La identidad y el comportamiento de los precursores neuronales y su progenie están controlados por complejas redes de regulación génica integradas por genes del desarrollo que se expresan de forma dinámica y precisa en el tiempo y el espacio. Los cambios en la expresión de estos genes del desarrollo se han asociado a una amplia variedad de alteraciones del neurodesarrollo y trastornos cerebrales, pero los cambios en la regulación génica también se han correlacionado con la evolución del córtex humano.
Nuestra investigación aborda el estudio de los mecanismos transcripcionales que controlan la expresión de los genes del neurodesarrollo humano y cómo su alteración conduce a condiciones cerebrales patológicas utilizando organoides cerebrales humanos (agregados 3D derivados de células iPS o ES humanas que recapitulan el desarrollo y la organización de la corteza embrionaria humana) como sistema modelo y combinando la edición del genoma, los métodos de transgénesis en células iPS humanas y los enfoques de NGS para la caracterización transcripcional, epigenética y conformacional 3D de la cromatina.

1) Caracterización del código cis-regulador de genes humanos del neurodesarrollo y del papel de la organización 3D de la cromatina en su control transcripcional
Los genes del desarrollo suelen estar controlados por combinaciones de Elementos Reguladores en Cis (ERCs) que pueden situarse lejos de sus loci diana (hasta 1 Mb), e interactuar con ellos a través de bucles de cromatina. Los paisajes reguladores de los genes se organizan en dominios tridimensionales denominados TAD (Topologically Associated Domains): estructuras a escala megabase que limitan las interacciones entre loci de ADN, favoreciendo así los contactos de largo alcance entre potenciadores y promotores, al tiempo que impiden las interacciones fuera del objetivo. Por tanto, la interacción entre la arquitectura de la cromatina y la actividad de los ERCs desempeña un papel fundamental en el control de la expresión génica del desarrollo. Actualmente está bien establecido que las mutaciones que afectan a la actividad ERC o a la arquitectura de la TAD tienen profundos efectos sobre el desarrollo y las funciones del sistema nervioso embrionario. Aunque la investigación de los perfiles epigenéticos y conformacionales de la cromatina ha permitido identificar más de un millón de secuencias con supuestas funciones reguladoras en el genoma humano (aproximadamente 50.000 de ellas activas en el feto humano), sólo una pequeña proporción de ellas se ha caracterizado funcionalmente. Menos aún se sabe cómo las mutaciones que afectan a la actividad y/o las interacciones de estas secuencias reguladoras provocan cambios en la expresión génica y, en última instancia, alteraciones/trastornos cerebrales. El uso de organoides cerebrales como sistema modelo para el estudio de la regulación génica del neurodesarrollo humano permite superar las limitaciones relacionadas con la fuerte divergencia genética del genoma no codificante humano en comparación con el de otras especies modelo de mamíferos/vertebrados, al tiempo que se aprovecha la amenidad de las células iPS/ES humanas para las manipulaciones genéticas.
Combinamos enfoques de transgénesis y edición genómica para caracterizar funcionalmente las secuencias reguladoras que controlan la expresión de genes clave del neurodesarrollo. Además, investigamos cómo las mutaciones en estas secuencias impactan en su actividad y conducen a cambios en la expresión de sus genes diana. Uno de los principales loci de interés de nuestro grupo es el gen humano TBR2, que codifica para un factor de transcripción con un papel crítico en el proceso neurogénico, controlando la proliferación/diferenciación de progenitores intermedios y para el que se ha descrito que una gran inversión genómica que abarca su putativo paisaje regulador que se ha asociado con graves alteraciones del desarrollo cerebral. Finalmente, investigamos cómo la compleja organización 3D de la cromatina de los loci del neurodesarrollo humano contribuye a su regulación combinando técnicas de captura de la conformación de la cromatina (HiC, 4Cseq) y otros enfoques -ómicos para la caracterización de los perfiles epigenéticos y transcripcionales, con el uso de la edición genómica CRISPR/Cas9 para producir deleciones/inversiones genómicas que alteran la organización 3D de los dominios reguladores de los loci del neurodesarrollo.

2) Caracterización de los mecanismos epigenéticos que controlan la expresión génica del neurodesarrollo humano.
La expresión génica está fuertemente regulada a nivel epigenético, lo que incluye la modificación postraduccional de las histonas, así como el control de la composición y compactación de los nucleosomas. En última instancia, estos cambios modulan el acceso del factor de transcripción y de la maquinaria transcripcional a las secuencias reguladoras de los genes y a sus loci diana, lo que repercute en su actividad y permite la herencia de los estados transcripcionales celulares. Aunque los modificadores epigenéticos suelen expresarse ampliamente en todos los tipos celulares y etapas del desarrollo, su pérdida de función suele asociarse a alteraciones del desarrollo cerebral. Investigamos los mecanismos epigenéticos que contribuyen a la regulación del proceso de neurogénesis cortical humana y cómo su alteración conduce a condiciones patológicas cerebrales.
En particular, estamos estudiando el papel del gen CHD2, miembro de la familia CHD de remodeladores de la cromatina, que aprovecha la energía de la hidrólisis del ATP para modificar la composición y compactación de las histonas de los nucleosomas. Las mutaciones en la secuencia codificante del CHD2 se han asociado a un amplio espectro de trastornos del neurodesarrollo, como la encefalopatía epiléptica, el autismo, el déficit cognitivo, la microcefalia, etc. De hecho, CHD2 es el modificador epigenético más frecuentemente mutado en trastornos epilépticos en humanos. Combinamos la edición genómica CRISPR y cultivos de organoides cerebrales humanos con la secuenciación de nueva generación de perfiles epigenéticos y transcripcionales de la cromatina para estudiar (i) los mecanismos moleculares por los que CHD2 contribuye a la generación de neuronas corticales glutamatérgicas y gabaérgicas, y (ii) cómo las mutaciones en este gen impactan en el desarrollo del córtex dando lugar a la variedad de fenotipos patológicos observados en pacientes