tratamiento agregado (generalmente a un tratamiento estándar)
Medicamento ANTIBIÓTICO que mata bacterias y otros gérmenes.
Medicamento ANTIMICROBIANO que mata bacterias y otros gérmenes
Medicamento ANTIRRETROVIRAL que actúa contra el crecimiento de ciertos virus.
EFECTO ADVERSO efecto secundario, mala reacción, respuesta no deseada
REACCIÓN ALÉRGICA erupción cutánea, urticaria, hinchazón, dificultad para respirar
AMBULADO / AMBULADO / AMBULATORIO caminar, capaz de caminar
ANAFILAXIS reacción alérgica grave potencialmente mortal
ANEMIA disminución de glóbulos rojos recuento bajo de glóbulos rojos
ANESTÉSICO un fármaco o agente que se usa para disminuir la sensación de dolor o eliminar la sensación de dolor al ponerlo a dormir.
Angina dolor debido a que no fluye suficiente sangre al corazón
ANGINA DEL PECTORIS Dolor resultante de la falta de flujo de sangre al corazón.
Trastorno de ANOREXIA en el que la persona no come falta de apetito
ANTECUBITAL relacionado con la cara interna del antebrazo
ANTICUERPO proteína producida en el cuerpo en respuesta a una sustancia extraña
Fármaco ANTICONVULSANTE utilizado para prevenir convulsiones
ANTILIPÉMICO un fármaco que reduce los niveles de grasa en la sangre.
ANTITUSSIVO un medicamento que se usa para aliviar la tos.
ARRITMIA latido cardíaco anormal cualquier cambio con respecto al latido cardíaco normal
ASPIRACIÓN de líquido que ingresa a los pulmones, como después de vomitar
Ensayo de prueba de laboratorio
EVALUAR para aprender, medir, evaluar, mirar
ASMA enfermedad pulmonar asociada con el estrechamiento de las vías respiratorias, lo que dificulta la respiración
ASINTOMÁTICO sin síntomas
Axila axila

BENIGNO no maligno, sin graves consecuencias
BID dos veces al día
VINCULACIÓN / VINCULADO transportado, para que se peguen, transportado
BIO DISPONIBILIDAD la medida en que un fármaco u otra sustancia pasa a estar disponible para el organismo
PERFIL DE SANGRE serie de análisis de sangre
BOLO una gran cantidad administrada de una vez
MASA ÓSEA la cantidad de calcio y otros minerales en una determinada cantidad de hueso
BRADYARRHYTHMIAS latidos cardíacos lentos e irregulares
BRADYCARDIA latido cardíaco lento
Dificultad respiratoria del BRONCOSPASMO causada por el estrechamiento de las vías respiratorias

CARCINÓGENO causante de cáncer
CARCINOMA tipo de cáncer
CARDÍACO relacionado con el corazón
CARDIOVERSIÓN retorno a latidos cardíacos normales por descarga eléctrica
CATÉTER un tubo para extraer o administrar líquidos
CATÉTER un tubo que se coloca cerca de la médula espinal y se usa para anestesia (epidural permanente) durante la cirugía
SISTEMA NERVIOSO CENTRAL (SNC) cerebro y médula espinal
TRAUMA CEREBRAL daño al cerebro
CESACIÓN deteniendo
Enfermedad coronaria coronaria
QUIMIOTERAPIA tratamiento de enfermedades, generalmente cáncer, mediante agentes químicos
CRÓNICO continua durante mucho tiempo, continua
CLÍNICO relacionado con la atención médica
ENSAYO CLÍNICO un experimento con sujetos humanos
Estado inconsciente de COMA
RESPUESTA COMPLETA desaparición total de la enfermedad
CONGÉNITO presente antes del nacimiento
CONJUNTIVITIS enrojecimiento e irritación de la fina membrana que recubre el ojo
FASE DE CONSOLIDACIÓN Fase de tratamiento destinada a hacer que una remisión sea permanente (sigue a la fase de inducción)
ENSAYO CONTROLADO estudio de investigación en el que el tratamiento o procedimiento experimental se compara con un tratamiento o procedimiento estándar (control)
GRUPO COOPERATIVO asociación de múltiples instituciones para realizar ensayos clínicos
CORONARIO relacionado con los vasos sanguíneos que irrigan el corazón o con el corazón mismo
CT SCAN (CAT) Serie computarizada de rayos X (tomografía computarizada)
CULTURA prueba de infección o de organismos que podrían causar infección.
ACUMULATIVO sumado desde el principio
CUTÁNEA relativa a la piel
Accidente cerebrovascular CVA (accidente cerebrovascular)

DERMATOLÓGICO relativo a la piel
Número menor DIASTÓLICO en una lectura de presión arterial
DISTAL hacia el final, lejos del centro del cuerpo
"Pastilla para eliminar el agua" DIURÉTICA o fármaco que provoca un aumento de la micción
Dispositivo DOPPLER que utiliza ondas sonoras para diagnosticar o probar
Estudio DOBLE CIEGO en el que ni los investigadores ni los sujetos saben qué fármaco o tratamiento está recibiendo el sujeto
DISFUNCIÓN estado de funcionamiento incorrecto
DISPLASIA células anormales

Prueba de ecocardiograma de ondas sonoras del corazón
EDEMA exceso de líquido que se acumula en el tejido
Seguimiento de ondas cerebrales eléctricas EEG (electroencefalograma)
EFICACIA efectividad
ELECTROCARDIOGRAMA trazado eléctrico de los latidos del corazón (ECG o EKG)
DESEQUILIBRIO DE ELECTROLITOS un desequilibrio de minerales en la sangre
EMESIS vómitos
EMPIRIC basado en la experiencia
EXAMEN ENDOSCÓPICO examen de una parte interna del cuerpo con un tubo iluminado ENTERAL a través de los intestinos
EPIDURAL fuera de la médula espinal
ERRADICAR deshacerse de (como una enfermedad) Página 2 de 7
EVALUADO, EVALUADO examinado para una condición médica
REVISIÓN ACELERADA Revisión rápida de un protocolo por parte del presidente del IRB sin la aprobación total del comité, permitida con ciertos estudios de investigación de bajo riesgo
EXTERNO fuera del cuerpo
EXTRAVASADO para filtrar fuera de un área planificada, como fuera de un vaso sanguíneo

FDA U.S. Food and Drug Administration, la rama del gobierno federal que aprueba nuevos medicamentos
FIBROSA que tiene muchas fibras, como tejido cicatricial
FIBRILACIÓN latidos irregulares del corazón u otro músculo.

ANESTESIA GENERAL Prevención del dolor mediante la administración de fármacos para provocar la pérdida del conocimiento, como durante la cirugía.
GESTACIONAL relacionado con el embarazo

HEMATÓCRITO cantidad de glóbulos rojos en la sangre
HEMATOMA un hematoma, una marca negra y azul
MEDICIÓN HEMODINÁMICA medición del flujo sanguíneo
Desglose de la HEMÓLISIS en los glóbulos rojos
Aguja de HEPARIN LOCK colocada en el brazo con un anticoagulante para evitar que la sangre se coagule.
HEPATOMA cáncer o tumor de hígado
ENFERMEDAD HEREDITARIA enfermedad que puede transmitirse a la descendencia de uno, lo que da como resultado daños a los futuros hijos
HISTOPATOLÓGICO relativo al estado de enfermedad de los tejidos o células corporales
HOLTER MONITOR una máquina portátil para registrar los latidos del corazón
HIPERCALCEMIA Nivel alto de calcio en sangre
HIPERCALEMIA Nivel alto de potasio en sangre
HIPERNATREMIA nivel alto de sodio en sangre
HIPERTENSIÓN presión arterial alta
HIPOCALCEMIA Nivel bajo de calcio en sangre
HIPOCALEMIA nivel bajo de potasio en sangre
HIPONATREMIA nivel bajo de sodio en sangre
HIPOTENSIÓN presión arterial baja
HIPOXEMIA una disminución de oxígeno en la sangre
HIPOXIA disminución del oxígeno que llega a los tejidos corporales
HISTERECTOMÍA Extirpación quirúrgica del útero, los ovarios (glándulas sexuales femeninas) o tanto del útero como de los ovarios

IATROGÉNICO causado por un médico o por tratamiento
Exención de dispositivo de investigación IDE, la licencia para probar un nuevo dispositivo médico no aprobado
IDIOPÁTICO de causa desconocida
INMUNIDAD defensa contra, protección contra
INMUNOGLOBINA una proteína que produce anticuerpos
Medicamento INMUNOSUPPRESIVO que actúa contra la respuesta inmunitaria (protectora) del cuerpo, a menudo utilizado en trasplantes y enfermedades causadas por un mal funcionamiento del sistema inmunológico.
INMUNOTERAPIA administración de medicamentos para ayudar al sistema inmunológico (protector) del cuerpo que generalmente se usa para destruir las células cancerosas
FUNCIÓN DEFECTUOSA función anormal
IMPLANTADO colocado en el cuerpo
IND nuevo fármaco en investigación, la licencia para probar un nuevo fármaco no aprobado
FASE DE INDUCCIÓN fase inicial o etapa de un tratamiento
Endurecimiento por INDURACIÓN
PERMANECER permaneciendo en un lugar determinado, como un catéter
INFARTO muerte de tejido debido a falta de suministro de sangre
ENFERMEDAD INFECCIOSA enfermedad que se transmite de una persona a otra
INFLAMACIÓN Hinchazón que generalmente es dolorosa, roja y cálida
INFUSIÓN Inyección lenta de una sustancia en el cuerpo, generalmente en la sangre por medio de un catéter.
INGESTIÓN ingesta por vía oral
INTERFERON fármaco que actúa contra virus agente antiviral
INTERMITENTE que ocurre (regular o irregularmente) entre dos puntos de tiempo deteniéndose repetidamente y luego comenzando de nuevo
INTERNO dentro del cuerpo
INTERIOR dentro del cuerpo
INTRAMUSCULAR en el músculo dentro del músculo
INTRAPERITONEAL en la cavidad abdominal
INTRATECAL en el líquido cefalorraquídeo
INTRAVENOSO (IV) a través de la vena
INTRAVESICAL en la vejiga
INTUBAR la colocación de un tubo en las vías respiratorias
PROCEDIMIENTO INVASIVO perforando, abriendo o cortando la piel
NUEVO FÁRMACO EN INVESTIGACIÓN (IND) un nuevo fármaco que no ha sido aprobado por la FDA
MÉTODO DE INVESTIGACIÓN un método de tratamiento que no ha demostrado ser beneficioso o no ha sido aceptado como atención estándar
ISQUEMIA disminución de oxígeno en un tejido (generalmente debido a una disminución del flujo sanguíneo)

LAPAROTOMÍA procedimiento quirúrgico en el que se hace una incisión en la pared abdominal para permitirle al médico observar los órganos internos
LESIÓN herida o lesión un parche de piel enfermo
LETARGIA somnolencia, cansancio
LEUCOPENIA recuento bajo de glóbulos blancos
Grasa LÍPIDA
CONTENIDO DE LÍPIDOS Contenido de grasa en la sangre
PERFIL DE LÍPIDOS (PANEL) Niveles de grasa y colesterol en sangre
ANESTESIA LOCAL Creación de insensibilidad al dolor en un área local pequeña del cuerpo, generalmente por inyección de anestésicos.
LOCALIZADO restringido a un área, limitado a un área
LUMEN la cavidad de un órgano o tubo (por ejemplo, un vaso sanguíneo)
LINFANGIOGRAFÍA una radiografía de los ganglios linfáticos o los tejidos después de inyectar un tinte en los vasos linfáticos (por ejemplo, en los pies)
LINFOCITO un tipo de glóbulo blanco importante en la inmunidad (protección) contra infecciones
LINFOMA un cáncer de los ganglios linfáticos (o tejidos)

MALAISE una vaga sensación de malestar corporal, malestar
MAL FUNCIONAMIENTO condición en la que algo no funciona correctamente
MALIGNIDAD cáncer u otro tumor que se agranda y disemina progresivamente, generalmente fatal si no se trata con éxito
MEDULLABLASTOMA un tipo de tumor cerebral
Cambio de la MEGALOBLASTOSIS en los glóbulos rojos
METABOLIZAR proceso de descomposición de sustancias en las células para obtener energía.
METASTASIS propagación de células cancerosas de una parte del cuerpo a otra
METRONIDAZOL fármaco utilizado para tratar infecciones causadas por parásitos (organismos invasores que se incorporan al cuerpo) u otras causas de infección anaeróbica (que no requieren oxígeno para sobrevivir)
MI infarto de miocardio, infarto de miocardio
MINIMAL leve
MINIMIZAR reducir tanto como sea posible Página 4 de 7
MONITOR comprobar el seguimiento del reloj con cuidado
MOVILIDAD facilidad de movimiento
MORBILIDAD Resultado no deseado o complicación
MORTALIDAD muerte
MOTILIDAD la capacidad de moverse
Imágenes de resonancia magnética por resonancia magnética, imágenes de diagnóstico del interior del cuerpo, creadas utilizando energía magnética en lugar de rayos X
MUCOSA, MEMBRANA MUCOSA Revestimiento húmedo de los tractos digestivo, respiratorio, reproductivo y urinario.
Dolores musculares de MYALGIA
MIOCARDIO perteneciente al músculo cardíaco
Infarto de miocardio infarto de miocardio

Tubo de TUBO NASOGÁSTRICO colocado en la nariz, que llega al estómago
NCI el Instituto Nacional del Cáncer
NECROSIS muerte de tejido
NEOPLASIA / NEOPLASMA Tumor, puede ser benigno o maligno
NEUROBLASTOMA un cáncer de tejido nervioso
NEUROLÓGICO perteneciente al sistema nervioso
NEUTROPENIA Disminución de la parte principal de los glóbulos blancos.
NIH los Institutos Nacionales de Salud
NO INVASIVO que no rompa, corte ni penetre en la piel
NOSOCOMIAL adquirido en el hospital

OCLUSIÓN Obstrucción de bloqueo de cierre
ONCOLOGÍA el estudio de tumores o cáncer
OFTALMICO perteneciente al ojo
ÓPTIMO mejor, más favorable o deseable
ADMINISTRACIÓN ORAL por vía oral
ORTOPÉDICO perteneciente a los huesos
OSTEOPETROSIS Trastorno óseo raro caracterizado por hueso denso
OSTEOPOROSIS ablandamiento de los huesos
OVARIOS glándulas sexuales femeninas

PARENTERAL administrado por inyección
PATENCIA condición de estar abierto
PATOGÉNESIS desarrollo de una enfermedad o condición no saludable
PERCUTANEO a través de la piel
PERIFÉRICO no central
POR OS (PO) por vía oral
FARMACOCINÉTICA: estudio de la forma en que el cuerpo absorbe, distribuye y elimina un fármaco.
FASE I Primera fase del estudio de un nuevo fármaco en humanos para determinar la acción, la seguridad y la dosificación adecuada.
FASE II Segunda fase del estudio de un nuevo fármaco en humanos, destinada a recopilar información sobre la seguridad y eficacia del fármaco para determinados usos.
FASE III Estudios a gran escala para confirmar y ampliar la información sobre la seguridad y eficacia de un nuevo fármaco para ciertos usos y para estudiar los efectos secundarios comunes.
Estudios de FASE IV realizados después de que la FDA apruebe el medicamento, especialmente para compararlo con la atención estándar o para probarlo para nuevos usos.
FLEBITIS irritación o inflamación de la vena
PLACEBO una sustancia inactiva una pastilla / líquido que no contiene medicamento
Mejoría del EFECTO PLACEBO observada al dar a los sujetos un placebo, aunque no contiene ningún fármaco / tratamiento activo
PLAQUETAS pequeñas partículas en la sangre que ayudan con la coagulación.
POTENCIAL posible
POTENCIAR aumentar o multiplicar el efecto de una droga o toxina (veneno) al administrar otra droga o toxina al mismo tiempo (a veces, un resultado no intencional)
POTENCIADOR un agente que ayuda a otro agente a trabajar mejor
PRENATAL antes del nacimiento
PROFILAXIS un medicamento que se administra para prevenir enfermedades o infecciones
POR OS (PO) por vía oral
PRN según sea necesario
Perspectiva de PRONÓSTICO, resultados probables
PRONO acostado boca abajo
Estudio de ESTUDIO PROSPECTIVO que sigue a los pacientes en el tiempo
PRÓTESIS Parte artificial, con mayor frecuencia extremidades, como brazos o piernas
Plan de estudios PROTOCOLO
PROXIMAL más cerca del centro del cuerpo, lejos del final
PULMONAR perteneciente a los pulmones

QD todos los días todos los días
QID cuatro veces al día

RADIACIÓN TERAPIA Rayos X o tratamiento con cobalto
ALEATORIO por casualidad (como el lanzamiento de una moneda)
Selección de oportunidad de ALEATORIZACIÓN
Glóbulos rojos
Formación RECOMBINANTE de nuevas combinaciones de genes
RECONSTITUCIÓN volviendo a armar las piezas o elementos originales
RECURREN suceder de nuevo
REFRACTARIO no responde al tratamiento
REGENERACIÓN Re-crecimiento de una estructura o de tejido perdido
REGIMEN patrón de dar tratamiento
RECARGA el regreso de una enfermedad
REMISIÓN desaparición de evidencia de cáncer u otra enfermedad
RENAL perteneciente a los riñones
REPLICABLE posible duplicar
RESECT quitar o cortar quirúrgicamente
ESTUDIO RETROSPECTIVO estudio retrospectivo de experiencias pasadas

SARCOMA un tipo de cáncer
SEDATIVO una droga para calmar o hacer menos ansioso
SEMINOMA un tipo de cáncer testicular (que se encuentra en las glándulas sexuales masculinas)
SECUENCIALMENTE en una fila, en orden
Somnolencia somnolencia
ESPIRÓMETRO un instrumento para medir la cantidad de aire que se toma y se exhala en los pulmones.
ETAPA DE UNA EVALUACIÓN DE LA EXTENSIÓN DE LA ENFERMEDAD
ESTÁNDAR DE CUIDADO un plan de tratamiento que la mayoría de la comunidad médica aceptaría como apropiado
ESTENOSIS estrechamiento de un conducto, tubo o uno de los vasos sanguíneos del corazón
ESTOMATITIS llagas en la boca, inflamación de la boca
ESTRATIFICAR organizar en grupos para el análisis de los resultados (por ejemplo, estratificar por edad, sexo, etc.)
ESTUPOR Estado de aturdimiento en el que es difícil obtener una respuesta o la atención del sujeto.
SUBCLAVIANO debajo de la clavícula
SUBCUTÁNEA debajo de la piel
SUPINO acostado sobre la espalda
CUIDADO DE APOYO Atención médica general dirigida a los síntomas, no destinada a mejorar o curar una enfermedad subyacente.
SINTOMÁTICO que tiene síntomas
SÍNDROME una condición caracterizada por un conjunto de síntomas
Número máximo SISTÓLICO en la presión arterial durante la contracción activa del corazón

TERATOGÉNICO capaz de causar malformaciones en un feto (bebé en desarrollo todavía dentro del cuerpo de la madre)
PRUEBAS / TESTÍCULOS Glándulas sexuales masculinas
Coagulación por trombosis
TROMBO coágulo de sangre
TID tres veces al día
TITULACIÓN un método para decidir la concentración de un fármaco o solución aumentando gradualmente la dosis
T-LINFOCITOS tipo de glóbulos blancos
TÓPICO en la superficie
ANESTÉSICO TÓPICO aplicado en una determinada zona de la piel y reduciendo el dolor solo en la zona a la que se aplica
TOXICIDAD efectos secundarios o efectos indeseables de un fármaco o tratamiento
TRANSDERMAL a través de la piel
TRANSITORIAMENTE temporalmente
Herida por traumatismo
Máquina para caminar TREADMILL utilizada para evaluar la función cardíaca

CAPTACIÓN absorbiendo y asimilando una sustancia por tejido vivo

VALVULOPLASTIA reparación plástica de una válvula, especialmente una válvula cardíaca
VARICES venas agrandadas
VASOSPASMO estrechamiento de los vasos sanguíneos.
VECTOR un portador que puede transmitir microorganismos causantes de enfermedades (gérmenes y virus)
VENIPUNCTURA pinchazo de aguja, extracción de sangre, penetración en la piel con una aguja
TRANSMISIÓN VERTICAL propagación de enfermedades


Estadísticas de Altmetric.com

El antagonista del receptor de interleucina 1 se describió originalmente como una molécula secretada (sIL1Ra) de monocitos y macrófagos. La función principal de sIL1Ra parece ser inhibir competitivamente la unión de IL1 a los receptores de la superficie celular. Ahora se han descrito tres isoformas intracelulares de esta molécula. El papel biológico de las isoformas intracelulares de IL1Ra sigue sin estar claro. Aunque estas moléculas pueden liberarse de las células para funcionar como antagonistas de los receptores, las isoformas intracelulares de IL1Ra pueden desempeñar funciones adicionales dentro de las células. Esta revisión resumirá las características de las isoformas de IL1Ra descritas, el papel de estas moléculas en biología y las asociaciones de enfermedades informadas de polimorfismos alélicos del gen IL1Ra.


Terapia de genes

En la terapia génica somática, las secuencias de ADN funcionales se insertan en células que carecen de un gen específico o tienen una versión defectuosa del mismo.Los vectores incluyen virus, liposomas y plásmidos con replicación defectuosa. Para la transferencia de material genético por infección viral (llamada transducción), los retrovirus son particularmente adecuados como vectores porque su ARN, convertido en ADN por transcriptasa inversa, pasa a formar parte del genoma de la célula infectada. También se utilizan adenovirus y herpesvirus. Se han logrado avances en el tratamiento de varios trastornos hereditarios, incluida la inmunodeficiencia combinada grave, la fibrosis quística y la hemofilia B. La terapia génica tiene varias aplicaciones en oncología, incluida la transducción en células tumorales malignas de genes que codifican citocinas o factores de coactivación para aumentar las respuestas antitumorales del huésped y la transferencia de genes supresores de tumores, particularmente p53 (el gen mutado más comúnmente encontrado en cánceres humanos), para mejorar la sensibilidad de las células malignas a los agentes quimioterapéuticos. El uso de vectores virales se asocia con un riesgo de inflamación localizada y sistémica mediada por citocinas, que puede ser fatal. La terapia de línea germinal inserta genes específicos directamente en el ADN del esperma, óvulo o embrión, produciendo alteraciones hereditarias del genoma.


DISCUSIÓN

Nuestro estudio revela una gran cantidad de proteínas empalmadas alternativamente, funcionalmente importantes, que albergan eventos de empalme no triviales e insinúan un alto grado de plasticidad y una gran tolerancia contra reordenamientos importantes en el nivel de la estructura de la proteína. La posibilidad de expresar el antagonista de una proteína como una isoforma de la variante nativa representa un mecanismo intuitivo para aumentar la complejidad funcional de un organismo mediante el corte y empalme alternativo y ha sido discutido por varios estudios antes. La explicación estructural de este mecanismo puede basarse en la eliminación de partes muy conservadas, que son esenciales para la función de la variante nativa. Si la isoforma aún puede plegarse en una estructura similar a la nativa, puede imitar las características estructurales nativas e interactuar con los socios de interacción nativos sin procesarlos más. Por tanto, el empalme alternativo proporciona inmediatamente un mecanismo para convertir un activador en un inhibidor eficaz a través de un mecanismo genético simple, posiblemente regulado.

El espacio de la proteína secuencia-estructura intenta vincular diferentes pliegues mediante similitudes y diferencias apropiadas, pero los ejemplos de transiciones de pliegues son raros y típicamente difíciles de explicar biológicamente. Nuestro estudio proporciona ejemplos de estos vínculos y los explica con un mecanismo genético simple y común. Por lo tanto, el empalme alternativo puede ser un nuevo enfoque para trazar el espacio de las proteínas y obtener información sobre el mecanismo de evolución de la estructura de las proteínas. El trabajo futuro consistirá en explorar el espacio de pliegue, así como los cambios que ocurren dentro y entre pliegues en el contexto del empalme alternativo con más detalle. Por lo tanto, el análisis estructural de eventos de corte y empalme alternativos puede ayudar a identificar rutas comunes de evolución de pliegues de proteínas similares a los eventos discutidos por (12) y describir eventos que pueden ser tolerados dentro de las familias de proteínas. Este conocimiento puede tener aplicaciones interesantes en el diseño de proteínas.

Sin pruebas experimentales, actualmente solo podemos especular sobre las estructuras de las isoformas resultantes de eventos de empalme no triviales. Varios hechos indican que al menos algunas de esas isoformas podrían tener una estructura bien definida. Realizan una función bien definida en la célula y pueden imitar características de sus homólogos nativos. Además, la identificación de las transiciones de pliegues ejemplifica que podrían adoptar estructuras de diferentes pliegues. Sin embargo, también pueden estar desestructurados o doblarse en conformaciones aún desconocidas. Por lo tanto, este estudio proporcionará puntos de partida interesantes para los experimentadores que intentan obtener una comprensión más profunda de las alteraciones no triviales de la estructura de la proteína producidas por el empalme alternativo y conducirá a nuevos conocimientos sobre la estabilidad de la estructura de la proteína y los principios de la evolución del pliegue de la proteína.

También esperamos que las técnicas experimentales establecidas recientemente, como los microarrays a nivel de exón, contribuyan significativamente a nuestra comprensión de los efectos funcionales y, en el contexto de este estudio, más importante, estructurales del empalme alternativo. Las técnicas de RMN (32) y la espectrometría de masas (33) que miden los proteomas completos contribuirán a validar o falsear la importancia del empalme alternativo para la diversidad funcional de organismos complejos.

Como, en principio, el empalme alternativo es un mecanismo para producir un número combinatorio de transcripciones, incluso un pequeño porcentaje de estructuras estables implica un gran número de nuevas variantes de proteínas. Por lo tanto, creemos que la evolución hace uso de empalmes alternativos para producir diversidad estructural y funcional y esta diversidad se debe a la gran plasticidad estructural de las proteínas. Comprender el empalme alternativo a nivel del proteoma será uno de los principales desafíos de la biología experimental y computacional en los próximos años.


Beber leche: ¿en nuestros genes?

(PhysOrg.com) - Un nuevo estudio dirigido por científicos de la UCL ha descubierto que los datos genéticos actuales no pueden explicar por qué grandes extensiones del mundo pueden digerir la leche.

La capacidad de digerir la lactosa del azúcar de la leche, también conocida como persistencia de la lactasa, es un rasgo genético evolutivo selectivamente ventajoso y reciente, que surgió hace unos 7.500 años en Europa y probablemente más tarde en otras partes del mundo. Esto significa que, una vez destetados, las personas en la mayor parte del mundo (gran parte de África, la mayor parte de Asia y Oceanía) no pueden digerir la leche por el resto de su vida.

Sin embargo, el estudio publicado en Biología Evolutiva BMC, muestra que las cuatro mutaciones genéticas actualmente asociadas con la capacidad de digerir la leche no pueden explicar por qué muchas personas en África occidental y meridional, Europa sudoriental, Oriente Medio y Asia meridional y central son capaces de digerir la leche. También sugiere que existen otras variantes genéticas que conducen a la capacidad de digerir la leche, pero aún no se han descubierto.

El coautor del estudio, el Dr. Yuval Itan (Genética, Evolución y Medio Ambiente de UCL), explica con más detalle lo que revela este estudio.

P: ¿Puede explicar la "persistencia de la lactasa" en términos sencillos?

La lactasa es la enzima que descompone la lactosa en dos unidades que son digeribles. Es producido por un gen y es activo en los bebés humanos (y en la mayoría de los mamíferos). La mayoría de los adultos humanos (y mamíferos) no pueden digerir la lactosa de la leche azucarada después del destete. La minoría de la población mundial humana, principalmente la de origen pastoril, tiene persistencia de lactasa.

La persistencia de la lactasa es un rasgo evolutivo nuevo, como lo demuestra un estudio colaborativo que demuestra que la persistencia de la lactasa estaba ausente en los huesos neolíticos antiguos de Europa. Un estudio reciente de UCL titulado "Los orígenes de la persistencia de la lactasa en Europa" mostró que es probable que la persistencia de la lactasa y la co-evolución del cultivo genético lechero se hayan originado en Europa hace unos 7.500 años, en Europa Central / Balcanes del Norte, en el cultivo Linearbandkeramik.

Sin embargo, es probable que el rasgo haya evolucionado de forma independiente en África y en el Medio Oriente, ya que en estas regiones existen diferentes variantes genéticas asociadas. La persistencia de la lactasa tiene una ventaja selectiva muy alta, probablemente debido a los diversos beneficios nutricionales que brindó durante los duros tiempos del Neolítico.

¿Cuáles fueron los objetivos de este estudio y cómo apoya los estudios previos realizados en los últimos años?

La persistencia de la lactasa humana se ha investigado a fondo en las últimas décadas. Los recientes avances en genética permitieron asociar mutaciones genéticas específicas con el rasgo de persistencia de la lactasa.

Sin embargo, notamos que para algunas poblaciones los datos genéticos son insuficientes para explicar la persistencia de la lactasa, principalmente debido a una predicción insuficiente del rasgo. Por ejemplo, el grupo étnico wolof en Senegal tiene una frecuencia de 51% de persistencia de lactasa, pero al predecir su persistencia de lactasa por sus datos genéticos asociados a la persistencia de lactasa, parecería que su persistencia de lactasa es del 0%. Esto sugirió que hay más variantes genéticas asociadas con la capacidad de digerir el azúcar de la leche que están esperando ser descubiertas.

Los principales objetivos de este estudio fueron investigar la correlación entre el rasgo de persistencia de lactasa y sus genotipos (las diversas mutaciones que explican el rasgo) en todo el mundo con el fin de identificar regiones donde los datos genéticos de persistencia de lactasa son actualmente insuficientes para explicar la persistencia de lactasa, y en que manera de sugerir regiones donde los estudios genéticos en poblaciones locales probablemente revelen nuevas variantes genéticas asociadas a la persistencia de la lactasa.

Usamos y ampliamos la base de datos de la persistencia de la lactasa que se describió por primera vez en el estudio de la UCL 'La digestión de la lactosa y la genética evolutiva de la persistencia de la lactasa' y ampliamos la nueva metodología de correlación estadística que se desarrolló para otro estudio de la UCL para verificar en qué regiones geográficas la lactasa El fenotipo de persistencia puede explicarse por los genotipos de persistencia de la lactasa. Hemos presentado la GLAD (Global Lactase Persistence Association Database), así como la representación visual en mapas de la distribución del Viejo Mundo del fenotipo de persistencia de la lactasa, los genotipos y la correlación entre los dos.

¿Cuál fue el aspecto más sorprendente de la investigación?

Fue sorprendente la gran cantidad de regiones donde los datos genéticos no pueden explicar la persistencia de la lactasa. Un buen ejemplo es África Occidental, donde se dispone de datos genéticos y fenotípicos de la persistencia de la lactasa y no existe una correlación entre los dos. Esto también es muy emocionante, porque la realización de más estudios genéticos en esta región probablemente revelará nuevas variantes genéticas de persistencia de la lactasa que aún se desconocen.

¿Qué nos dice este estudio sobre la persistencia de la lactasa en términos globales?

Este estudio muestra la frecuencia de la persistencia de la lactasa en cientos de poblaciones diferentes en todo el mundo y se puede ver claramente en el mapa (consulte la Figura 1 a continuación). También nos dice que tengamos cuidado cuando intentemos usar datos genéticos solo para predecir la persistencia de la lactasa en individuos de todo el mundo; como hemos demostrado, pasará mucho tiempo antes de que la genética pueda reemplazar por completo las pruebas fisiológicas de persistencia de la lactasa (como el hidrógeno en el aliento). o glucosa en sangre), porque en diversas poblaciones aún no se han caracterizado las variantes genéticas asociadas con la persistencia de la lactasa.

La frecuencia de la persistencia de la lactasa en las poblaciones mundiales.

¿Cómo se relacionan sus hallazgos con la noción de que beber leche es saludable?

En mi opinión personal, parece que el consumo de leche se muestra en los medios de comunicación como el estado de salud de adultos y niños, mientras que el caso es que la mayoría de los humanos son individuos sanos que no pueden digerir la leche, y esto no debe concebirse como un problema.

Los productos lácteos procesados ​​o relacionados con la leche (como el yogur y el queso) generalmente tienen una proporción menor de lactasa que la leche cruda, por lo que, en algunos casos, las personas que no son persistentes en la lactasa podrían digerirlos, y un médico o un experto en nutrición podría dar un buen asesoramiento personalizado sobre este tema.

Con base en las conclusiones de este estudio, recomendaría que las personas que deseen probar si son persistentes en lactasa deben realizar las pruebas fisiológicas tradicionales en lugar de la prueba genética, porque actualmente no es suficiente para muchas poblaciones.


RESULTADOS

Nuestro estudio se basa en 367 proteínas Swissprot y 488 isoformas de empalme adicionales, que se pueden modelar a nivel de estructura con una precisión muy alta. El conjunto de datos ENCODE analizado en la Ref. (9) contiene 6 de estas proteínas (con 11 isoformas anotadas en Swissprot) que se analizan en los datos complementarios. Como se muestra en la Figura 1, 50% de los eventos caen en regiones variables, a menudo terminales, de la correspondiente superfamilia de proteínas ("isoformas" evolutivas) o afectan dominios completos. La otra mitad (255) de los eventos son más difíciles de explicar, ya que afectan a las regiones conservadas en todos los miembros de la superfamilia, incluidos los elementos centrales de la estructura secundaria, así como los residuos altamente conservados.

Distribución de 488 eventos de empalme en las cuatro categorías principales. 35% de los eventos caen en regiones variables de la superfamilia correspondiente mientras que 11% afectan dominios completos de proteínas multidominio 8% de las isoformas afectan regiones más grandes (más del 50% de la estructura) mientras que 46% afectan regiones conservadas de sus correspondientes superfamilia que están presentes en todos los miembros de la superfamilia.

Distribución de 488 eventos de empalme en las cuatro categorías principales. 35% de los eventos caen en regiones variables de la superfamilia correspondiente mientras que 11% afectan dominios completos de proteínas multidominio 8% de las isoformas afectan regiones más grandes (más del 50% de la estructura) mientras que 46% afectan regiones conservadas de sus correspondientes superfamilia que están presentes en todos los miembros de la superfamilia.

Diferentes categorías de eventos de empalme no triviales

Basándonos en consideraciones evolutivas sobre eventos posiblemente de cambio de pliegues (12), definimos ocho categorías que describen diferentes tipos de esos eventos de empalme. Debido a sus patrones de enlace de hidrógeno, se sabe que las cadenas β que se encuentran en el borde de una hoja β más grande son más variables que las cadenas β internas. Por lo tanto, dos categorías describen eventos que afectan a las cadenas β periféricas o internas. De manera similar, en las proteínas que pertenecen a clases de pliegues αβ, a menudo los motivos de la estructura secundaria αβ tienden a verse afectados y, en consecuencia, definimos dos clases que comprenden motivos αβ periféricos e internos. Las categorías adicionales contienen regiones helicoidales conservadas, hélices conservadas, eventos a gran escala (que afectan a más del 50% de la estructura), así como eventos que afectan a familias de estructuras de proteínas repetitivas cuyo número de repeticiones varía en la evolución. La Tabla 1 muestra la distribución de los eventos de empalme en las diferentes categorías.

La distribución de isoformas no triviales en las ocho categorías definidas en base a consideraciones evolutivas con respecto a diferentes características.

. Bobina. α. β (p). β (i). αβ (p). αβ (i). Repetir . Grande . Total.
Región conservada afectada (clase) 14 50 29 25 49 35 21 37 255
Isoforma confirmada (nivel de proteína) 4 15 2 9 6 3 1 3 43
Función descrita 2 7 1 5 5 3 1 2 26
Log Odds: Función / Clase 0.36 0.41 −1.16 0.78 0 −0.2 −0.81 −0.67
. Bobina. α. β (p). β (i). αβ (p). αβ (i). Repetir . Grande . Total.
Región conservada afectada (clase) 14 50 29 25 49 35 21 37 255
Isoforma confirmada (nivel de proteína) 4 15 2 9 6 3 1 3 43
Función descrita 2 7 1 5 5 3 1 2 26
Log Odds: Función / Clase 0.36 0.41 −1.16 0.78 0 −0.2 −0.81 −0.67

(p) e (i) indican la posición de las correspondientes hebras β en las posiciones internas o periféricas de la hoja. La fila "Región conservada afectada" muestra el número de isoformas que afectan a las regiones conservadas de la superfamilia correspondiente. La fila 'Isoforma confirmada' muestra isoformas que han sido confirmadas en la literatura (ver Datos complementarios para una lista completa) en el nivel de proteína, mientras que la fila 'Función descrita' hace referencia a isoformas en las diferentes categorías que se han descrito en la literatura para realizar una función bien definida. La fila "Función / Clase" contiene las proporciones logarítmicas impares de las isoformas descritas funcionalmente en las diferentes clases estructurales (tercera fila) frente a la distribución de clases de fondo (primera fila). Todos los logaritmos impares de los valores dados para "isoforma confirmada" y "función descrita" contra la distribución de fondo de clases estructurales dentro de isoformas con "regiones conservadas afectadas" se pueden encontrar en los datos suplementarios, figura S1.

La distribución de isoformas no triviales en las ocho categorías definidas en base a consideraciones evolutivas con respecto a diferentes características.

. Bobina. α. β (p). β (i). αβ (p). αβ (i). Repetir . Grande . Total.
Región conservada afectada (clase) 14 50 29 25 49 35 21 37 255
Isoforma confirmada (nivel de proteína) 4 15 2 9 6 3 1 3 43
Función descrita 2 7 1 5 5 3 1 2 26
Log Odds: Función / Clase 0.36 0.41 −1.16 0.78 0 −0.2 −0.81 −0.67
. Bobina. α. β (p). β (i). αβ (p). αβ (i). Repetir . Grande . Total.
Región conservada afectada (clase) 14 50 29 25 49 35 21 37 255
Isoforma confirmada (nivel de proteína) 4 15 2 9 6 3 1 3 43
Función descrita 2 7 1 5 5 3 1 2 26
Log Odds: Función / Clase 0.36 0.41 −1.16 0.78 0 −0.2 −0.81 −0.67

(p) e (i) indican la posición de las correspondientes hebras β en las posiciones internas o periféricas de la hoja. La fila "Región conservada afectada" muestra el número de isoformas que afectan a las regiones conservadas de la superfamilia correspondiente. La fila 'Isoforma confirmada' muestra isoformas que han sido confirmadas en la literatura (ver Datos suplementarios para una lista completa) en el nivel de proteína, mientras que la fila 'Función descrita' hace referencia a isoformas en las diferentes categorías que se han descrito en la literatura para realizar una función bien definida. La fila "Función / Clase" contiene las proporciones logarítmicas impares de las isoformas descritas funcionalmente en las diferentes clases estructurales (tercera fila) frente a la distribución de clases de fondo (primera fila). Todas las proporciones logarítmicas impares de los valores dados para "isoforma confirmada" y "función descrita" contra la distribución de fondo de clases estructurales dentro de isoformas con "regiones conservadas afectadas" se pueden encontrar en los datos suplementarios, figura S1.

Búsqueda bibliográfica de isoformas funcionalmente verificadas y verificadas experimentalmente

La literatura biológica anotada sobre las isoformas en Swissprot proporciona una valiosa fuente de información. Si bien Swissprot anota proteínas solo si se han verificado experimentalmente, este no debe ser el caso de sus correspondientes isoformas que pueden originarse en experimentos de ADNc o EST a gran escala. Por lo tanto, la mayoría de las isoformas solo se han verificado experimentalmente a nivel de ARNm, mientras que los productos proteicos de la isoforma no se investigaron en el estudio correspondiente. Sin embargo, de las 255 isoformas no triviales, 43 (17%) han sido validadas experimentalmente a nivel de proteína y para 26 isoformas (10%), se ha descrito la función de la variante empalmada. Sorprendentemente, y en contraste con hallazgos anteriores, encontramos evidencia bibliográfica de isoformas funcionalmente importantes y bien caracterizadas en todas nuestras ocho categorías (Tabla 1), lo que indica que incluso los eventos a gran escala pueden conducir a productos proteicos funcionales e interesantes. En los datos suplementarios se proporciona una lista completa de todas las referencias bibliográficas e isoformas. A continuación, revisaremos algunas isoformas interesantes de diferentes categorías.

Empalme alternativo de una región terminal de una proteína

Muchos eventos de empalme en nuestro conjunto de datos cambian las partes terminales amino o carboxi de la estructura de una proteína, que resultan ser más variables y difieren significativamente entre los miembros de una familia de proteínas. Uno de los ejemplos, donde el evento de corte y empalme puede explicarse por la variabilidad observada en la correspondiente familia de proteínas se encuentra en la proteína humana p38α (Q16539), un miembro de la familia de quinasas activadas por mitógenos (MAPK). Esas proteínas son partes integrales de varias vías de transducción de señales y se sabe que desempeñan funciones importantes, p. Ej. en la respuesta al estrés de la célula. Para p38α, varias variantes de empalme se anotan en bases de datos públicas y entre las variantes de empalme bien estudiadas se encuentran dos proteínas conocidas como Mxi2 (Q16539-3) y Exip (Q16539-4) que difieren en gran parte de sus extremos carboxi-terminales comparados a p38α. Además, se anota un evento de corte y empalme similar para una proteína homóloga en ratón (P47811-2).El evento de empalme anotado para Exip (20) elimina 46 residuos de la estructura de la proteína, además, 52 residuos difieren en su secuencia debido a un cambio de marco introducido por el evento (Figura 2 a). Da como resultado la pérdida de un dominio de interacción bien conservado utilizado para interactuar con quinasas aguas arriba y sustratos aguas abajo. Esto lleva al hecho de que la proteína no es el objetivo de MKK6 ya no. La expresión de la isoforma en la célula conduce a un inicio más temprano de la apoptosis y parece apuntar a las vías de transducción de señales que son diferentes de las dirigidas por p38α (20). En el ejemplo de Exip, el evento de empalme de hecho se dirige a una parte más variable de la familia de proteínas (superfamilia SCOP d.144.1). Se sabe que las estructuras que carecen de la parte carboxi-terminal se pliegan en conformaciones estables.

Visualización de eventos de empalme alternativo a nivel de estructura. Las sustituciones están coloreadas en verde mientras que las supresiones están coloreadas en rojo. Todas las figuras se han creado utilizando PyMOL (http://www.pymol.org). (a) La eliminación de la parte carboxi-terminal de MK14_HUMAN (Q16539-4, pdb: 1zzlA), (B) la eliminación de una hebra externa y un motivo de hélice en PPAC_HUMAN (P24666-3, pdb: 5pnt), (C) la eliminación de una hebra interna en TF65-HUMAN (Q04206-3, pdb 1nfi), (D) la eliminación de una gran parte de la proteína de TIP30_HUMAN (Q9BUP3-2, pdb: 2bkaA), (mi) la eliminación de varios hilos en CASP9_HUMAN (P55211-2, pdb: 1nw9B), (F) y (gramo) la eliminación de motivos repetitivos de WDR1_CAEEL (Q11176-2: pdb: 1pevA) y CD2A1_HUMAN (P42771-2, pdb 2a5e) así como (h) la eliminación de la mitad de una estructura de barril TIM en CHIA_HUMAN (Q9BZP6-3, pdb: 1vf8A). Se puede encontrar una base de datos completa de eventos de empalme alternativos mapeados en estructuras de proteínas en: http://www.bio.ifi.lmu.de/ProSAS/NARSupplement.html.

Visualización de eventos de empalme alternativo a nivel de estructura. Las sustituciones están coloreadas en verde mientras que las supresiones están coloreadas en rojo. Todas las figuras se han creado utilizando PyMOL (http://www.pymol.org). (a) La eliminación de la parte carboxi-terminal de MK14_HUMAN (Q16539-4, pdb: 1zzlA), (B) la eliminación de una hebra externa y un motivo de hélice en PPAC_HUMAN (P24666-3, pdb: 5pnt), (C) la eliminación de una hebra interna en TF65-HUMAN (Q04206-3, pdb 1nfi), (D) la eliminación de una gran parte de la proteína de TIP30_HUMAN (Q9BUP3-2, pdb: 2bkaA), (mi) la eliminación de varios hilos en CASP9_HUMAN (P55211-2, pdb: 1nw9B), (F) y (gramo) la eliminación de motivos repetitivos de WDR1_CAEEL (Q11176-2: pdb: 1pevA) y CD2A1_HUMAN (P42771-2, pdb 2a5e) así como (h) la eliminación de la mitad de una estructura de barril TIM en CHIA_HUMAN (Q9BZP6-3, pdb: 1vf8A). Se puede encontrar una base de datos completa de eventos de empalme alternativos mapeados en estructuras de proteínas en: http://www.bio.ifi.lmu.de/ProSAS/NARSupplement.html.

Empalme alternativo en los bordes de las láminas β

Los eventos de corte y empalme alternativos que involucran hebras β conducen naturalmente a la ruptura de importantes enlaces de hidrógeno en la estructura de la proteína. Sin embargo, tales eventos son típicos en la evolución de las proteínas globulares si afectan las cadenas β periféricas de una hoja β más grande (12). Por lo tanto, estos eventos pueden ser tolerables por la estructura de una proteína, incluso si afectan regiones conservadas de la familia de la proteína. Uno de estos eventos es la eliminación de un motivo αβ periférico de LMPTP (P24666), una tirosina fosfatasa. Se sabe que la proteína se expresa en tres isoformas diferentes, todas las cuales difieren en una parte de 38 aminoácidos correspondiente a un motivo αβ. La hebra β representa una hebra periférica de una hoja β que consta de cuatro hebras en total. Mientras que la secuencia original se reemplaza por otros 38 residuos en la isoforma 2, la parte correspondiente se elimina en la isoforma 3 (LMPTP- C , P24666-3) (consulte también la Figura 2 b). El análisis detallado de LMPTP-C (21) muestra que la proteína carece de actividad fosfatasa y tampoco puede ser fosforilada por Lck quinasa que indica que el centro activo ha sido abordado por el evento de empalme. Cuando se coexpresa con la isoforma 2, se muestra que LMPTP-C actúa como antagonista de su variante nativa. El mecanismo propuesto (21) es que LMPTP-C se asocia competitivamente con los sustratos celulares o reguladores de sus contrapartes nativas y, por lo tanto, bloquea la desfosforilación de sus objetivos. LMPTP-C representa un ejemplo de cómo un evento de empalme cambia la función de una proteína al eliminar el centro activo de la proteína. Si bien esto va de la mano con una pérdida de su función nativa, la isoforma aún puede imitar características de la estructura nativa que le permite actuar como antagonista de LMPTP.

Empalme alternativo de hebras internas de láminas β

Como se muestra arriba, la deleción del motivo αβ periférico puede resultar en una proteína funcional que revela un mecanismo interesante para la regulación de la actividad enzimática. La eliminación de hebras internas de una hoja β o un barril β parece ser más problemática ya que esto da como resultado la pérdida de enlaces de hidrógeno en ambos lados de la hebra y requiere la formación de varios nuevos para retener la estructura nativa. de la proteína. Sin embargo, existen ejemplos conocidos de eventos de deleción de cadenas que ocurrieron en la evolución de la estructura como se analiza en (12). La subunidad p65 (Q04206) del activador transcripcional NF-κB tiene una variante de empalme (Q04206-3), que exhibe un evento de eliminación (22) como se muestra en la Figura 2c, donde nueve residuos, correspondientes a una cadena β interna , son removidos. De nuevo, para una proteína homóloga en ratón (Q04207-2) se anota el mismo evento de corte y empalme. Si bien la variante de empalme perdió su capacidad de unirse a p50, la segunda subunidad del complejo NF-κB, puede formar heterodímeros débiles con la isoforma nativa de p65. Se encuentra que esos heterodímeros tienen una capacidad muy reducida para unirse al ADN. Este hallazgo permite dos posibles conclusiones. O bien, la coexpresión de la isoforma y la proteína nativa regula negativamente la función de NF-κB, revelando nuevamente un patrón en el que la inactivación de una característica de la proteína puede actuar como un antagonista de la proteína nativa. O, en caso de que la isoforma todavía pueda unirse a IκB (el inhibidor del complejo NF-κB), puede actuar como un "sumidero" regulador que une el exceso de IκB y permite que p65 o p65 complejo p50 para ingresar al núcleo (22).

El empalme alternativo puede afectar regiones grandes y conservadas de la estructura de la proteína

A continuación, damos evidencia del hecho de que los eventos de corte y empalme alternativos pueden afectar regiones grandes y conservadas de una estructura de proteína y aún pueden resultar en una isoforma con características funcionales únicas. CC3 (Q9BUP3) es conocido por ser un supresor de metástasis que induce apoptosis en células humanas, que no se expresa en líneas altamente metastásicas de "carcinoma de pulmón de células pequeñas". Una variante, llamada TC3 (Q9BUP3-2) (23), sufre un evento de corte y empalme alternativo que elimina 107 residuos de su extremo carboxi-terminal y además reemplaza 21 residuos en el nuevo extremo que no comparten ninguna similitud de secuencia con la secuencia original. Como se muestra en la Figura 2 d, el evento de empalme afecta a más del 50% de la estructura de la proteína. Elimina dos hebras β periféricas de una hoja β que consta de siete hebras, así como varias hélices y hebras adicionales que no están implicadas en la formación del pliegue αβα del núcleo. Sorprendentemente, TC3 tiene, en contraste con su variante nativa CC3 , una función anti-apoptótica que parece estar ubicada en su parte C-terminal única. Aunque la proteína perdió varios elementos conservados de su pliegue, parece ser capaz de plegarse en una isoforma funcional estable (ver también la Figura 3, columna de la derecha). Se muestra que es de corta duración debido a una señal de degradación ubicada en el nuevo extremo carboxi-terminal de la proteína (23) que posiblemente representa otra característica fisiológica. Un segundo ejemplo que exhibe un evento de empalme similar que elimina una parte aún mayor de la estructura es una isoforma de caspasa 9 (P55211-2) (Figura 2 e). Se muestra nuevamente que la isoforma, llamada caspasa 9b, funciona como una molécula inhibidora de la apoptosis endógena (24). Las isoformas de CC3 y caspasa 9 revelan una tolerancia sorprendente de las proteínas del pliegue αβα a los eventos de aberración a gran escala. Esta tolerancia podría originarse en la historia evolutiva de las proteínas de esta clase de pliegues, ya que podrían haber evolucionado agregando sucesivamente motivos αβ a los bordes de las hojas centrales. Esto podría dar como resultado el hecho de que también se pueden eliminar de la estructura sin perder la capacidad de plegarse en una conformación estable.

Esta figura muestra cuatro ejemplos de probables eventos de cambio de pliegue por eventos de empalme no triviales (es decir, aquellos que no se pueden acomodar en la estructura nativa) identificados superponiendo la estructura empalmada a un pliegue de SCOP diferente. Los ejemplos también se pueden explorar de forma interactiva siguiendo este enlace http://www.bio.ifi.lmu.de/ProSAS/NARSupplement.html. Cada columna representa un ejemplo. En la primera fila, el evento de empalme se visualiza en la estructura de la proteína nativa de la proteína Swissprot. En la segunda fila, se muestra la superposición de la proteína empalmada con la proteína correspondiente de un pliegue diferente. Las filas tres y cuatro muestran diagramas TOPS (34) de la proteína empalmada (fila tres) y la proteína que pertenece al pliegue diferente (fila cuatro). En los diagramas TOPS, los elementos de la estructura secundaria correspondientes tienen el mismo color, los elementos que faltan en la otra proteína están coloreados en rojo. A veces, las hélices correspondientes se dividen, lo que con frecuencia resulta de interrupciones en las asignaciones de DSSP. De izquierda a derecha se muestran los siguientes ejemplos: Columna 1 DNMT2_HUMAN (O14717-6, Astral: d1g55a_, SCOP: c.66.1.26). La proteína empalmada se superpone muy bien (Puntuación TM: 0,68) con d1gsoa2 (SCOP: c.30.1.1). Topológicamente, las proteínas son muy similares, excepto por una hebra muy corta (longitud 2) - motivo de hélice (longitud 4) en el extremo C-terminal de d1gsoa2. Columna 2 AUHM_MOUSE (Q9JLZ3-2, Astral: d1hzda_, SCOP: c.14.1.3) que se superpone bien (Puntuación TM: 0.56) con d1vc1a_ (SCOP: c.13.2.1). Topológicamente, las proteínas son similares, excepto por dos hebras pequeñas (ambas de longitud 2) y una hélice corta (longitud 3) que faltan en d1vc1a_. Además, la parte C-Terminal de d1vc1a_ tiene un motivo adicional de hebra de hélice corta. Columna 3 HER1_CAEEL (P34704-2, Astral: d1szha_, SCOP: a.226.1.1) superpuesta con d1ni8a_ (SCOP: a.155.1.1, Puntuación TM 0.49). Solo un pequeño fragmento (hélice-giro-hélice-motivo) queda por el evento de empalme. Los dos diagramas TOPS son similares con las dos hélices principales conservadas mientras que faltan partes helicoidales cortas en cualquiera de las dos proteínas. Curiosamente, se describe que d1ni8a_ contribuye a la unión del ADN después de la dimerización (35), que también podría ser la forma en que se estabiliza la isoforma resultante del evento de empalme de HER1. Columna 4 TIP30_HUMAN (Q9BUP3-2, PDB: 2bka, SCOP: c.2.1.2) que nuevamente se superpone bien con d1gsoa2 (ver también DNMT2_HUMAN) de SCOP pliegue c.30.1.1 (Puntuación TM: 0.54). Topológicamente, las dos proteínas son muy similares según TOPS, excepto por dos hélices que faltan en los extremos C- y N-terminales. La función de la isoforma se analiza en el texto (isoforma TC3). Las imágenes se han creado utilizando Jmol (http://www.jmol.org) y PyMol (http://www.pymol.org).

Esta figura muestra cuatro ejemplos de probables eventos de cambio de pliegues por eventos de empalme no triviales (es decir, aquellos que no se pueden acomodar en la estructura nativa) identificados superponiendo la estructura empalmada a un pliegue de SCOP diferente. Los ejemplos también se pueden explorar de forma interactiva siguiendo este enlace http://www.bio.ifi.lmu.de/ProSAS/NARSupplement.html. Cada columna representa un ejemplo. En la primera fila, el evento de empalme se visualiza en la estructura de la proteína nativa de la proteína Swissprot. En la segunda fila, se muestra la superposición de la proteína empalmada con la proteína correspondiente de un pliegue diferente. Las filas tres y cuatro muestran diagramas TOPS (34) de la proteína empalmada (fila tres) y la proteína que pertenece al pliegue diferente (fila cuatro). En los diagramas TOPS, los elementos de la estructura secundaria correspondientes tienen el mismo color, los elementos que faltan en la otra proteína están coloreados en rojo. A veces, las hélices correspondientes se dividen, lo que con frecuencia resulta de interrupciones en las asignaciones de DSSP. De izquierda a derecha se muestran los siguientes ejemplos: Columna 1 DNMT2_HUMAN (O14717-6, Astral: d1g55a_, SCOP: c.66.1.26). La proteína empalmada se superpone muy bien (Puntuación TM: 0,68) con d1gsoa2 (SCOP: c.30.1.1). Topológicamente, las proteínas son muy similares, excepto por una hebra muy corta (longitud 2) - motivo de hélice (longitud 4) en el extremo C-terminal de d1gsoa2. Columna 2 AUHM_MOUSE (Q9JLZ3-2, Astral: d1hzda_, SCOP: c.14.1.3) que se superpone bien (Puntuación TM: 0.56) con d1vc1a_ (SCOP: c.13.2.1). Topológicamente, las proteínas son similares, excepto por dos hebras pequeñas (ambas de longitud 2) y una hélice corta (longitud 3) que faltan en d1vc1a_. Además, la parte C-Terminal de d1vc1a_ tiene un motivo adicional de hebra de hélice corta. Columna 3 HER1_CAEEL (P34704-2, Astral: d1szha_, SCOP: a.226.1.1) superpuesta con d1ni8a_ (SCOP: a.155.1.1, Puntuación TM 0.49). Solo un pequeño fragmento (hélice-giro-hélice-motivo) queda por el evento de empalme. Los dos diagramas TOPS son similares con las dos hélices principales conservadas mientras que faltan partes helicoidales cortas en cualquiera de las dos proteínas. Curiosamente, se describe que d1ni8a_ contribuye a la unión del ADN después de la dimerización (35), que también podría ser la forma en que se estabiliza la isoforma resultante del evento de empalme de HER1. Columna 4 TIP30_HUMAN (Q9BUP3-2, PDB: 2bka, SCOP: c.2.1.2) que nuevamente se superpone bien con d1gsoa2 (ver también DNMT2_HUMAN) de SCOP pliegue c.30.1.1 (Puntuación TM: 0.54). Topológicamente, las dos proteínas son muy similares según TOPS, excepto por dos hélices que faltan en los extremos C- y N-terminales. La función de la isoforma se analiza en el texto (isoforma TC3). Las imágenes se han creado utilizando Jmol (http://www.jmol.org) y PyMol (http://www.pymol.org).

Empalme alternativo de estructuras proteicas altamente repetitivas

Se ha observado la repetición interna de elementos de estructura (super) secundaria que resultan de eventos de recombinación y duplicación intragénica para varias familias de estructuras de proteínas. Las proteínas que exhiben una estructura repetitiva están involucradas en muchas funciones diferentes en la célula, mientras que un aumento del número de repeticiones en general proporciona una perspectiva evolutiva mejorada para las proteínas debido a una ampliación de su área de superficie de unión (25). Si bien las repeticiones se encuentran en todos los filos, parecen ser más comunes en eucariotas, lo que puede estar asociado con una complejidad creciente de las funciones celulares que están disponibles en conjuntos de repeticiones. Varias familias de proteínas contienen elementos repetitivos, pero las clases principales son hélices β (b.67, b.68, b.69, b.70), tréboles β (pliegue SCOP b.42), superhélices α-α (pliegue SCOP a.118), repeticiones ricas en leucina (SCOP pliegue c.10) así como las repeticiones β-horquilla-α-horquilla (SCOP pliegue d.211) (25). El hecho de que la duplicación repetida haya sido una estrategia exitosa a lo largo de la evolución de la estructura de la proteína que cambió las características funcionales de las proteínas sin perder la posibilidad de plegarse en una estructura estable lleva a la conclusión de que tales proteínas deberían ser altamente tolerantes contra los cambios estructurales por empalme alternativo. De hecho, encontramos que cuatro de las cinco clases repetidas (todas excepto los tréboles β) descritas anteriormente albergan eventos de empalme alternativo que afectan a conjuntos completos de motivos repetitivos. En la Figura 2 f y g se muestran dos ejemplos. Para la mayoría de las estructuras de proteínas repetitivas, es probable que los eventos de deleción a gran escala sean tolerables por la estructura, aunque, desafortunadamente, falta la validación experimental y una categorización funcional de las variantes de empalme para todas las isoformas en nuestro conjunto de datos. El principio de cambiar el número de repeticiones en el curso de la evolución para desarrollar características funcionales novedosas también parece usarse con frecuencia para aumentar la diversidad funcional mediante empalme alternativo, como lo indica el gran número de pliegues de proteínas repetitivos con eventos de empalme anotados.

El empalme alternativo puede respaldar la hipótesis sobre el origen de los barriles TIM a partir de los medios barriles

Para una serie de estructuras de proteínas y familias de estructuras de proteínas, es bien sabido que fueron el resultado de antiguos eventos de duplicación y / o fusión de genes. Tales eventos de duplicación no siempre son obvios a partir de los datos de secuencia, ya que los dos subdominios posiblemente ya han evolucionado hasta un punto en el que la similitud de secuencia es aleatoria. Un motivo recurrente y bien estudiado en las estructuras de las proteínas es el (α / β) 8 -familia de barriles ("TIM-barril", pliegue SCOP c.1). Las proteínas de esta familia adoptan una gran variedad de funciones diferentes y, basándose en el análisis de secuencia y estructura, se ha propuesto (26) para algunos miembros de esa familia que se originaron a partir de un evento de duplicación y fusión de genes de dos proteínas ancestrales de medio barril. Esos medios barriles antiguos probablemente formaron un homodímero que constaba de dos medios barriles idénticos (27).

Nuestro análisis ahora proporciona apoyo adicional para esta hipótesis, ya que revela dos isoformas de empalme (Q9BZP6-3 de CHIA HUMAN y P27934-2 de AMY3E ORYSA) donde la mitad del barril es removida por un evento de remoción a gran escala (ver Figura 2 h). La isoforma del gen de la quitinasa humana (Q9BZP6-3) ha sido descrita por Saito et al. (28) expresarse específicamente en pulmón, aunque falta una validación experimental de la existencia del producto proteico estable. En comparación con su isoforma nativa, la proteína carece de una secuencia señal secretora que lleva a la conclusión de que podría estar presente en el citoplasma en lugar de secretarse. También carece del sitio activo amino-terminal esencial para la actividad de la quitinasa. Hasta ahora, no tenemos validación experimental para un producto genético funcional y una proteína estable resultante de esos eventos de empalme. Sin embargo, basándose en el mecanismo evolutivo propuesto de fusionar dos medios barriles por un antiguo evento de duplicación y fusión de genes, las isoformas de empalme posiblemente formen un (homo) dímero para reconstruir el barril completo. La posibilidad de expresar proteínas de la familia TIM-barril como medios barriles podría ofrecer una mayor variabilidad funcional mediante la combinación de medios barriles que contienen diferentes sitios funcionales en complejos heterodiméricos.

Indicaciones para transiciones de pliegue causadas por empalmes alternativos

Para 225 isoformas no triviales (excluyendo los casos de bobinas repetitivas y conservadas, ya que estos eventos de empalme presumiblemente no darán como resultado un pliegue diferente), buscamos estructuras similares como se describe en la sección Materiales y métodos. Aplicando el criterio TM-Score (TM-Score & gt 0.4) (19) solo encontramos para 139 (66%) estructuras de isoformas resultantes de eventos de empalme una estructura similar de un pliegue diferente. La aplicación del criterio más estricto (estructura secundaria y cobertura de isoformas) da como resultado 49 isoformas (47 de las cuales tienen una puntuación de TM & gt0.4). Para estos, superpusimos la estructura empalmada con el pliegue objetivo e inspeccionamos visualmente las superposiciones para la conservación de los elementos centrales de la estructura secundaria, así como su conectividad, es decir,la topología de los elementos centrales. Observamos 21 (10%) superposiciones de alta confianza, es decir, modelos para las estructuras empalmadas que tienen un pliegue diferente del pliegue de la proteína no empalmada.

Por lo tanto, estos diferentes pliegues son modelos estructurales probables para la isoforma, lo que podría explicar los cambios drásticos causados ​​por el evento de empalme (se muestran cuatro ejemplos y se discuten brevemente en la Figura 3 y pueden explorarse interactivamente en http: //www.bio.ifi .lmu.de / ProSAS / NARSupplement.html). Por supuesto, es posible que las proteínas resultantes de eventos de empalme no puedan plegarse en absoluto en una estructura estable y, a menudo, este será el caso. En otros casos, la estructura puede ser estable pero formará un nuevo pliegue (hasta ahora no resuelto y depositado en el PDB). En casos raros, la estructura modificada puede ser similar a un pliegue conocido diferente del nativo. En el último caso, observaríamos vínculos entre diferentes pliegues mediante cambios genéticos definidos (empalme alternativo) transformando una estructura 3D estable en una estructura 3D estable diferente. A pesar de muchos intentos e investigaciones sobre clasificaciones de estructuras y descripciones y características estructurales, que llevaron a los recursos estructurales bien conocidos como SCOP y CATH (29), los vínculos confiables y rastreables entre clases de pliegues son muy raros. Este es aún más el caso de las explicaciones evolutivas de las similitudes y eventos observados. Aquí no solo observamos un número considerable de tales eventos de transformación, sino que con el empalme alternativo también proporcionamos un mecanismo genético simple que los explica, ya que todos los eventos corresponden a transcripciones observadas conocidas.

Validación de un evento de empalme no trivial utilizando datos de matriz de exones

Recientemente, Affymetrix lanzó un nuevo tipo de chip de ADN que es capaz de medir la mayoría de los exones en humanos ( Homo sapiens ) así como el mouse ( Mus musculus ) y rata ( Rattus norvegicus ) mediante conjuntos de sondas individuales en el chip. El análisis de dichos chips permite medir la expresión de diferentes transcripciones de un gen. en vivo , en diferentes condiciones experimentales y en diferentes tejidos. El tiempo y la expresión específica de tejido de ciertas transcripciones pueden ser otra indicación de un papel funcional del producto génico correspondiente en la célula y, por lo tanto, ayudará a comprender la diversidad funcional resultante del corte y empalme alternativo. Además, estos datos serán un recurso útil para validar o falsificar nuestra hipótesis de que muchos eventos de empalme, en particular también no triviales, pueden desempeñar funciones funcionales en la célula. Por esta razón, hemos mapeado todos los conjuntos de sondas proporcionados en el chip de exón humano en exones humanos anotados en Ensembl (30). Además, hemos modelado estructuralmente todos los genes humanos para los que podemos encontrar anotaciones estructurales confiables en el PDB. Se puede acceder a los datos en la base de datos ProSAS (31) en: http://services.bio.ifi.lmu.de/ProSAS. En total, podemos cubrir el 80,1% de todos los exones humanos con al menos un conjunto de sondas Affymetrix. Al concentrarse en estructuras de alta calidad (más del 40% de identidad de secuencia entre la plantilla y la transcripción humana) ∼35% de los genes humanos están cubiertos al menos en parte por la estructura de la proteína, mientras que el 17% están completamente (más del 75% de cobertura) modelados por un estructura proteica. Esto indica que la combinación de experimentos con chips de exones con datos estructurales tiene el potencial de probar nuestra hipótesis, ya que una gran cantidad de genes (y exones) están al mismo tiempo cubiertos por la estructura y medidos en el chip.


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& ltp> Esta subsección de la sección "Expresión" proporciona información sobre la expresión de un gen a nivel de ARNm o proteína en células o tejidos de organismos multicelulares. De forma predeterminada, la información se deriva de experimentos a nivel de ARNm, a menos que se especifique 'a nivel de proteína'. & Ltbr> & lt / br> Ejemplos: & lta href = "http://www.uniprot.org/uniprot/P92958#expression" > P92958 & lt / a>, & lta href = "http://www.uniprot.org/uniprot/Q8TDN4#expression"> Q8TDN4 & lt / a>, & lta href = "http://www.uniprot.org/uniprot/O14734# expresión "> O14734 & lt / a> & ltp> & lta href = '/ help / tissue_specificity' target = '_ top'> Más. & lt / a> & lt / p> Especificidad tisular i

Bases de datos de expresión genética

Base de datos Bgee para la evolución de la expresión genética

ExpressionAtlas, expresión diferencial y base

Portal de búsqueda genevisible para datos de expresión normalizados y curados de Genevestigator

Bases de datos de organismos específicos


3 Posibles orígenes de COVID: ¿Escape de laboratorio, evolución o genes mutantes?

La variante B.1.1.7 (NIAID)

& ldquoBrote de virus: la investigación dice que COVID-19 probablemente sintético & rdquo gritó el titular en el Taipei Times el 23 de febrero de 2020. La idea de que el nuevo coronavirus SARS-CoV-2 surgió en un laboratorio de virología en China y ndash por accidente o como un arma biológica y ndash ha provocado una ondulación de acusaciones y explicaciones desde entonces.

El último capítulo: Una carta & ldquoopen & rdquo en el 7 de abril de 2021 New York Times, pidiendo & ldquoa una investigación completa sobre los orígenes de COVID-19 & rdquo Las dos docenas de científicos que firmaron la carta citan la continua ausencia de un & ldquorobust process & rdquo para examinar registros críticos y muestras biológicas. Su argumento responde al evento de prensa de la OMS & rsquos del 20 de marzo que apenas consideró un origen que no sea un derrame natural.

Pero dos tipos de nueva información pueden contrarrestar la hipótesis de los fugitivos de laboratorio: completar los espacios en blanco de los mamíferos que pueden haber servido como & ldquomissing links & rdquo en la evolución de la transmisión de enfermedades, y el rápido aumento de variantes virales que reflejan una tendencia a mutar que puede subyacen al SARS-CoV-2 aparentemente surgiendo de la nada.

Así que aquí está mi opinión, como genetista, de tres posibles orígenes del SARS-CoV-2:

1. Arma biológica y ndash un patógeno diseñado o el escape de un candidato natural

2. Cambio evolutivo gradual a través de huéspedes animales intermedios, que muta a lo largo del camino y se vuelve más virulento.

3. Genes & ldquoMutator & rdquo que desencadenan mutaciones en otros genes, acelerando la evolución

Hasta hace poco, la idea de que el SARS-CoV-2 se preparó como arma dependía de un predecesor, un coronavirus denominado RaTG13, que se encuentra en el murciélago de herradura. Rhinolophus affinis.

Los investigadores descubrieron RaTG13 en excrementos de murciélagos en un pozo de minas abandonado cerca de una cueva en Yunnan, China, en 2013, poco después de que seis mineros se enfermaran y tres de ellos murieran de una neumonía no especificada. (Los murciélagos albergan muchos virus sin enfermarse, lo que explico aquí).

RaTG13 comparte aproximadamente el 96,1% de la secuencia de su genoma con la de SARS-CoV-2. En perspectiva, el genoma del SARS-CoV-2 y rsquos es solo un 80% similar al del coronavirus del SARS original de 2003.

Una diferencia clave entre RaTG13 y SARS-CoV-2 es, en parte, el dominio de unión al receptor donde la proteína de pico se adhiere a las células humanas. Esta parte diferente coincide con la secuencia de ARN de los virus del pangolín malayo, una criatura espinosa parecida a un oso hormiguero que puede ser un huésped intermedio entre los murciélagos y las personas en la cadena de infección. La transferencia de murciélago a pangolín pudo haber ocurrido cerca de la mina, o en un mercado húmedo plagado de carne cruda, o en muchos otros lugares donde los humanos invaden los territorios de otros animales y simplemente no hemos mirado.

Los indicios de la transición del virus de murciélago RaTG13 al virus humano SARS-CoV-2 pueden encontrarse dentro del 4% de las secuencias del genoma que divergen. Los biólogos evolucionistas estiman que habrían tomado al menos 50 años para que el virus del murciélago se hubiera transformado en SARS-CoV-2, considerando las tasas de mutación natural conocidas de los genomas virales. Un arma biológica, presumiblemente, podría haberse creado mucho más rápido, del mismo modo que es más rápido comprar un auto nuevo que reparar uno viejo parte por parte. Pero como hemos aprendido, no podemos confiar en lo que sabemos sobre virus pasados. Es decir, la tasa de mutación del novato podría ser mucho más rápida de lo que hemos visto antes.

Un documento denominado & ldquoYan report & rdquo (sobre el que escribí aquí) sostiene que RaTG13 nunca existió. En cambio, Li-Meng Yan y sus colegas argumentan que el supuesto predecesor del SARS-CoV-2 es una secuencia de ARN imaginaria cargada en la base de datos de GenBank para proporcionar una explicación natural plausible del origen, para desviar la atención de la idea de un arma biológica. El documento (hay una versión inicial y actualizada) cuestiona por qué, si RaTG13 se descubrió en 2013, no se informó hasta el 3 de febrero de 2020, en Naturaleza. El informe Yan nunca pasó del estado de preimpresión (no revisado), sospecho que en parte debido al tono generalizado de la paranoia y la fuente de financiación, una organización relacionada con Steve Bannon. Los investigadores lo han eviscerado y Wikipedia revisa los detalles.

Un breve informe al que sigo volviendo apareció en Naturaleza el 17 de marzo de 2020, cuando el número global de muertos por COVID se situó en solo 4.373: & ldquoEl origen próximo del SARS-CoV-2. & rdquo

Los autores de & ldquoproximal origin & rdquo (Kristian G. Andersen, Andrew Rambaut, W. Ian Lipkin, Edward C. Holmes y Robert F. Garry) comparan partes clave del nuevo patógeno con partes correspondientes de otros coronavirus, concluyendo & ldquo (o) ur análisis muestran claramente que el SARS-CoV-2 no es una construcción de laboratorio o un virus manipulado a propósito. & rdquo Parte de su razonamiento es de sentido común: el virus no se une a nuestras células con la fuerza suficiente para haber sido inventado. Es un arma imperfecta. ¿Por qué un nuevo iPhone funcionaría peor que sus predecesores? Es más probable, argumentan, que el nuevo virus, con sus distinciones (como una docena de bases de ARN adicionales insertadas en el área correspondiente al lugar donde se unen las dos partes de la proteína espiga), surgió de la selección natural. El virus tenía una ventaja natural, por lo que se perpetuó y no se inventó.

Pase lo que pase, los investigadores proféticos y de origen proximal concluyeron, en marzo de 2020, & ldquoAunque no se ha identificado ningún coronavirus animal que sea lo suficientemente similar como para haber servido como el progenitor directo del SARS-CoV-2, la diversidad de coronavirus en murciélagos y otras especies está enormemente submuestreada. & rdquo

Un salto desde el virus RaTG13 encontrado en el lodo de murciélago de la mina abandonada en 2013 hasta la aparición del SARS-CoV-2 en 2019 es como leer el primer y último capítulo de una novela: no hay suficiente trama para reconstruir una historia. . Pero a medida que se revelan más capítulos, parece que el SARS-CoV-2 surgió de una sopa de caca de virus y continúa evolucionando.

Resulta que RaTG13 no fue la única parada en el camino evolutivo hacia el SARS-CoV-2. China tampoco fue el único hogar de nuevos coronavirus, aunque continúan identificándose allí. Considere los informes recientes:

Camboya, 26 de enero de 2021 El excremento y la saliva de dos murciélagos de herradura muestreados en Camboya en 2010 produjeron coronavirus que comparten el 92,6% de sus secuencias genómicas con el SARS-CoV-2, que difieren en un extremo del gen que codifica la proteína de la espiga. Concluye una preimpresión en bioRxiv, & ldquoEl descubrimiento de estos virus en una especie de murciélago que no se encuentra en China indica que los virus relacionados con el SARS-CoV-2 tienen una distribución geográfica mucho más amplia de lo que se entendía anteriormente, y sugiere que el sudeste asiático representa un área clave a considerar en la búsqueda en curso de los orígenes de SARS-CoV-2, y en la vigilancia futura de coronavirus. & rdquo

Tailandia, 9 de febrero de 2021 La sangre de cinco murciélagos en una cueva en Tailandia produjo coronavirus similares a un tipo que se encuentra en Yunnan, China, así como anticuerpos contra el SARS-CoV-2. Los anticuerpos también se detectaron en un pangolín, según un informe en Naturaleza. Aunque este estudio no reveló al progenitor, también extiende el ámbito de los virus similares al SARS-CoV-2 más allá de China.

China, 8 de marzo de 2021 Otra preimpresión de bioRxiv describe las secuencias del genoma de 411 muestras de coronavirus de 23 especies de murciélagos recolectadas desde mayo de 2019 hasta noviembre de 2020, más de 2700 acres en la provincia de Yunnan. El pariente más cercano al SARS-CoV-2, denominado RpYN06, comparte el 94,5% de la secuencia del genoma. Pero la similitud general del genoma no es tan importante como la correspondencia entre genes individuales, que pueden predecir mejor el efecto de un virus nuevo en el cuerpo humano.

RpYN06 es en realidad el pariente más cercano al SARS-CoV-2 identificado hasta ahora, basado en genes clave que proporcionan las herramientas para replicarse (ORF1ab), fundirse en nuestras células y adherirse a nuestra maquinaria sintética de proteínas (ORF7a y ORF8), y codificar la proteínas de la nucleocápside (N) que protegen el material genético viral. El estudio encontró otros 3 coronavirus cuyos genomas son muy similares y se parecen a los que se encuentran en los pangolines.

¿El SARS-CoV-2 avanzó felizmente en varios tipos de murciélagos durante quién sabe cuántos años, mezclándose con otros coronavirus y sin cambios porque su genoma rsquos le sirvió bien? Solo después del salto a un nuevo anfitrión y ndash us & ndash ocurrieron las mutaciones que subyacen a la adaptación, de manera espontánea, y luego persistieron si conferían una ventaja. Luego, las mutaciones en genes individuales comenzaron a acumularse en las variantes virales que ahora están barriendo el planeta. El título de un artículo reciente en Biología PLoS resume las fuerzas que han moldeado el nuevo coronavirus: & ldquoLa selección natural en la evolución del SARS-CoV-2 en murciélagos creó un virus generalista y un patógeno humano altamente capaz. & rdquo

Una tercera forma en que el SARS-CoV-2 podría haber surgido rápidamente es si un gen o genes han funcionado como un & ldquomutator & rdquo provocando otro genes para mutar.

Recuerdo este fenómeno de mi formación como Drosophila genetista. Las moscas de la fruta que tienen un color de ojos amarillo mutante pueden tener descendencia que revierte al color rojo normal, no por una mutación en un gen del color de ojos, sino por una mutación en un gen llamado mutador. Causa estragos en otros genes. Y los tipos de mutaciones que trae son como los de las nuevas variantes de SARS-CoV-2.

La mitad de las mutaciones que causa el gen mutador de la mosca de la fruta son deleciones y fragmentos de genes que faltan. Un signo revelador de la variante viral B.1.1.7, detectada por primera vez en el Reino Unido, es la falla de la diana del gen. Eso ocurre cuando una prueba de PCR COVID no replica el ARN que codifica la proteína de pico porque faltan dos aminoácidos, mientras lo hace replicar los otros genes virales.

En las moscas de la fruta, el mutador también quintuplica la tasa de cambios de una sola base, llamados mutaciones puntuales. Aquellos también ocurren en las nuevas variantes virales.

No estoy sugiriendo que un gen de la mosca se haya vuelto loco en los virus, pero ¿podría un gen similar a un mutador estar impulsando la rápida diversificación del SARS-CoV-2 en un conjunto de variantes? Si es así, la mutación rápida podría explicar cómo surgió el virus y luego se convirtió en un cambia de forma, sin tener que invocar un escenario de científico loco creando un arma biológica o una serie de mamíferos desventurados que transmiten un patógeno que mataría a millones. de personas en un año.

Identificar un mutador requeriría desentrañar las interacciones gen-gen, algo que no ha sido una gran prioridad incluso en el análisis de genomas humanos. ¿Quizás un gen bien estudiado de SARS-CoV-2 tiene una segunda función, inducir la mutación de otro? Aunque se han cargado más de un millón de secuencias del genoma del SARS-CoV-2 en la base de datos GISAID, no sé hasta qué punto los investigadores están investigando cómo interactúan los genes, en lugar de investigarlos en silos conceptuales.

Cuando la gente habla de la carrera entre variantes y vacunas, no se está volviendo loco. Por ahora, las vacunas estimulan una respuesta de anticuerpos lo suficientemente diversa como para manejar los virus circulantes. Pero la evolución nunca se detiene. Si surgen variantes que se introducen en los cuerpos vacunados y se afianzan y luego se propagan, ¿eliminarán esas vacunas las variantes más antiguas y crearán nichos para las nuevas? Eso es lo que actualmente inquieta a los expertos. Y yo.

Por eso debemos anticiparnos y adelantarnos a la evolución, lo que los fabricantes de vacunas ya vienen haciendo durante meses. Porque si hay una constante durante estos tiempos locos, es que el SARS-CoV-2 nos sorprende continuamente. Pero por ahora, I & rsquom se siente aliviado al considerar alternativas a la impensable idea de que el virus fue creado para destruirnos.


Nuevas directrices estrictas trazan un camino hacia la edición genética hereditaria en humanos

En 2018, Jiankui He (en la foto) anunció que había editado genes en embriones para crear dos niñas, yendo en contra del consenso general de que la tecnología no está lista para ese paso.

The He Lab / Wikimedia Commons (CC BY 3.0)

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3 de septiembre de 2020 a las 6:40 pm

La edición de genes para realizar cambios hereditarios en el ADN humano aún no es lo suficientemente segura y eficaz como para producir bebés editados genéticamente, dice una comisión científica internacional. Pero en un informe del 3 de septiembre, el grupo presentó una hoja de ruta para implementar la edición genética hereditaria si la sociedad decide que ese tipo de alteración del ADN es aceptable.

La Comisión Internacional sobre el Uso Clínico de la Edición del Genoma de la Línea Germinal Humana se formó después de que un científico chino anunciara en 2018 que había creado dos bebés editadas genéticamente, lo que provocó indignación (SN: 27/11/18). En su primer pesaje oficial sobre el tema, el grupo establece criterios científicos estrictos que deben cumplirse antes de que se pueda probar clínicamente la edición genética hereditaria. Si los países no pueden garantizar que se cumplan todos esos criterios, no se debería aprobar la edición genética hereditaria, dicen los comisionados.

Aún así, algunos críticos acusan que incluso presentar tales criterios es prematuro. La ciencia debería esperar hasta que la sociedad decida si permite la edición de genes que puede afectar a las generaciones futuras, dicen.

La edición de genes implica cambiar una sola letra o base de ADN en un gen. Muchas tecnologías diferentes, incluidos CRISPR / Cas9, editores base (SN: 05/03/19) y proteínas modificadas genéticamente llamadas nucleasas con dedos de zinc y TALEN (SN: 6/11/15), se puede utilizar para realizar ediciones en ubicaciones precisas del ADN. Aunque la precisión de la edición ha mejorado, todavía existe la preocupación de que los editores de genes realicen cambios no deseados "fuera del objetivo" en otras partes del ADN que puedan causar daños. Las tecnologías para garantizar que cada célula de un embrión contenga el cambio deseado, y solo ese cambio, también necesitan trabajo, dice la comisión.

"Es lo suficientemente precisa y eficiente para hacerlo en animales", pero la edición en embriones humanos requiere mucha más precisión, dijo el 3 de septiembre Haoyi Wang, genetista y biólogo molecular y de células madre del Instituto de Zoología de la Academia China de Ciencias en Beijing durante un seminario web para discutir el informe.

Los científicos ya están probando la edición del gen CRISPR para corregir los trastornos hereditarios de la sangre, la anemia de células falciformes y la beta-talasemia y una forma hereditaria de ceguera llamada amaurosis congénita de Leber 10 en adultos (SN: 14/8/19). Esas ediciones están en células adultas y no se pueden llevar a generaciones futuras.

La anemia de células falciformes es un trastorno genético grave que podría corregirse mediante la edición de genes. La enfermedad es causada por una mutación en un gen que produce hemoglobina, lo que hace que los glóbulos rojos se doblen. Estas células a veces obstruyen los vasos y causan daño tisular doloroso, debilitante y potencialmente mortal. Unidad EM, Facultad de Medicina de la UCL, Royal Free Campus, Wellcome Images / Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

Pero la alteración del ADN en la línea germinal humana (embriones, óvulos, espermatozoides o las células que les dan origen) crearía cambios que podrían transmitirse a las generaciones futuras. A muchas personas, incluidos los científicos, les preocupa que los científicos deshonestos no se detengan en editar enfermedades y creen "bebés de diseño" con una mayor capacidad atlética, inteligencia u otros rasgos deseables.

La comisión propone que la edición de la línea germinal humana debería restringirse a las enfermedades genéticas graves causadas por versiones específicas de genes individuales que están virtualmente garantizados para causar la enfermedad si se heredan. Dichos trastornos incluyen distrofia muscular de Duchenne, enfermedad de Tay-Sachs y fibrosis quística. Los niños que heredan estos trastornos mueren jóvenes o tienen problemas médicos graves.

La comisión también especificó que antes de que se considere la edición de la línea germinal humana, no debería estar disponible ninguna otra forma de garantizar que una pareja pueda producir embriones sin las variantes genéticas que causan la enfermedad. Eso esencialmente reduce la lista elegible a parejas en las que ambos padres tienen dos copias de variantes recesivas que causan enfermedades, o parejas en las que uno de los padres tiene dos copias de mutaciones que causan un trastorno genético dominante, como la enfermedad de Huntington, que resulta de heredar una sola copia de un gen defectuoso.

Quizás 20 familias de todo el mundo cumplirían con estos estrictos criterios, dijo Michèle Ramsay, genetista humana de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, el 3 de septiembre durante una rueda de prensa.

Entonces, la comisión también decidió que algunas familias con trastornos menos graves, pero que tienen pocas posibilidades de producir embriones sin las variantes que causan la enfermedad, también serían elegibles. Un ejemplo es la hipercolesterolemia familiar, una forma hereditaria de colesterol alto que conduce a una enfermedad cardíaca temprana y a la muerte. Ese y otros trastornos los padece una alta proporción de personas en partes del mundo donde el matrimonio entre primos es común. La edición de genes podría ser una opción cuando el 25 por ciento o menos de los embriones de una pareja estarían libres de la mutación que causa la enfermedad.

Incluso entonces, esas parejas ya deben haber intentado la fertilización in vitro con una técnica llamada prueba genética de preimplantación para detectar los embriones que portan la versión defectuosa del gen. "No creemos que vaya a haber mucha gente" que esté calificada para participar en la investigación inicial, dijo Ramsay. "No hay compuertas que se vayan a abrir". Si la tecnología es segura y eficaz en esas pocas familias, entonces podría considerarse para otras afecciones.

La comisión recomienda más investigación sobre el uso de células madre para producir óvulos y espermatozoides en placas de laboratorio, que luego podrían usarse para crear embriones que no transmitan enfermedades genéticas. Esta investigación se ha realizado en ratones (SN: 18/05/17), pero está en su infancia con células humanas, dijo Richard Lifton, genetista humano de la Universidad Rockefeller en la ciudad de Nueva York.

Evitar la arrogancia era una de las principales preocupaciones de la comisión, dijo Lifton. El informe también recomienda establecer una junta asesora científica internacional para evaluar el estado de la tecnología y consultar sobre las aplicaciones para realizar dicha edición hereditaria o de línea germinal.

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Una organización similar a la Agencia Mundial Antidopaje, que supervisa el uso de drogas para mejorar el rendimiento en los deportes, podría establecerse para estar atento a la edición de genes no autorizada, sugirió Lifton. Controlar a los científicos deshonestos también requeriría establecer una forma para que los denunciantes denuncien posibles investigaciones no aprobadas.

El informe es "apropiadamente cauteloso y reflexivo y está escrito con una clara apreciación de lo que ha estado sucediendo en el mundo", dijo Kyle Orwig, investigador de infertilidad de la Universidad de Pittsburgh que no participó en la comisión. "Es un poco aspiracional porque plantea preguntas sobre si los países individuales están dispuestos a someterse a la supervisión internacional", agregó.

Es más, establecer una gobernanza global para evitar que los científicos se vuelvan deshonestos puede no ser tan efectivo como establecer una moratoria o prohibición clara, dice Katie Hasson, directora del programa de justicia genética en el Centro de Genética y Sociedad sin fines de lucro, con sede en Berkeley, California. .

Si permitir cambios en el ADN que puedan ser heredados por las generaciones futuras es una decisión que afecta a toda la especie humana y debería ser un consenso internacional en lugar de una decisión de un solo país, dijo Wang.

Este informe manejó solo los aspectos científicos de la edición de genes. Un próximo informe de la Organización Mundial de la Salud abordará los problemas éticos y sociales relacionados con la edición de genes.

Decidir cómo hacer la edición de la línea germinal antes de que la sociedad haya indicado su deseo de hacerlo es un retroceso, dice Hasson. “La pregunta ha sido y sigue siendo si queremos avanzar en la edición de genes y rasgos de las generaciones futuras”, dice. “Para saltar a cómo. . . parece adelantarse un poco a las cosas ".

Todavía existe la necesidad de conversaciones sociales amplias sobre la tecnología. Más de 70 países ya tienen leyes que prohíben la edición de la línea germinal, y una moratoria y otras leyes podrían detener efectivamente el avance de la tecnología, dice Hasson. “No hay razón para que esto sea inevitable. Trazar este camino de antemano hace que parezca más inevitable y nos empuja hacia esa conclusión ".

Preguntas o comentarios en este articulo? Envíenos un correo electrónico a [email protected]

Una versión de este artículo aparece en la edición del 10 de octubre de 2020 de Noticias de ciencia.

Citas

Academia Nacional de Medicina, Academia Nacional de Ciencias y Royal Society. Edición hereditaria del genoma humano. Prensa de las Academias Nacionales. 3 de septiembre de 2020. doi: 10.17226 / 25665.


Thomas Clandinin

Mi programa de investigación se centra en tres cuestiones centrales de la neurobiología. ¿Cómo se ensamblan los circuitos neuronales durante el desarrollo? ¿Cómo se mantienen las funciones de estos circuitos durante la vida adulta? ¿Cómo intervienen estos circuitos en los complejos cálculos esenciales para el comportamiento animal? Nuestro trabajo explota la interacción entre las células y los genes que sustentan estos procesos para definir nuevos mecanismos moleculares que controlan la especificidad de la conexión neuronal, el mantenimiento de la sinapsis y para caracterizar las funciones computacionales de circuitos específicos. El objetivo a largo plazo de nuestro programa es comprender cómo el genoma programa los circuitos neuronales a lo largo de la vida adulta para implementar los cálculos que sustentan el comportamiento innato, utilizando el sistema visual de la mosca de la fruta como modelo.

Cursos 2020-21


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    Cursos 2018-19

    Asesores de Stanford

    • Lector de tesis doctoral (AC)
      Chung-ha Davis, Lydia Hamburg, Linnie Jiang, John Kochalka, Ruben Land, Dongsoo Lee, Eshed Margalit, Beatriz Robinson, Seung Je Woo, ChiChi Xie
    • Patrocinador de la facultad postdoctoral
      Ina Anreiter, Arnaldo Carreira-Rosario, Timothy Currier, Ashley Smart, Max Turner, Ryan York
    • Asesor de Tesis Doctoral (AC)
      Luke Brezovec, Minseung Choi, Avery Krieger, Michelle Pang, Emma Theisen, John Vaughen, Carl Wienecke, Ilana Zucker-Scharff
    • Co-Asesor de Tesis Doctoral (AC)
      Alex Hao, John Wen
    • Doctorado (Programa)
      Michelle Pang, Carl Wienecke

    Programas de posgrado y becas

    Todas las Publicaciones

    • Acoplamiento de actividad, metabolismo y comportamiento en el cerebro de Drosophila. Naturaleza Mann, K., Deny, S., Ganguli, S., Clandinin, T. R. 2021

    Abstracto

    La actividad coordinada a través de redes de neuronas es un sello distintivo de los estados de comportamiento activo y de reposo en muchas especies1-5. Estos patrones globales alteran el metabolismo energético en cuestión de segundos a horas, lo que sustenta el uso generalizado del consumo de oxígeno y la captación de glucosa como representantes de la actividad neuronal6,7. Sin embargo, no está claro si los cambios en la actividad neuronal están relacionados causalmente con el flujo metabólico en circuitos intactos en las escalas de tiempo asociadas con el comportamiento. Aquí combinamos la microscopía de dos fotones del cerebro de la mosca con sensores que permiten la medición simultánea de la actividad neuronal y el flujo metabólico, tanto en los estados de comportamiento activo como en reposo. Demostramos que la actividad neuronal impulsa cambios en el flujo metabólico, creando un acoplamiento estrecho entre estas señales que se pueden medir a través de las redes cerebrales. Utilizando la perturbación optogenética local, demostramos que incluso los aumentos transitorios de la actividad neuronal dan como resultado aumentos rápidos y persistentes del ATP citosólico, lo que sugiere que el metabolismo neuronal asigna recursos de manera predictiva para anticipar las demandas de energía de la actividad futura. Finalmente, nuestros estudios revelan que la iniciación de movimientos conductuales incluso mínimos provoca cambios a gran escala en el patrón de actividad neuronal y metabolismo energético, lo que revela un compromiso generalizado del cerebro. Como la relación entre la actividad neuronal y el metabolismo energético es probablemente evolutivamente antigua y muy conservada, nuestros estudios proporcionan una base fundamental para el uso de proxies metabólicos para capturar cambios en la actividad neuronal.

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    La conectividad anatómica puede limitar tanto la función de un circuito neuronal como su cálculo subyacente. Este principio se ha demostrado para muchos circuitos neuronales pequeños y definidos. Por ejemplo, las reconstrucciones de conectomas han informado modelos de selectividad de dirección en la retina de vertebrados1,2, así como en el sistema visual de Drosophila.3 En estos casos, el circuito en cuestión es relativamente compacto, bien definido y tiene funciones conocidas. Sin embargo, no se comprende completamente cómo el conectoma restringe las propiedades globales de las redes a gran escala, en múltiples regiones del cerebro o en todo el cerebro. A medida que la disponibilidad de conectomas parciales o completos se expande a más sistemas y especies4-8, se vuelve crítico comprender cómo esta información anatómica detallada puede informar nuestra comprensión de la función del circuito a gran escala.9,10 Aquí, usamos datos del conectoma de Drosophila4 en en conjunción con imágenes in vivo de todo el cerebro11 para relacionar la conectividad estructural y funcional en el cerebro central. Encontramos una fuerte relación entre las correlaciones funcionales en estado de reposo y la conectividad estructural directa de región a región. Encontramos que la relación entre estructura y función varía a lo largo del cerebro, con algunas regiones que muestran una estrecha correspondencia entre la conectividad estructural y funcional, mientras que otras, incluido el cuerpo en forma de hongo, son más fuertemente dependientes de conexiones indirectas. A lo largo de este trabajo, observamos características de las redes estructurales y funcionales en Drosophila que son sorprendentemente similares a las observadas en la corteza de los mamíferos, incluso en el cerebro humano. Dadas las vastas diferencias anatómicas y funcionales entre Drosophila y los sistemas nerviosos de los mamíferos, estas observaciones sugieren principios generales que gobiernan la estructura y función del cerebro y la relación entre los dos.

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    Muchos enfoques experimentales se basan en el control de la expresión génica en subconjuntos seleccionados de células dentro de un animal individual. Sin embargo, dirigir de forma reproducible la expresión transgénica a fracciones específicas de un tipo celular definido genéticamente es un desafío. Desarrollamos Sparse Predictive Activity a través de Recombinase Competition (SPARC), un conjunto de herramientas generalizable que puede expresar cualquier efector en proporciones precisas de células posmitóticas en Drosophila. Con este enfoque, demostramos la expresión dirigida de muchos efectores en varios tipos de células y aplicamos estas herramientas a la obtención de imágenes de calcio de neuronas individuales y la manipulación optogenética de poblaciones de células escasas in vivo.

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    Dos nuevos estudios muestran que la adaptación neuronal a los cambios en el contraste visual está muy extendida en el sistema visual temprano de Drosophila, mejorando la estimación de la velocidad en los detectores de movimiento aguas abajo.

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    Las neuronas pueden mantener conexiones sinápticas estables durante la vida adulta. Sin embargo, las señales que regulan la expresión de proteínas sinápticas en el cerebro maduro no se comprenden completamente. Aquí, describimos un bucle de retroalimentación transcripcional entre la biosíntesis y el repertorio de fosfolípidos específicos y el conjunto de vesículas sinápticas en los fotorreceptores de Drosophila adultos. Las mutaciones que interrumpen la biosíntesis de un subconjunto de fosfolípidos provocan la degeneración del axón terminal y la pérdida de vesículas sinápticas. Aunque la degeneración del axón terminal depende de la actividad neural, la activación de la proteína de unión al elemento regulador de esteroles (SREBP) es necesaria y suficiente para causar la pérdida de vesículas sinápticas. Nuestros estudios demuestran que SREBP regula los niveles de vesículas sinápticas al interactuar con tetraspaninas, organizadores críticos de orgánulos membranosos. SREBP es un regulador conservado evolutivamente de la biosíntesis de lípidos en células no neuronales. Nuestros estudios revelan un papel sorprendente para este circuito de retroalimentación en el mantenimiento de grupos de vesículas sinápticas en el cerebro adulto.

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    Muchos animales guían sus movimientos utilizando el flujo óptico, el desplazamiento de objetos estacionarios a través de la retina causado por el movimiento propio. ¿Cómo sintetizan los animales de forma selectiva un patrón de movimiento global a partir de sus componentes de movimiento local? ¿Hasta qué punto la selectividad de esta característica se basa en los mecanismos del circuito frente al procesamiento dendrítico? Aquí utilizamos imágenes de calcio in vivo para identificar mecanismos presinápticos y postsinápticos para procesar señales de movimiento local en circuitos de detección de movimiento global en Drosophila. Las células tangenciales de placa lobula (LPTC) detectan el movimiento global al agrupar la entrada de los detectores de movimiento locales, las neuronas T4 / T5. Mostramos que las neuronas T4 / T5 suprimen las respuestas a las señales de movimiento locales adyacentes, mientras que las dendritas de LPTC amplifican selectivamente las secuencias espacio-temporales de las señales de movimiento locales de acuerdo con los patrones globales preferidos. Proponemos que las operaciones secuenciales de amplificación y supresión no lineal permiten que los circuitos de flujo óptico eviten simultáneamente las respuestas de saturación a las señales locales mientras crean selectividad para los patrones de movimiento globales críticos para el comportamiento.

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    Si bien los mecanismos lineales sientan las bases de la selectividad de características en muchas áreas del cerebro, la selectividad de dirección en el detector de movimiento elemental (EMD) de la mosca se ha convertido en un paradigma de la computación neuronal no lineal. Hemos superado esta división demostrando que la suma espacial lineal puede generar selectividad de dirección en la mosca de la fruta Drosophila. Usando análisis de sistemas lineales e imágenes de dos fotones de un indicador de voltaje codificado genéticamente, medimos la aparición de señales de voltaje de dirección selectiva (DS) en la vía OFF de Drosophila. Nuestro estudio es una investigación cuantitativa directa del algoritmo subyacente a las señales direccionales, con el sorprendente hallazgo de que la suma espacial lineal es suficiente para el surgimiento de la selectividad de dirección. Una etapa lineal del EMD de la mosca se parece mucho a cálculos similares en la corteza visual de los vertebrados, exige una reevaluación del papel de las no linealidades aguas arriba e implica la transformación de voltaje a calcio en el refinamiento de la selectividad de características en este sistema.

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    El movimiento en el mundo visual proporciona información crítica para guiar el comportamiento de los animales videntes. Además, como la estimación del movimiento visual requiere comparaciones de señales a través de las entradas y en el tiempo, representa un cálculo neuronal paradigmático y generalizable. Centrándonos en el sistema visual de Drosophila, donde una explosión de avances tecnológicos ha acelerado recientemente el progreso experimental, revisamos nuestra comprensión de cómo, algorítmica y mecánicamente, las señales de movimiento se calculan por primera vez. La fecha de publicación final en línea esperada para la Revisión anual de Vision Science Volumen 4 es el 15 de septiembre de 2018. Consulte http://www.annualreviews.org/page/journal/pubdates para obtener estimaciones revisadas.

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    Los mapas retinotópicos representan un principio organizador fundamental del cableado del sistema visual. Un estudio reciente ilustra cómo la coordinación cuidadosa de las estrategias de desarrollo puede crear simultáneamente una variedad diversa de tipos de células y establecer un diagrama de cableado complejo.

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    Es poco probable que se comprenda la función del cerebro sin una descripción precisa de su salida, sin embargo, la naturaleza de los elementos del movimiento y su organización sigue siendo un problema abierto. Aquí, los elementos de movimiento se identifican a partir de la dinámica de caminar en moscas, utilizando criterios no sesgados. En una escala de tiempo, la dinámica de la marcha es constante durante cientos de milisegundos, lo que permite definir características elementales. Durante períodos más prolongados, la marcha se describe bien mediante un proceso estocástico compuesto por estas características elementales, y un modelo generativo de este proceso reproduce con precisión las secuencias de comportamiento individuales durante unos segundos o más. Dentro de las características elementales, las velocidades divergen, lo que sugiere que la estabilidad dinámica de los elementos de movimiento es una restricción de comportamiento débil. Más bien, la inestabilidad a largo plazo puede estar limitada por la memoria finita entre estas características elementales. Esta estructura sugiere cómo pueden surgir dinámicas complejas en sistemas biológicos a partir de elementos cuya combinación no necesita ser ajustada para la estabilidad dinámica.

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    La manipulación de la función genética del tipo de célula de forma específica es un objetivo experimental común en la investigación de Drosophila y ha sido fundamental para los estudios del desarrollo neuronal, la computación de circuitos y el comportamiento. Sin embargo, las técnicas actuales de alteración de genes específicos del tipo de célula en las moscas a menudo reducen la actividad genética de forma incompleta o dependen de la división celular. Aquí describimos FlpStop, una herramienta generalizable para la alteración y el rescate de genes condicional en células posmitóticas. En experimentos de prueba de principio, manipulamos a un regulador del desarrollo de las alas. A continuación, producimos alelos nulos condicionales de descarboxilasa 1 del ácido glutámico (Gad1) y resistentes a la dieldrina (Rdl), genes vitales para la neurotransmisión GABAérgica, así como la cacofonía (cac) y los canales iónicos paralíticos (para), regulados por voltaje, centrales para las neuronas. excitabilidad. Para demostrar la utilidad de este enfoque, manipulamos cac en un tipo de interneurona visual específico y descubrimos la regulación diferencial de las señales de calcio en los compartimentos subcelulares. Por lo tanto, FlpStop facilitará las investigaciones sobre las interacciones entre genes, circuitos y computación.

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    Monitorear la dinámica de voltaje en neuronas definidas en lo profundo del cerebro es fundamental para desentrañar la función de los circuitos neuronales, pero es un desafío debido al rendimiento limitado de las herramientas existentes. En particular, mientras que los indicadores de voltaje codificados genéticamente se han mostrado prometedores para la detección óptica de transitorios de voltaje, muchos indicadores exhiben baja sensibilidad cuando se obtienen imágenes con iluminación de dos fotones. Por lo tanto, los estudios anteriores no lograron visualizar la dinámica de voltaje en neuronas individuales en ensayos individuales. Aquí, informamos ASAP2s, un indicador de voltaje novedoso con sensibilidad mejorada.Mediante la obtención de imágenes de ASAP2 mediante microscopía de fotones múltiples de acceso aleatorio, demostramos una sólida detección de potenciales de acción en un único ensayo en cultivos de cortes organotípicos. También mostramos que ASAP2s permite la obtención de imágenes de dos fotones de potenciales graduados en cultivos de cortes organotípicos y en Drosophila. Estos resultados demuestran que la combinación de ASAP2 y métodos rápidos de obtención de imágenes de dos fotones permite la detección de actividad eléctrica neuronal con resolución espacial subcelular y precisión de escala de tiempo de milisegundos.

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    Clasificar las experiencias sensoriales como nuevas o familiares representa un desafío fundamental para el procesamiento neuronal. En este número de Cell, Hattori et al. describen un mecanismo de circuito por el cual un estímulo novedoso que inicialmente interesa a una mosca de la fruta se convierte en uno familiar.

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    Un objetivo de larga data de la neurociencia ha sido comprender cómo se implementan los cálculos en redes cerebrales a gran escala. Al correlacionar la actividad espontánea durante los "estados de reposo" [1], los estudios de las redes cerebrales intrínsecas en humanos han demostrado una correspondencia con los patrones de activación relacionados con la tarea [2], las relaciones con la conducta [3] y las alteraciones en procesos como el envejecimiento [4]. ] y trastornos cerebrales [5], destacando la importancia de las mediciones del estado de reposo para comprender la función cerebral. Aquí, desarrollamos métodos para medir la conectividad funcional intrínseca en Drosophila, un modelo poderoso para el estudio de la computación neuronal. Estudios recientes que utilizan imágenes de calcio han medido la actividad neuronal a alta resolución espacial y temporal en peces cebra, larvas de Drosophila y gusanos [6-10]. Por ejemplo, las imágenes de calcio en el cerebro del pez cebra revelaron recientemente correlaciones entre el mesencéfalo y el rombencéfalo, lo que demuestra la utilidad de medir las conexiones funcionales intrínsecas en organismos modelo [8]. Un componente importante de la investigación de la conectividad humana es el uso de atlas cerebrales para comparar hallazgos entre individuos y estudios [11]. Recientemente se describió un atlas anatómico del cerebro central de la mosca adulta [12], sin embargo, la combinación de un atlas con imágenes de calcio de todo el cerebro aún no se ha realizado in vivo en adultos de Drosophila. Aquí, medimos la conectividad funcional intrínseca en Drosophila adquiriendo señales de calcio del cerebro central. Desarrollamos un procedimiento de alineación para asignar datos funcionales a las regiones del atlas y correlacionar la actividad entre regiones para generar redes cerebrales. Este trabajo revela una arquitectura a gran escala para la comunicación neuronal y proporciona un marco para usar Drosophila para estudiar las redes cerebrales funcionales.

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    Un nuevo estudio ha mapeado el conectoma (las formas y conexiones de todas las neuronas) del sistema visual de una larva de Drosophila, proporcionando una base estructural para comprender los circuitos neuronales de la visión larvaria.

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    La actividad y el mantenimiento de las neuronas requieren una energía metabólica sustancial, lo que genera una presión selectiva para disminuir el consumo de recursos por parte del sistema nervioso. El principio de economía de cableado propone que los animales han desarrollado mecanismos que conectan los circuitos de manera eficiente al minimizar la longitud de las neuritas. El modelado computacional de la morfología neuronal, la organización de microcircuitos y las redes neuronales revela que la economía del cableado es un determinante significativo del diseño del sistema nervioso. Las estrategias para reducir los costos de cableado se comparten entre phyla y apuntan a la posibilidad de reglas generalizables que especifiquen el desarrollo de sistemas nerviosos eficientes. Dado que los mecanismos de desarrollo que sustentan la economía de cableado recién ahora se están dilucidando, queda por determinar si la base molecular de este fenómeno es el resultado de programas genéticos conservados o de una evolución convergente.

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    La señalización del erizo es fundamental para el desarrollo del sistema nervioso central (SNC) de los vertebrados, pero su función en la biología del SNC en otros organismos no está bien caracterizada. En la planaria Schmidtea mediterranea, hedgehog (hh) se expresa en las neuronas de los ganglios cefálicos mediales, lo que sugiere un posible papel en el mantenimiento o la regeneración del SNC. Realizamos la secuenciación de ARN de tejido cerebral planario siguiendo el ARNi de hh y parcheado (ptc), que codifica el receptor Hh. Dos genes mal regulados, el filamento intermedio-1 (if-1) y el calamar (cali), se expresaron en un tipo de célula del SNC no neuronal no identificado previamente. Estas células expresaron ortólogos de genes asociados a astrocitos involucrados en la captación y metabolismo de neurotransmisores, y procesos extendidos que envuelven regiones de alta concentración de sinapsis. Proponemos que estas células son glía planaria. La glía planaria se distribuyó ampliamente, pero solo se expresó si-1 y cali en el neuropilo cerca de las neuronas hh (+). La glía planaria y su regulación por la señalización de Hedgehog presentan un nuevo sistema manejable para la disección de la biología de la glía.

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    A través de los filos de los animales, la visión en movimiento se basa en neuronas que responden preferentemente a los estímulos que se mueven en una dirección preferida sobre la dirección nula y opuesta. En el detector de movimiento elemental de Drosophila, la selectividad de dirección emerge en dos tipos de neuronas, T4 y T5, pero el algoritmo computacional subyacente a esta selectividad sigue siendo desconocido. Encontramos que los campos receptivos tanto de T4 como de T5 exhiben subcampos que prefieren la luz y la oscuridad compensados ​​espacio-temporales, cada uno de ellos orientado oblicuamente en el espacio-tiempo. En un marco de modelado lineal-no lineal, la organización espacio-temporal del campo receptivo de T5 predice la actividad de T5 en respuesta a estímulos de movimiento. Estos hallazgos demuestran que la selectividad de dirección surge de la mejora de las respuestas al movimiento en la dirección preferida, así como de la supresión de las respuestas al movimiento en la dirección nula. Así, sorprendentemente, T5 incorpora las estrategias algorítmicas esenciales utilizadas por el correlador Hassenstein-Reichardt y el detector Barlow-Levick. Nuestro modelo para T5 también proporciona una explicación algorítmica de la selectividad de T5 para mover bordes oscuros: nuestro modelo captura todas las correlaciones espaciotemporales de dos y tres puntos relevantes para el movimiento en esta clase de estímulo. En términos más generales, nuestros hallazgos revelan la contribución del procesamiento visual de la vía de entrada, específicamente los campos receptivos temporalmente bifásicos del entorno central, a la generación de selectividad de dirección en T5. Como el campo receptivo espacio-temporal de T5 en Drosophila es común a la célula simple en la corteza visual de vertebrados, nuestro modelo de estímulo-respuesta de T5 informará los esfuerzos en un contexto experimentalmente manejable para identificar modelos mecanicistas más detallados de una computación predominante. responder preferentemente a estímulos asombrosamente específicos, proporcionando la base neurobiológica para la percepción. La selectividad de dirección sirve como modelo paradigmático de selectividad de características que se ha examinado en muchas especies. Si bien los detectores de movimiento elementales de insectos han servido como modelos experimentales de primer nivel de selectividad de dirección durante 60 años, la pregunta central de su algoritmo subyacente sigue sin respuesta. Utilizando imágenes de dos fotones in vivo de señales de calcio intracelular, medimos los campos receptivos de las primeras células selectivas de dirección en el sistema visual de Drosophila y definimos el algoritmo utilizado para calcular la dirección del movimiento. El modelado computacional de estos campos receptivos predice las respuestas al movimiento y revela cómo este circuito captura de manera eficiente muchas correlaciones útiles intrínsecas a los bordes oscuros en movimiento.

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    Una comprensión mecanicista de la computación neuronal requiere determinar cómo se procesa la información a medida que pasa a través de las neuronas y las sinapsis. Sin embargo, ha sido un desafío medir los cambios de potencial de membrana en axones y dendritas in vivo. Utilizamos imágenes in vivo de dos fotones de nuevos indicadores de voltaje codificados genéticamente, así como imágenes de calcio, para medir las señales evocadas por estímulos sensoriales en el sistema visual de Drosophila con resolución subcelular. A través de las sinapsis, encontramos importantes transformaciones en la cinética, la amplitud y el signo de las respuestas de voltaje a la luz. También describimos distintas relaciones entre el voltaje y las señales de calcio en diferentes compartimentos neuronales, un sustrato para el cálculo local. Finalmente, demostramos que la selectividad ON y OFF, una característica clave del procesamiento visual entre especies, surge a través de la transformación del potencial de membrana en concentración de calcio intracelular. Al obtener imágenes de las señales de voltaje y calcio para mapear el flujo de información con resolución subcelular, iluminamos dónde y cómo surgen los cálculos críticos.

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    La comunicación auditiva es fundamental para las interacciones sociales de muchos animales. En las moscas de la fruta, los machos cantan para cortejar a las hembras. Coen y col. (2016) demuestran que los machos pueden ajustar dinámicamente el volumen de sus canciones de acuerdo con la distancia a una hembra.

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    Muchos animales utilizan las señales de movimiento visual para guiar la navegación a través de una amplia gama de entornos. Los modelos teóricos de larga data han hecho predicciones sobre los cálculos que comparan las señales de luz en el espacio y el tiempo para detectar movimiento. Utilizando enfoques conectómicos y fisiológicos, se han propuesto circuitos candidatos que pueden implementar varios pasos algorítmicos en el sistema visual de Drosophila. Estas vías conectan los fotorreceptores, a través de interneuronas en la lámina y la médula, a las células selectivas de dirección en la placa lobula y lobula. Sin embargo, la arquitectura funcional de estos circuitos sigue sin comprenderse completamente. Aquí, utilizamos un enfoque genético directo para identificar la neurona de la médula Tm9 como fundamental para las respuestas conductuales evocadas por el movimiento. Utilizando imágenes de calcio in vivo combinadas con silenciamiento genético, colocamos Tm9 dentro de los circuitos de detección de movimiento. Tm9 recibe entradas funcionales de las neuronas de la lámina L3 e, inesperadamente, L1 y pasa información a la neurona T5 de dirección selectiva. Mientras que la morfología de Tm9 sugirió que esta célula informaría a los circuitos sobre puntos locales en el espacio, encontramos que el campo receptivo espacial de Tm9 es grande. Por lo tanto, este circuito informa a los detectores de movimiento elementales sobre una amplia región de la escena visual. Además, Tm9 exhibe respuestas sostenidas que proporcionan una señal tónica sobre los patrones de luz entrante. Silenciar Tm9 reduce drásticamente la amplitud de respuesta de las neuronas T5 en una amplia gama de diferentes condiciones de movimiento. Por lo tanto, nuestros datos demuestran que las señales sostenidas y de campo amplio son esenciales para el procesamiento de movimiento elemental.

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    La detección de la orientación y el movimiento de los bordes en una escena es fundamental para los comportamientos guiados visualmente de muchos animales. ¿Cuáles son los algoritmos de circuito que permiten al cerebro extraer tales señales visuales vitales para el comportamiento? Utilizando imágenes de calcio de dos fotones in vivo en Drosophila, describimos señales selectivas de dirección en las dendritas de las neuronas T4 y T5, detectores de movimiento local. Demostramos que este circuito realiza una amplificación selectiva de las entradas de luz locales, una observación que limita los modelos de detección de movimiento y confirma una predicción central del correlador Hassenstein-Reichardt (HRC). Estas neuronas también son selectivas en la orientación, respondiendo fuertemente a características estáticas que son ortogonales a su eje de movimiento preferido, una propiedad de sintonía no predicha por el HRC. Esta extracción coincidente de orientación y dirección agudiza la sintonía direccional a través de la inhibición envolvente y revela un sorprendente paralelo entre el procesamiento visual en las moscas y la corteza de los vertebrados, lo que sugiere una estrategia universal para el procesamiento del movimiento.

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    Vincular los cambios estructurales en las neuronas con el comportamiento animal ha demostrado ser un desafío. Nuevos hallazgos de Pesakou et al. ligar los ciclos diarios de extensión y retracción del árbol del axón, mediada por la actividad Rho, con los patrones circadianos y estacionales de comportamiento en la mosca de la fruta.

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    El Ca (2+) intracelular es un indicador de actividad neuronal ampliamente utilizado. Aquí describimos un reportero transcripcional de Ca (2+) intracelular (TRIC) en Drosophila que usa un sistema de expresión binario para informar interacciones dependientes de Ca (2 +) entre calmodulina y su péptido diana. Encontramos que los ensayos in vitro predijeron las propiedades in vivo de TRIC y que las señales de TRIC en los sistemas sensoriales dependen de la actividad neuronal. TRIC pudo monitorear cuantitativamente las respuestas neuronales que cambiaban lentamente, como las de las neuronas que expresan el neuropéptido F a la privación sexual y las células neuroendocrinas intercerebralis a la comida y la excitación. Además, la expresión inducida por TRIC de un silenciador neuronal en células activadas por nutrientes mejoró la resistencia al estrés, proporcionando una prueba del principio de que TRIC se puede utilizar para la manipulación de circuitos. Por lo tanto, TRIC facilita la monitorización y manipulación de la actividad neuronal, especialmente aquellas que reflejan cambios lentos en los estados fisiológicos que son mal captados por los métodos existentes. El diseño modular de TRIC debería permitir la optimización y adaptación a otros organismos.

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    El Ca (2+) intracelular es un indicador de actividad neuronal ampliamente utilizado. Aquí describimos un reportero transcripcional de Ca (2+) intracelular (TRIC) en Drosophila que usa un sistema de expresión binario para informar interacciones dependientes de Ca (2 +) entre calmodulina y su péptido diana. Encontramos que los ensayos in vitro predijeron las propiedades in vivo de TRIC y que las señales de TRIC en los sistemas sensoriales dependen de la actividad neuronal. TRIC pudo monitorear cuantitativamente las respuestas neuronales que cambiaban lentamente, como las de las neuronas que expresan el neuropéptido F a la privación sexual y las células neuroendocrinas intercerebralis a la comida y la excitación. Además, la expresión inducida por TRIC de un silenciador neuronal en células activadas por nutrientes mejoró la resistencia al estrés, proporcionando una prueba del principio de que TRIC se puede utilizar para la manipulación de circuitos. Por lo tanto, TRIC facilita la monitorización y manipulación de la actividad neuronal, especialmente aquellas que reflejan cambios lentos en los estados fisiológicos que son mal captados por los métodos existentes. El diseño modular de TRIC debería permitir la optimización y adaptación a otros organismos.

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    La atracción y aversión innatas a los olores se observan en todo el reino animal, pero no se comprende bien cómo los circuitos olfativos codifican tales valencias, a pesar de los amplios conocimientos anatómicos y funcionales. En Drosophila melanogaster,

    50 tipos de neuronas receptoras olfativas (ORN) expresan cada una un gen receptor único y transmiten información a un tipo afín de neuronas de proyección (NP). Para examinar hasta qué punto se requiere la actividad poblacional de ORN para el comportamiento olfativo, desarrollamos una estrategia genética para bloquear todas las salidas de ORN y luego restaurar la producción en tipos específicos. A diferencia de la atracción, la aversión no se vio afectada por el silenciamiento simultáneo de muchos ORN, e incluso los tipos de ORN individuales que se demostró anteriormente que transmiten valencia neutra fueron suficientes para mediar la aversión. Por lo tanto, la aversión puede depender de patrones de actividad específicos en ORN individuales en lugar del número o identidad de ORN activados. La actividad de ORN se transmite al cerebro mediante circuitos descendentes, y las NP excitatorias (ePN) representan una salida importante. Descubrimos que silenciar la mayoría de las ePN no afectó la aversión, incluso cuando las ePN directamente aguas abajo de los tipos de ORN restaurados individuales fueron silenciadas. Nuestros datos demuestran la solidez de la aversión olfativa y sugieren que su mecanismo de circuito es cualitativamente diferente de la atracción.

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    La atracción y aversión innatas a los olores se observan en todo el reino animal, pero no se comprende bien cómo los circuitos olfativos codifican tales valencias, a pesar de los amplios conocimientos anatómicos y funcionales. En Drosophila melanogaster,

    50 tipos de neuronas receptoras olfativas (ORN) expresan cada una un gen receptor único y transmiten información a un tipo afín de neuronas de proyección (NP). Para examinar hasta qué punto se requiere la actividad poblacional de ORN para el comportamiento olfativo, desarrollamos una estrategia genética para bloquear todas las salidas de ORN y luego restaurar la producción en tipos específicos. A diferencia de la atracción, la aversión no se vio afectada por el silenciamiento simultáneo de muchos ORN, e incluso los tipos de ORN individuales que se demostró anteriormente que transmiten una valencia neutra fueron suficientes para mediar la aversión. Por lo tanto, la aversión puede depender de patrones de actividad específicos en ORN individuales en lugar del número o identidad de ORN activados. La actividad de ORN se transmite al cerebro mediante circuitos descendentes, y las NP excitatorias (ePN) representan una salida importante. Descubrimos que silenciar la mayoría de las ePN no afectó la aversión, incluso cuando las ePN directamente aguas abajo de los tipos de ORN restaurados individuales fueron silenciadas. Nuestros datos demuestran la solidez de la aversión olfativa y sugieren que su mecanismo de circuito es cualitativamente diferente de la atracción.

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    La luz polarizada linealmente (POL) sirve como una señal importante para muchos animales, proporcionando información de navegación, así como dirigiéndolos hacia las fuentes de alimento y los sitios de reproducción. Muchos insectos detectan el patrón de polarización celeste o los reflejos linealmente polarizados en superficies, como el agua. Se ha avanzado mucho en la caracterización tanto de los detectores de retina como de los elementos del circuito aguas abajo responsables de la visión POL celeste en diferentes especies de insectos, pero se sabe mucho menos sobre la base neuronal de cómo se detectan los reflejos polarizados. Anteriormente establecimos un ensayo conductual novedoso y totalmente automatizado para estudiar la respuesta de orientación espontánea de las poblaciones de Drosophila melanogaster a los estímulos POL presentados en la mitad dorsal o ventral de la retina. Identificamos detectores de retina separados que median estas respuestas: el 'Área del Borde Dorsal' (DRA), que había estado implicada durante mucho tiempo en la visión POL celeste, así como un 'área de polarización ventral' (VPA) previamente no caracterizada. En este estudio, investigamos si DRA y VPA utilizan el mismo circuito o diferentes circuitos descendentes para mediar en las respuestas conductuales espontáneas. Utilizamos mutantes homocigotos, o herramientas de ruptura de circuitos genéticos moleculares (silenciamiento, así como rescate de la actividad sináptica), en combinación con nuestro paradigma conductual. Mostramos que las respuestas a la estimulación dorsal versus ventral involucran neuronas del lóbulo óptico previamente caracterizadas, como la célula monopolar de la lámina L2 y los tipos de células de la médula Dm8 / Tm5c. Sin embargo, utilizando diferentes condiciones experimentales, mostramos que existen diferencias importantes entre el requisito de estos tipos de células aguas abajo de DRA frente a VPA. Por lo tanto, mientras que los circuitos neuronales subyacentes a las respuestas conductuales a las señales POL celestes y reflejadas comparten importantes bloques de construcción, estos elementos desempeñan diferentes roles funcionales dentro de la red.

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    Los algoritmos y circuitos neuronales que procesan los cambios espacio-temporales en la luminancia para extraer señales de movimiento visual han sido el foco de una intensa investigación. Un modelo influyente, el correlador Hassenstein-Reichardt, se basa en el filtrado temporal diferencial de dos canales de entrada separados espacialmente, retrasando una señal de entrada con respecto a la otra. El movimiento en una dirección particular hace que estas señales de luminancia retardadas y no retardadas lleguen simultáneamente a un paso de procesamiento posterior en el cerebro; estas señales se amplifican luego de forma no lineal para producir una respuesta selectiva de dirección. Un trabajo reciente en Drosophila ha identificado dos vías paralelas que responden selectivamente a los bordes claros u oscuros en movimiento. Cada una de estas vías requiere que se apliquen dos pasos de procesamiento críticos a las señales entrantes: retardo diferencial entre los canales de entrada espaciales y procesamiento distinto de las señales de aumento y disminución de brillo.Aquí demostramos, utilizando grabaciones de pinza de parche in vivo, que cuatro neuronas de la médula implementan estos dos pasos de procesamiento. Las neuronas Mi1 y Tm3 responden selectivamente a los incrementos de brillo, con la respuesta de Mi1 retrasada en relación con Tm3. Por el contrario, Tm1 y Tm2 responden selectivamente a las disminuciones de brillo, con la respuesta de Tm1 retrasada en comparación con Tm2. Sorprendentemente, restringir los modelos correlacionadores Hassenstein-Reichardt que utilizan estas medidas produce resultados consistentes con las propiedades de los detectores de movimiento previamente medidas, incluida la sintonización de frecuencia temporal y la especificidad para los bordes claros frente a los oscuros. Proponemos que Mi1 y Tm3 realizan un procesamiento crítico de los canales de entrada retardados y no retardados del correlador responsable de la detección de bordes claros, mientras que Tm1 y Tm2 desempeñan papeles análogos en la detección de bordes oscuros en movimiento. Nuestros datos muestran que las neuronas específicas de la médula poseen propiedades de respuesta que les permiten implementar los pasos algorítmicos que preceden a la operación correlativa en el correlacionador Hassenstein-Reichardt, revelando elementos de los sustratos neuronales de detección de movimiento buscados durante mucho tiempo en la mosca.

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    En Drosophila, las cuatro neuronas fotorreceptoras internas exhiben sensibilidades espectrales superpuestas pero distintas y comportamientos medianos que reflejan la preferencia espectral. Desarrollamos una estrategia genética, Tango-Trace, que ha permitido identificar las conexiones de los cuatro fotorreceptores cromáticos. Cada uno de los cuatro subtipos de fotorreceptores cromáticos distribuidos estocásticamente hace distintas conexiones en la médula con cuatro células TmY diferentes. Además, cada clase de células TmY forma un mapa retinotópico tanto en la médula como en el complejo lobula, generando cuatro mapas topográficos superpuestos que podrían llevar información de color diferente. Por lo tanto, los cuatro fotorreceptores internos transmiten información espectral a través de distintos canales que pueden converger tanto en la médula como en el complejo lobulillar. Estas proyecciones podrían proporcionar una base anatómica para la visión del color y pueden transmitir información sobre el color a áreas sensibles al movimiento. Además, la estrategia Tango-Trace que usamos puede aplicarse de manera más general para identificar circuitos neuronales en el cerebro de la mosca.

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    Las señales de movimiento visual brindan a los animales información crítica sobre su entorno y guían una amplia gama de comportamientos. Los circuitos neuronales que llevan a cabo la estimación del movimiento proporcionan un sistema de modelo bien restringido para estudiar la lógica de la computación neuronal. A través de una confluencia de experimentos conductuales, fisiológicos y anatómicos, aprovechando las poderosas herramientas genéticas disponibles en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, ha surgido un esquema de las vías neurales que calculan el movimiento visual. Aquí describimos estas vías, la evidencia que las respalda y los desafíos que quedan para comprender los circuitos y los cálculos que vinculan las entradas sensoriales con el comportamiento. Los estudios en moscas y vertebrados han revelado una serie de similitudes funcionales entre las vías de procesamiento del movimiento en diferentes animales, a pesar de las profundas diferencias en la anatomía y estructura del circuito. El hecho de que se utilicen diferentes mecanismos de circuitos para lograr resultados computacionales convergentes arroja luz sobre la evolución del sistema nervioso.

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    Los circuitos neuronales en gusanos, moscas y mamíferos están organizados para minimizar la longitud del cableado para un número funcional de conexiones sinápticas, un fenómeno llamado optimización del cableado. Sin embargo, se desconocen los mecanismos moleculares que establecen el cableado óptimo durante el desarrollo. Abordamos esta cuestión mediante el estudio del papel de la N-cadherina en el desarrollo de fascículos de neuritas conectados de forma óptima en el sistema visual periférico de Drosophila.Los axones fotorreceptores rodean las dendritas de sus objetivos postsinápticos, llamados células laminares, dentro de un fascículo concéntrico llamado cartucho. La N-cadherina se expresa en niveles más altos en las células de la lámina que en los fotorreceptores, y todas las manipulaciones genéticas que invierten estas diferencias relativas desplazan las células de la lámina hacia la periferia y reubican los terminales del axón del fotorreceptor en el centro. La expresión diferencial de una sola cadherina es necesaria y suficiente. para determinar la estructura del cartucho porque coloca los elementos más adhesivos que producen la mayor cantidad de sinapsis en el núcleo y los elementos menos adhesivos que producen menos sinapsis en la periferia. Estos resultados sugieren un modelo general mediante el cual se puede utilizar la adhesión diferencial para determinar las posiciones relativas de axones y dendritas para establecer un cableado óptimo.

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    Comprender los mecanismos que relacionan los estímulos sensoriales con el comportamiento animal es un desafío central en la neurociencia. La descripción cuantitativa de las respuestas conductuales a estímulos definidos ha conducido a una rica comprensión de las diferentes estrategias conductuales en muchas especies. Una señal de navegación importante que perciben muchos vertebrados e insectos es la orientación del vector electrónico de la luz polarizada linealmente. Drosophila manifiesta una respuesta de orientación innata a esta señal ('polarotaxis'), alineando su eje corporal con el campo e-vector. Hemos establecido un paradigma de comportamiento basado en la población para la disección genética de los circuitos neuronales que guían la polarotaxis tanto a los estímulos polarizados celestes como a los reflejados. Sin embargo, los mecanismos de comportamiento por los cuales las moscas se alinean con un estímulo polarizado linealmente siguen siendo desconocidos. A continuación, presentamos una descripción cuantitativa detallada de la polarotaxis de Drosophila, midiendo sistemáticamente los parámetros de comportamiento que son modulados por el estímulo. Mostramos que la aceleración angular se modula durante la alineación, y este único parámetro puede ser suficiente para la alineación. Además, utilizando la privación monocular, mostramos que cada ojo es necesario para modular los giros en la dirección ipsolateral. Este análisis sienta las bases para comprender cómo los circuitos neuronales guían estos importantes comportamientos visuales.

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    ¿Cómo compara el cerebro las entradas visuales en el espacio y el tiempo para extraer movimiento? Los análisis microscópicos electrónicos (EM) y moleculares revelan una nueva arquitectura de circuito para el procesamiento del movimiento en Drosophila. Una compensación en la ponderación de las conexiones sinápticas y el uso diferencial de los receptores nicotínicos rápidos y lentos sugiere un mecanismo que puede implementar comparaciones espacio-temporales.

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    La determinación de las ubicaciones genómicas de los elementos transponibles es un objetivo experimental común. Al mapear grandes colecciones de inserciones de transposones, la amplificación y secuenciación individualizadas requiere mucho tiempo y es costosa. Describimos un enfoque en el que se pueden mapear simultáneamente un gran número de líneas de inserción en una única reacción de secuenciación de ADN mediante el uso de códigos de corrección de errores digitales para codificar la identidad de la línea en un conjunto único de grupos de códigos de barras.

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    Los animales videntes extraen información de movimiento de escenas visuales procesando patrones espacio-temporales de luz que caen sobre la retina. Los modelos dominantes para la estimación del movimiento explotan las correlaciones de intensidad solo entre pares de puntos en el espacio y el tiempo. Sin embargo, las escenas naturales en movimiento contienen correlaciones más complejas. Descubrimos que los sistemas visuales de moscas y humanos codifican la dirección combinada y la polaridad de contraste de los bordes en movimiento utilizando correlaciones triples que mejoran la estimación del movimiento en entornos naturales. Ambas especies extrajeron correlaciones triples con sustratos neuronales sintonizados para bordes claros u oscuros, y la sensibilidad a correlaciones triples específicas se mantuvo incluso cuando se combinaron las señales de movimiento del borde claro y oscuro. Por lo tanto, ambas especies procesan por separado los contrastes de imágenes claras y oscuras para capturar firmas de movimiento que pueden mejorar la precisión de la estimación. Esta convergencia sostiene que las estructuras estadísticas en escenas naturales han afectado en gran medida el procesamiento visual, impulsando una estrategia computacional común durante más de 500 millones de años de evolución.

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    Los virus de ARN de artrópodos representan una seria amenaza para la salud humana, sin embargo, muchos aspectos de su ciclo de replicación siguen sin comprenderse por completo. Aquí describimos un conjunto de herramientas versátil de Drosophila de genomas transgénicos, autorreplicantes ('replicones') del virus Sindbis que permiten una rápida visualización y cuantificación de la replicación viral in vivo. Generamos replicones que expresan luciferasa para la cuantificación de la replicación viral, que sirven como nuevas herramientas útiles para pantallas genéticas a gran escala para identificar vías celulares que influyen en la replicación viral. También presentamos un nuevo sistema binario en el que los genomas virales de replicación deficiente se pueden activar 'en trans', a través de la coexpresión de un replicón intacto que aporta una ARN polimerasa dependiente de ARN. La utilidad de este conjunto de herramientas para estudiar la biología del virus se demuestra mediante la observación de la exclusión estocástica entre replicones que expresan diferentes proteínas fluorescentes, cuando se coexpresan bajo el control del mismo promotor celular. Este proceso es análogo a la "exclusión por superinfección" entre partículas de virus en cultivo celular, un proceso que no se comprende completamente. Mostramos que las polimerasas virales prefieren fuertemente replicar el genoma que las codifica, y que casi invariablemente solo se elige estocásticamente un solo genoma de virus para la replicación en cada célula. Nuestro sistema in vivo ahora hace que este proceso sea susceptible de una disección genética detallada. Por lo tanto, este conjunto de herramientas permite el estudio cuantitativo y específico del tipo celular de la replicación viral en un organismo modelo genético, abriendo nuevas vías para la disección molecular, genética y farmacológica de la biología del virus y el desarrollo de herramientas.

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    Los arbovirus como el virus del dengue, el virus de la fiebre amarilla y el virus del Nilo Occidental son partículas envueltas propagadas por mosquitos que infectan a millones de seres humanos al año, sin vacunas eficaces ni terapias antivirales específicas [1,2]. Estudios previos de infección y replicación de virus utilizan partículas de virus purificadas o genomas deficientes que no completan el ciclo de vida viral [1, 2]. Aquí describimos cepas transgénicas de Drosophila que expresan genomas trans-complementarios (denominados "replicones") del arbovirus Sindbis [2]. Usamos este sistema binario para producir, por primera vez en cualquier metazoo, partículas de virus infecciosos a través del autoensamblaje de transgenes. Este "lanzamiento" de partículas específicas de tipo celular podría servir como una alternativa atractiva para el desarrollo de herramientas basadas en virus y el estudio de la biología del virus en tejidos específicos.

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    Comprender la lógica detrás de cómo el cerebro de una mosca de la fruta le dice que arregle las partes de su cuerpo en un orden estereotipado podría ayudarnos a comprender otros comportamientos que también involucran una serie de acciones.

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    Los conos de crecimiento neuronal seleccionan socios sinápticos a través de interacciones con múltiples superficies celulares en su entorno. Muchas de estas interacciones son adhesivas, pero no está claro cómo los conos de crecimiento integran señales adhesivas para dirigir sus movimientos. Aquí, examinamos los mecanismos que permiten a los fotorreceptores en el sistema visual de Drosophila elegir socios sinápticos. Demostramos que la cadherina clásica, N-cadherina, y una cadherina atípica, Flamingo, actúan de forma redundante para instruir las elecciones de orientación realizadas por cada axón fotorreceptor. Estas moléculas sesgan gradualmente la distribución espacial de los filopodios del cono de crecimiento, polarizando cada cono de crecimiento hacia su futuro objetivo sináptico antes de que se produzca el contacto directo con el objetivo. Demostramos que estas moléculas están localizadas en distintos dominios subcelulares y crean una red de interacciones adhesivas distribuidas en muchos conos de crecimiento. Debido a que esta red comprende múltiples interacciones redundantes, se puede construir un diagrama de cableado complejo con extraordinaria fidelidad, lo que sugiere un principio general.

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    En el sistema visual, los circuitos de procesamiento periférico a menudo se sintonizan con características de estímulo específicas. No se comprende completamente cómo surge esta selectividad y cómo se organizan estos circuitos para informar comportamientos visuales específicos. Usando genética avanzada y estudios de comportamiento cuantitativos, descubrimos un canal de entrada a los circuitos de detección de movimiento en Drosophila. La neurona de segundo orden L3 actúa combinatoriamente con dos entradas previamente conocidas, L1 y L2, para informar a los circuitos especializados para detectar bordes claros y oscuros en movimiento. Las imágenes de calcio in vivo de L3, combinadas con experimentos de silenciamiento neuronal, sugieren un mecanismo neuronal para lograr la selectividad para mover los bordes oscuros. Además, demostramos que diferentes comportamientos innatos, giros y movimientos hacia adelante, pueden modularse de forma independiente mediante el movimiento visual. Estos dos comportamientos utilizan diferentes combinaciones de canales de entrada. Tal uso modular de los canales de entrada para lograr la extracción de características y la especialización del comportamiento probablemente representa un principio general en los sistemas sensoriales.

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    La quimiotaxis, la capacidad de dirigir los movimientos de acuerdo con las señales químicas del medio ambiente, es importante para la supervivencia de la mayoría de los organismos. La mosca del vinagre, Drosophila melanogaster, muestra una fuerte aversión y atracción olfativas, pero no se comprende bien cómo se ejecutan estos comportamientos a través de cambios en la locomoción. En particular, no está claro si la aversión y la atracción modulan bidireccionalmente un circuito compartido o reclutan circuitos distintos para su ejecución.Utilizando un ensayo de comportamiento cuantitativo, determinamos que tanto los olores aversivos como los atractivos modulan el inicio y la dirección de los giros, pero muestran una cinemática distinta. Utilizando herramientas genéticas para perturbar estos comportamientos, identificamos poblaciones específicas de neuronas necesarias para la aversión, pero no para la atracción. La inactivación de estas poblaciones de células afectó la finalización de los giros aversivos, pero no su inicio. La activación optogenética de las mismas poblaciones de células desencadenó un patrón de locomoción que se asemeja a giros aversivos. Las perturbaciones tanto en el cuerpo elipsoide como en el cordón nervioso ventral, dos regiones involucradas en el control motor, dieron como resultado defectos en la aversión. La quimiotaxis aversiva en las moscas del vinagre desencadena una cinemática etológicamente apropiada distinta de la de la quimiotaxis atractiva y requiere neuronas específicas relacionadas con el motor.

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    Las primeras etapas del procesamiento visual deben capturar entradas dinámicas complejas. Si bien las neuronas periféricas a menudo implementan una codificación eficiente mediante la explotación de las estadísticas de estímulos naturales, las neuronas posteriores están especializadas para extraer características relevantes para el comportamiento. ¿Cómo surgen estas especializaciones? Usamos imágenes de dos fotones en Drosophila para caracterizar una interneurona de primer orden, L2, que proporciona información para una vía especializada para detectar bordes oscuros en movimiento. Las interacciones GABAérgicas, mediadas en parte presinápticamente, crean un campo receptivo circundante central antagonista y anisotrópico. Este campo receptivo se acopla espacio-temporal, aplicando procesamiento temporal diferencial a objetos oscuros grandes y pequeños, logrando una especialización significativa. Los circuitos GABAérgicos también median las respuestas OFF y las equilibran con las respuestas a los estímulos ON. Sorprendentemente, las propiedades funcionales de L2 son sorprendentemente similares a las de las células bipolares, pero emergen a través de diferentes mecanismos moleculares y de circuito. Por tanto, la evolución parece haber convergido en una estrategia común para procesar información visual en la primera sinapsis.

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    Un objetivo central de la neurociencia de sistemas es comprender cómo los circuitos neuronales implementan los cálculos que vinculan las entradas sensoriales con el comportamiento. El trabajo que combina enfoques electrofisiológicos y basados ​​en imágenes para medir la actividad neuronal con manipulaciones farmacológicas y electrofisiológicas ha proporcionado conocimientos fundamentales. Más recientemente, se han utilizado enfoques genéticos para monitorear y manipular la actividad neuronal, abriendo nuevas oportunidades y desafíos experimentales. Aquí, discutimos cuestiones asociadas con la aplicación de enfoques genéticos a la disección de circuitos en transformaciones sensitivomotoras, delineando consideraciones importantes para el diseño experimental y considerando cómo el modelado puede complementar los enfoques experimentales.

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    La función de los fotorreceptores de insectos depende de la ubicación precisa de los rabdómeros, dominios apicales elaborados especializados para capturar la luz, dentro de cada faceta de un ojo compuesto. En Diptera, una disposición asimétrica de rabdómeros, combinada con un patrón particular de conexiones axonales, mejora la sensibilidad a la luz a través del principio de superposición neuronal. Para lograr la geometría retiniana necesaria, los diferentes fotorreceptores (células R) tienen formas distintas. Los complejos Crumbs y Bazooka juegan un papel crítico en la dirección del desarrollo del rabdómero, pero se desconoce si podrían dirigir arquitecturas apicales específicas del tipo de célula. Demostramos que, si bien las mutaciones en los miembros del complejo Bazooka causan defectos de morfogénesis pleiotrópica en todos los subtipos de células R, las células Crumbs (Crb) y Stardust (Sdt) funcionan de forma autónoma para dirigir las primeras etapas en el ensamblaje de rabdómeros en subconjuntos específicos de células R. Este requisito se refleja en la expresión específica de tipo celular de la proteína Crb y demuestra que Sdt y Crb pueden actuar de forma independiente con un efecto similar. Estos dos genes también son necesarios para el ensamblaje de zonula adherens (ZA), pero muestran un patrón inusual de redundancia celular para esta función, ya que cada gen se requiere en solo una de las dos células contiguas. Nuestros resultados proporcionan un vínculo directo entre la especificación del destino y el patrón morfogenético y sugieren un modelo para el ensamblaje de ZA.

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    Muchos animales extraen señales específicas de ricas escenas visuales para guiar comportamientos apropiados. Tales señales incluyen señales de movimiento visual producidas tanto por el auto-movimiento como por el movimiento de objetos en el entorno. La complejidad de estas señales requiere circuitos neuronales para vincular patrones particulares de movimiento con respuestas conductuales específicas.A través de grabaciones electrofisiológicas, caracterizamos neuronas identificadas genéticamente en el lóbulo óptico de Drosophila que están específicamente sintonizadas para detectar señales de movimiento producidas por objetos que se avecinan en un curso de colisión. con la mosca. Usando una manipulación genética para silenciar específicamente estas neuronas, demostramos que las señales de estas células son importantes para que las moscas inicien de manera eficiente la respuesta de escape del telar. Además, a través de la expresión dirigida de canalrodopsina en estas células, en moscas ciegas, revelamos que la estimulación optogenética de estas neuronas suele ser suficiente para provocar el escape, incluso en ausencia de cualquier estímulo visual. de neuronas que extraen una señal visual específica de las entradas de movimiento locales sirven para desencadenar la respuesta conductual etológicamente apropiada.

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    La luz linealmente polarizada se origina a partir de la dispersión atmosférica o reflejos superficiales y es percibida por insectos, arañas, cefalópodos, crustáceos y algunos vertebrados. Por lo tanto, la base neuronal que subyace a la forma en que se detecta esta calidad fundamental de la luz es de amplio interés. Existen omatidios morfológicamente únicos y sensibles a la polarización en la periferia dorsal de muchas retinas de insectos, que forman el área del borde dorsal (DRA). Sin embargo, se sabe mucho menos sobre los sustratos retinianos de las respuestas conductuales a los reflejos polarizados. Drosophila exhibe un comportamiento polarotáctico, alineándose espontáneamente con el vector e de luz polarizada linealmente, cuando los estímulos se presentan dorsalmente o ventralmente.Al combinar experimentos de comportamiento con disección genética y análisis ultraestructurales, mostramos que fotorreceptores distintos median los dos comportamientos: los fotorreceptores internos R7 + R8 de los ommatidios DRA son necesarios y suficientes para la polarotaxis dorsal, mientras que las respuestas ventrales están mediadas por combinaciones de fotorreceptores externos e internos, ambos manifiestan características previamente desconocidas que los hacen sensibles a la polarización. Drosophila utiliza vías retinianas separadas para la detección de luz polarizada linealmente que emana del cielo o de superficies brillantes. Este trabajo establece un paradigma conductual que permitirá la disección genética de los circuitos subyacentes a la visión de polarización.

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    Una característica definitoria del tipo de células neuronales es el crecimiento de axones y dendritas en capas y columnas específicas del cerebro. Aunque se sabe que las diferencias en los receptores de la superficie celular y las moléculas de adhesión causan diferencias en la especificidad sináptica, se desconocen las diferencias en los mecanismos de señalización posteriores que determinan los patrones de dirección apropiados para el tipo celular. Utilizando una pantalla genética directa en Drosophila, identificamos al efector de GTPasa Genghis khan (Gek) como que juega un papel crucial en la capacidad de un subconjunto de axones de fotorreceptores (células R) para inervar las columnas diana apropiadas. En particular, los análisis de mosaico de células individuales demuestran que los conos de crecimiento de células R que carecen de la función Gek crecen hasta el ganglio apropiado, pero con frecuencia no inervan la columna diana correcta. Otros estudios revelan que los axones de las células R que carecen de la actividad de la pequeña GTPasa Cdc42 muestran defectos similares, lo que proporciona evidencia de que estas proteínas regulan un conjunto común de procesos. Gek se expresa en todas las células R, y un análisis detallado de estructura-función revela un conjunto de dominios reguladores con actividades que restringen la función de Gek al cono de crecimiento. Aunque Gek normalmente no regula la focalización específica de la capa, la expresión ectópica de Gek es suficiente para alterar las elecciones de focalización realizadas por otro tipo de células R, cuya focalización es normalmente independiente de Gek. Por tanto, la regulación específica de las respuestas citoesqueléticas a las señales de orientación es necesaria para la especificidad sináptica apropiada para el tipo de célula.

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    La estimación del movimiento visual se ha estudiado durante mucho tiempo como un cálculo neuronal paradigmático, y se han avanzado múltiples modelos para explicar las respuestas conductuales y neuronales a las señales de movimiento. Una amplia clase de modelos, que se originan con el modelo de correlación de Reichardt, propone que los animales estimen el movimiento calculando una correlación cruzada temporal de intensidades de luz de dos puntos vecinos en el espacio visual. Estos modelos proporcionan una buena descripción de los datos experimentales en contextos específicos, pero no pueden explicar las percepciones de movimiento en los estímulos que carecen de correlaciones por pares. Aquí, desarrollamos un formalismo teórico que puede acomodar diversos estímulos y metas de comportamiento. Para lograr esto, tratamos la estimación del movimiento como un problema de inferencia bayesiana. Los modelos por pares surgen como un componente de la estrategia generalizada para la estimación del movimiento. Sin embargo, las funciones de correlación más allá de segundo orden permiten una estimación de movimiento más precisa. Las expectativas previas que son asimétricas con respecto al contraste brillante y oscuro usan correlaciones de órdenes pares e impares, y mostramos que los experimentos psicofísicos que usan estímulos visuales con distribuciones de probabilidad simétricas para el contraste no pueden revelar si el sujeto usa correlacionadores de orden impar para la estimación del movimiento. Este resultado destaca una brecha en experimentos anteriores, que se han basado en gran medida en distribuciones de contraste simétricas. Nuestro tratamiento teórico proporciona una interpretación natural de muchas percepciones de movimiento visual, indica que la estimación de movimiento debe revisarse utilizando una clase más amplia de estímulos, demuestra cómo la estimación de movimiento basada en correlación se relaciona con las estadísticas de estímulo y proporciona múltiples predicciones comprobables experimentalmente.

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    Muchos animales dependen de la detección de movimiento visual para sobrevivir. La información de movimiento se extrae de patrones de intensidad espacio-temporal en la retina, un cálculo neuronal paradigmático. Un modelo fenomenológico, el correlador Hassenstein-Reichardt (HRC), relaciona las entradas visuales con la actividad neuronal y las respuestas conductuales al movimiento, pero los circuitos que implementan este cálculo siguen siendo desconocidos. Mediante el uso de silenciamiento genético específico de tipo celular, estímulos de movimiento mínimo e imágenes de calcio in vivo, examinamos dos entradas críticas de HRC. Estas dos vías responden preferentemente a los bordes móviles claros y oscuros. Demostramos que estas vías realizan subconjuntos superpuestos pero complementarios de los cálculos subyacentes al HRC. Un modelo numérico que implementa la ponderación diferencial de estas operaciones muestra las preferencias de borde observadas. Curiosamente, estas vías se distinguen por su sensibilidad a una correlación de estímulos que corresponde a una percepción ilusoria, "phi inverso", que afecta a muchas especies. Por lo tanto, esta arquitectura computacional puede usarse ampliamente para lograr la selectividad de los bordes en la detección de movimiento.

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    La expresión génica específica de tejido utilizando el sistema binario de secuencia de activación aguas arriba (UAS) -GAL4 ha facilitado la disección genética de muchos procesos biológicos en Drosophila melanogaster. El perfeccionamiento de los patrones de expresión de GAL4 o la manipulación independiente de múltiples poblaciones de células utilizando sistemas binarios adicionales son objetivos experimentales comunes. Para simplificar estos procesos, desarrollamos una plataforma genética convertible, el sistema de elementos de orientación in vivo intercambiables por integrasa (InSITE). Este enfoque permite reemplazar GAL4 con cualquier otra secuencia, colocando diferentes efectores genéticos bajo el control de los mismos elementos reguladores. Con InSITE, GAL4 se puede reemplazar con LexA o QF, lo que permite reutilizar un patrón de expresión. GAL4 también se puede reemplazar con hemi-drivers GAL80 o split-GAL4, lo que permite enfoques interseccionales para refinar los patrones de expresión. Los intercambios se producen mediante eficientes manipulaciones in vivo, lo que permite generar muchos intercambios en paralelo. Este sistema es modular, lo que permite incorporar fácilmente futuras herramientas genéticas al marco existente.

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    La formación de contactos adhesivos estables entre neuronas presinápticas y postsinápticas representa el paso inicial en el ensamblaje de la sinapsis. La molécula de adhesión celular N-cadherina, el receptor de tirosina fosfatasa DLAR y la molécula de andamiaje Liprin-alfa desempeñan funciones críticas conservadas evolutivamente en este proceso. Sin embargo, no se comprende bien cómo estas proteínas envían señales al cono de crecimiento y cómo se regulan. Utilizando fotorreceptores de Drosophila (células R) como modelo, evaluamos las interacciones genéticas y físicas entre estas tres proteínas. Demostramos que la función DLAR en este contexto es independiente de la actividad de la fosfatasa, pero requiere interacciones mediadas por su dominio intracelular. Los estudios genéticos revelan interacciones tanto positivas como, sorprendentemente, inhibidoras entre los tres genes. Estas observaciones están corroboradas por estudios bioquímicos que demuestran que DLAR se asocia físicamente a través de su dominio fosfatasa con N-cadherina en embriones de Drosophila. Juntos, estos datos demuestran que la N-cadherina, DLAR y Liprin-alfa funcionan en un complejo para regular las interacciones adhesivas entre las células presinápticas y postsinápticas y proporcionan un mecanismo novedoso para controlar la actividad de Liprin-alfa en el cono de crecimiento en desarrollo. .

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    El desarrollo del sistema visual utiliza señales globales y locales para ensamblar un mapa topográfico del mundo visual, organizando conexiones sinápticas en columnas y capas. Los estudios genéticos recientes han proporcionado nuevos conocimientos sobre los mecanismos que subyacen a estos procesos. En las moscas, una secuencia temporal precisa de diferenciación neuronal proporciona una señal organizativa global en los vertebrados, los gradientes de señales mediadas por efrina, que actúan con los correceptores de neurotrofina y la actividad neuronal, juegan un papel crucial. En moscas y ratones, los procesos neuronales se agrupan en matrices precisas a través de interacciones homotípicas y repulsivas, señales autocrinas y mecanismos intrínsecos de las células. La especificidad de dirección laminar se logra mediante la adhesión célula-célula regulada temporalmente, así como la expresión combinatoria de moléculas de adhesión específicas. Los estudios futuros definirán las interacciones entre estas señales globales y locales.

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    La adhesión celular es la fuerza impulsora fundamental que establece arquitecturas celulares complejas, y el sistema nervioso ofrece un estudio de caso sorprendente y sofisticado. Las neuronas en desarrollo se adhieren a las neuronas vecinas, sus socios sinápticos y a las células gliales. Estas interacciones adhesivas son necesarias en una amplia gama de contextos, incluida la migración celular, la orientación y orientación de axones, así como la formación y fisiología de sinapsis. Las pantallas genéticas directas e inversas en la mosca de la fruta Drosophila han descubierto varias moléculas de adhesión que son necesarias para el desarrollo neuronal, y los análisis biológicos celulares detallados están comenzando a desentrañar cómo estos factores dan forma a la conectividad del sistema nervioso. Aquí revisamos nuestra comprensión actual de los más destacados de estos factores de adhesión y sus modos de acción.

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    La disfunción mitocondrial es un sello distintivo de muchas enfermedades neurodegenerativas, sin embargo, su papel preciso en la patología de la enfermedad sigue sin estar claro. Para examinar este vínculo directamente, perturbamos sutilmente la función de la cadena de transporte de electrones en la retina de Drosophila, creando un modelo del síndrome de Leigh, un trastorno neurodegenerativo de inicio temprano. Usando mutaciones que afectan el complejo mitocondrial II, demostramos que las interrupciones leves de la función mitocondrial no tienen ningún efecto en las etapas iniciales del desarrollo de los fotorreceptores, pero causan la degeneración de sus sinapsis y cuerpos celulares en pupas tardías y animales adultos. En este modelo, la pérdida de sinapsis es causada por la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), no por el agotamiento de energía, ya que los niveles de ATP son normales en los fotorreceptores mutantes, y las manipulaciones genéticas tanto farmacológicas como dirigidas que reducen los niveles de ROS previenen la degeneración de la sinapsis. Curiosamente, estas manipulaciones de ROS desacoplan los efectos sinápticos de los cambios degenerativos en el cuerpo celular, lo que sugiere que la disfunción mitocondrial activa dos procesos genéticamente separables, uno que induce cambios morfológicos en el cuerpo celular y otro que causa la pérdida de la sinapsis. Finalmente, al bloquear el tráfico mitocondrial hacia el axón mediante una mutación que afecta a un complejo de transporte mitocondrial, encontramos que la acción de las ROS restringida al cuerpo celular es suficiente para causar degeneración sináptica, lo que demuestra que las ROS no necesitan actuar localmente en la sinapsis. Por tanto, las alteraciones en la función de la cadena de transporte de electrones explican muchos de los cambios neurodegenerativos que se observan tanto en los trastornos de aparición temprana como tardía.

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    La visión en movimiento es una facultad antigua, fundamental para muchos animales en una variedad de contextos etológicos, cuyos algoritmos subyacentes proporcionan información central sobre la computación neuronal. Sin embargo, no se comprende bien cómo las señales de movimiento guían el comportamiento, ya que los circuitos neuronales que implementan estos cálculos son en gran parte desconocidos en cualquier organismo. Desarrollamos un enfoque genético sistemático y avanzado utilizando análisis de comportamiento cuantitativos de alto rendimiento para identificar los sustratos neuronales de la visión en movimiento en Drosophila de manera imparcial. A continuación, delimitamos las contribuciones conductuales de los elementos del circuito tanto conocidos como nuevos. Contrariamente a las expectativas de estudios anteriores, encontramos que las respuestas de orientación al movimiento están determinadas por al menos dos vías neuronales. Estas vías son sensibles a diferentes características visuales, divergen inmediatamente postsinápticas a los fotorreceptores y están acopladas a distintas salidas de comportamiento. Por lo tanto, las respuestas conductuales a estímulos complejos pueden depender de una sorprendente especialización neuronal incluso desde las primeras etapas del procesamiento sensorial.

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    ¿Cuáles son los correlatos neuronales de la visión? Un estudio reciente sobre Drosophila ha descrito la increíble diversidad neuronal en el sistema visual de la mosca y ha rastreado los circuitos que subyacen a la visión del color.

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    Se ha propuesto que las diferencias cuantitativas en la actividad de la cadherina desempeñan un papel importante en la creación de patrones de conexiones entre neuronas presinápticas y postsinápticas. Sin embargo, aún no se han descrito ejemplos de tal función, y se desconocen los mecanismos que permitirían que tales diferencias dirijan los conos de crecimiento a objetivos sinápticos específicos. En el sistema visual de Drosophila, los fotorreceptores están programados genéticamente para hacer un conjunto complejo y estereotipado de conexiones sinápticas. Aquí mostramos que la cadherina Flamingo atípica funciona como una señal homofílica de corto alcance, que pasa entre conos de crecimiento de células R específicos para influir en su elección de socios postsinápticos. Encontramos que los conos de crecimiento individuales son sensibles a las diferencias en la actividad de Flamingo a través de interacciones opuestas entre células vecinas y requieren que estas interacciones estén equilibradas para extenderse a lo largo de la trayectoria adecuada.

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    La formación de lumina epitelial es un proceso fundamental en el desarrollo animal. Cada ommatidio de la retina de Drosophila forma un lumen epitelial, el espacio interrabdomeral, que tiene una función crítica en la visión, ya que aísla ópticamente las células fotorreceptoras individuales. Los ommatidios que contienen un espacio interrabdomeral han evolucionado a partir de ojos de insectos ancestrales que carecen de este lumen, como se ve, por ejemplo, en las abejas. En una pantalla genética, identificamos los ojos cerrados (eys) como un gen que es esencial para la formación del espacio interrabdomeral lleno de matriz. Eys está estrechamente relacionado con los proteoglicanos agrina y perlecano y es secretado por las células fotorreceptoras al espacio interrabdomeral. El ortólogo de abeja de eys no se expresa en fotorreceptores, lo que plantea la posibilidad de que el reclutamiento de la expresión de eys haya hecho una contribución importante a la evolución del ojo de insecto. Nuestros hallazgos muestran que la secreción de un proteoglicano en la matriz apical es fundamental para la formación de lumina epitelial en la retina de la mosca.

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    La especificación de socios sinápticos y la regulación de los números sinápticos son procesos, al menos en parte, dependientes de la actividad durante la formación del mapa visual en todos los sistemas investigados hasta la fecha. En Drosophila, seis fotorreceptores que ven el mismo punto en el espacio visual deben clasificarse en módulos sinápticos llamados cartuchos para formar un mapa visuotópicamente correcto. Los números de sinapsis por terminal fotorreceptor y cartucho están regulados con precisión. Sin embargo, se desconoce si un mecanismo dependiente de la actividad o un programa de desarrollo codificado genéticamente regula el número de sinapsis. Realizamos un análisis ultraestructural cuantitativo a gran escala de las sinapsis de fotorreceptores en mutantes que afectan la generación de potenciales eléctricos (norpA, trptrpl), la liberación de neurotransmisores (hdc, syt), la endocitosis de vesículas (synj), el tráfico de moléculas de guía específicas durante la focalización de fotorreceptores ( sec15), un receptor de guía específico necesario para la formación de mapas visuales (Dlar) y otros 57 mutantes sinápticos novedosos que afectan a 43 genes. Sorprendentemente, en todos estos mutantes, los fotorreceptores individuales forman el número correcto de sinapsis por terminal presináptica independientemente de la composición del cartucho. Por lo tanto, nuestros datos muestran que cada fotorreceptor forma un número preciso y constante de sinapsis aferentes independientemente de la actividad neuronal y la precisión de la pareja. Nuestros datos sugieren un control autónomo celular del número de sinapsis como parte de un programa de desarrollo de pasos independientes de la actividad que conducen a un mapa visual "cableado" en el cerebro de la mosca.

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    Las interacciones clásicas mediadas por cadherina entre axones y dendritas son críticas para la selección del objetivo y el ensamblaje de sinapsis. Sin embargo, los mecanismos moleculares por los que se controlan estas interacciones no se comprenden completamente. En el sistema visual de Drosophila, se requiere N-cadherina tanto en los axones de los fotorreceptores (células R) como en sus objetivos para mediar en las interacciones estabilizadoras necesarias para la selección del objetivo de las células R. Aquí identificamos la proteína de andamiaje Liprin-alfa como un componente crítico en este proceso. Aislamos mutaciones en Liprin-alfa en una pantalla genética de mutaciones que afectan el patrón de conexiones sinápticas realizadas por los fotorreceptores R1-R6. Usando mosaicos específicos del ojo, demostramos una función axonal no descrita previamente para Liprin-alfa en la selección de objetivos: se requiere que Liprin-alfa sea autónomo en todos los subtipos de células R1-R6 para que sus axones alcancen sus objetivos. Debido a que la liprina-alfa, el receptor de tirosina fosfatasa LAR y la N-cadherina comparten fenotipos mutantes cualitativamente similares en las células R1-R6 y se coexpresan en las células R y sus dianas sinápticas, inferimos que estos tres genes actúan en el mismo paso en la focalización. proceso. Sin embargo, a diferencia de la N-cadherina, ni Liprin-alfa ni LAR se requieren postsinápticamente para que las células R se proyecten a sus objetivos correctos. Por tanto, estas dos proteínas, a diferencia de la N-cadherina, son funcionalmente asimétricas entre axones y dendritas. Proponemos que los mecanismos adhesivos que unen las células presinápticas y postsinápticas antes de la formación de la sinapsis pueden estar regulados diferencialmente en estos dos compartimentos.

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    ¿Cómo almacena el sistema nervioso un patrón visual recién experimentado, y cómo ese patrón se pone posteriormente a disposición para su reconocimiento? Un trabajo reciente en Drosophila sugiere que las características de patrones específicos se almacenan por separado en el sistema nervioso.

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    El desarrollo del sistema visual de Drosophila proporciona un marco para investigar cómo se ensamblan los circuitos. Una secuencia de interacciones recíprocas entre fotorreceptores, neuronas diana y glía crea un patrón preciso de conexiones al tiempo que reduce la complejidad del proceso de focalización. Se requieren interacciones aferente-aferente y aferente-objetivo para que los axones de los fotorreceptores (células R) seleccionen socios sinápticos apropiados. Con la identificación de algunas moléculas de señalización y adhesión celular críticas, la lógica por la cual los axones toman decisiones entre socios sinápticos alternativos se está volviendo clara. Estos estudios también brindan la oportunidad de examinar la base molecular de la evolución de los circuitos neuronales.

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    La N-cadherina de Drosophila es necesaria para la formación de patrones precisos de conexiones en el cerebro de la mosca. Se predice que el empalme alternativo dará lugar a 12 isoformas de N-cadherina. Identificamos un alelo de N-cadherina, N-cad (18Astop), que elimina las seis isoformas que contienen el exón 18A alternativo y demuestra que interrumpe fuertemente las conexiones de las neuronas fotorreceptoras R7. Durante la primera mitad del desarrollo de la pupa, se requiere N-cadherina para que los conos de crecimiento R7 terminen dentro de una capa objetivo temporal en la médula. Las isoformas de N-cadherina que contienen el exón 18B son suficientes para este direccionamiento inicial. Por el contrario, las isoformas de 18A se expresan preferentemente en R7 durante la segunda mitad del desarrollo de la pupa y son necesarias para que R7 termine en la capa sináptica apropiada en el neurópilo de la médula. Los experimentos de rescate de transgenes sugieren que las diferencias en la expresión de isoformas, más que las diferencias bioquímicas entre las isoformas, subyacen al requisito de la isoforma 18A en las neuronas R7.

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    ¿Para qué utilizan las neuronas el complejo de exocistos? En este número de Neuron, utilizando mutaciones en un componente de exoquiste, Mehta et al. Llegan a la sorprendente conclusión de que la función de los exoquistes es divisible: los diferentes componentes desempeñan funciones distintas. Estos estudios también sugieren que el exoquiste puede regular la inserción en la membrana de las moléculas de adhesión celular necesarias para la elección de la pareja sináptica.

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    Se ha propuesto que las caderinas clásicas median las interacciones entre las células presinápticas y postsinápticas que son necesarias para la formación de sinapsis. Proporcionamos la primera evidencia genética directa a favor de este modelo al examinar el papel de la N-cadherina en el control del patrón de conexiones sinápticas realizadas por los axones de los fotorreceptores en Drosophila. Se requiere N-cadherina tanto en los fotorreceptores individuales como en sus neuronas diana para la extensión del axón del fotorreceptor. La reconstrucción célula por célula de los axones de los fotorreceptores de tipo salvaje que se extienden dentro de los parches de mosaico de las células diana mutantes muestra que la N-cadherina media las interacciones atractivas entre los fotorreceptores y sus dianas. Esta interacción no se limita a aquellas células que se convertirán en socios sinápticos de los fotorreceptores. Se producen múltiples isoformas de N-cadherina, pero las isoformas únicas pueden sustituir la actividad de N-cadherina endógena. Proponemos que la N-cadherina media una interacción atractiva y homofílica entre los conos de crecimiento de los fotorreceptores y sus objetivos que precede a la elección del socio sináptico.

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    Los ensayos de comportamiento visual en Drosophila melanogaster se desarrollaron inicialmente para explorar el control genético del comportamiento, pero tienen una rica historia de proporcionar aperturas conceptuales en diversas cuestiones de la biología celular y del desarrollo. Aquí, resumimos brevemente los primeros esfuerzos para emplear tres de estos comportamientos: fototaxis, la elección de la luz UV-visible y la respuesta optomotora. Luego discutimos cómo cada uno de estos ensayos ha ampliado nuestra comprensión de la especificidad de la conexión neuronal y la función sináptica. Todos estos estudios han contribuido al desarrollo de herramientas sofisticadas para manipular la expresión génica, evaluar la especificación del destino celular y visualizar el desarrollo neuronal. Con estas herramientas en la mano, el campo ahora está listo para volver al objetivo original de comprender el comportamiento visual utilizando enfoques genéticos.

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    Las neuronas fotorreceptoras (células R) del sistema visual de Drosophila elaboran un mapa preciso del espacio visual en el cerebro. El ojo contiene unos 750 módulos idénticos llamados omatidios, cada uno de los cuales contiene ocho células fotorreceptoras (R1-R8). Las células R1-R6 hacen sinapsis en la lámina R7 y R8 se extienden a través de la lámina y terminan en la médula subyacente. En una pantalla de mutantes de comportamiento visual, identificamos alelos de flamingo (fmi) que alteran los mapas precisos elaborados por estas neuronas. Estas neuronas mutantes R1-R6 seleccionan dianas espacialmente inapropiadas en la lámina. Durante la selección de la diana, la proteína Flamingo se expresa dinámicamente en conos de crecimiento R1-R6. La pérdida de la función fmi en las células R también altera el patrón local de las terminales sinápticas en la médula, y Flamingo se expresa transitoriamente en los axones R8 cuando entran en la región objetivo. Proponemos que las interacciones mediadas por flamencos entre conos de crecimiento de células R dentro del campo objetivo regulan la selección del objetivo.

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    Comprender los mecanismos moleculares que regulan la formación de patrones precisos de conexiones neuronales dentro del sistema nervioso central sigue siendo un problema desafiante en neurobiología. Los estudios genéticos en gusanos y moscas y los estudios moleculares en sistemas de vertebrados han llevado a una comprensión cada vez más sofisticada de cómo los conos de crecimiento navegan hacia sus objetivos y forman mapas topográficos. Se sabe mucho menos acerca de cómo los conos de crecimiento reconocen sus objetivos celulares y forman sinapsis con ellos. Aquí, revisamos la formación de conexiones en el sistema visual de la mosca, los enfoques metodológicos utilizados para estudiarlo y el progreso reciente en el descubrimiento de la base molecular de la especificidad de la conexión.

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    Diferentes clases de neuronas fotorreceptoras (células R) en el ojo compuesto de Drosophila se conectan a objetivos específicos en el lóbulo óptico. Utilizando una pantalla de comportamiento, identificamos LAR, un receptor de tirosina fosfatasa, como necesario para la especificidad de la diana de las células R. En los ojos de mosaico mutante LAR, las células R1-R6 se dirigen a la lámina correctamente, pero no pueden elegir el patrón correcto de neuronas objetivo. Aunque los axones mutantes R7 se proyectan inicialmente a la capa correcta de la médula, se retraen en capas inapropiadas. Usando mosaicos de una sola célula, demostramos que LAR controla la orientación de R1-R6 y R7 de una manera autónoma de célula. Los fenotipos de las células R mutantes LAR son sorprendentemente similares a los observados en mutantes N-cadherina.

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    Usando pantallas de comportamiento visual en Drosophila, identificamos múltiples alelos de N-cadherina. La eliminación selectiva de N-cadherina de las neuronas fotorreceptoras (células R) provoca déficits en comportamientos visuales específicos que se correlacionan con interrupciones en la conectividad de las células R. Estos defectos incluyen alteraciones en el patrón de conexiones neuronales realizadas por las tres clases de células R (R1-R6, R7 y R8). La N-cadherina se expresa tanto en los axones de las células R como en sus objetivos. Al inducir la recombinación mitótica en una subclase de progenitores oculares, generamos axones R7 mutantes rodeados por axones de células R en gran parte de tipo salvaje y un objetivo de tipo salvaje. Los axones R7 que carecen de N-cadherina se equivocan en la capa receptora R8. Consideramos las implicaciones de estos hallazgos en el contexto del papel propuesto para las cadherinas en la especificidad del objetivo.

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    En el ojo compuesto de Drosophila, los fotorreceptores (células R) que responden a la luz desde el mismo punto en el espacio se distribuyen a través de la retina y se conectan a las mismas neuronas objetivo. Este complejo patrón de conectividad reconstruye el espacio visual en el primer ganglio óptico, la lámina. Hemos utilizado mutaciones que eliminan subtipos específicos de células R o alteran su organización retiniana para definir los mecanismos celulares que generan este patrón. Los axones de las células R están programados para buscar objetivos dentro de una región local en la lámina, pero su selección de objetivos postsinápticos apropiados requiere interacciones específicas entre los conos de crecimiento de las células R. La orientación de las proyecciones está controlada tanto por la disposición espacial de las células R en la retina como por señales en el objetivo.


    Ver el vídeo: Estructura del cromosoma (Agosto 2022).