Descobrir como centenas de tipos diferentes de células cerebrais se desenvolvem a partir da expressão única de milhares de genes promete não apenas avançar na compreensão de como o cérebro funciona na saúde, mas também do que acontece de errado nas doenças. Um novo estudo do MIT que investiga com precisão esta “lógica molecular” em dois tipos de neurônios da   mosca da fruta Drosophila mostra que mesmo células semelhantes empurram e puxam muitas alavancas para desenvolver funções distintas.

No estudo publicado na  Neuron , uma equipe de neurobiólogos do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória descobriu que os dois subtipos neuronais intimamente relacionados diferiam um do outro na forma como expressavam mais de 800 genes, ou cerca de 5% do total de genes codificados no genoma da mosca. Ao manipular genes cuja expressão diferia de forma mais proeminente, os cientistas conseguiram mostrar como produziam várias das diferenças observáveis entre as células.

“Há um esforço global na neurociência para identificar todos os diferentes tipos de neurônios para definir suas propriedades únicas e seus perfis de expressão genética”, diz o autor sênior do estudo, Troy Littleton,  professor de neurociência da Menicon nos departamentos de Biologia e Ciências do Cérebro e Cognitivas do MIT. “Essa informação pode ser usada como um kit de ferramentas para estudar como os genes de doenças recém-descobertos são mapeados nesses neurônios específicos para indicar quais podem ser mais afetados em distúrbios cerebrais específicos.

“Queríamos usar  Drosophila  como uma forma de ver se podemos, de fato, determinar como o transcriptoma de dois neurônios semelhantes é usado diferencialmente para entender quais genes-chave especificam suas propriedades estruturais e funcionais únicas.”

Os dois tipos de neurônios comparados no estudo emergem do análogo da medula espinhal da mosca para controlar os músculos, liberando o neurotransmissor glutamato em conexões chamadas sinapses. As principais diferenças funcionais dos neurônios são que os neurônios “fásicos” se conectam a muitos músculos e emitem grandes e ocasionais explosões de glutamato, enquanto os neurônios “tônicos” se conectam cada um a apenas um músculo e fornecem um gotejamento mais constante da substância química. Essa dualidade, que também é encontrada nos neurônios do cérebro humano, proporciona uma gama flexível de controle.

O pós-doutorado do Instituto Picower, Suresh Jetti, liderou o esforço no laboratório de Littleton para determinar como esses dois neurônios desenvolvem suas diferenças. A equipe começou com uma caracterização incomumente profunda de como os dois tipos de células diferem em forma e função e, em seguida, analisou com alta precisão os perfis de expressão gênica, ou transcriptomas.

Num exame mais atento, as células tônicas e fásicas mostraram uma variedade de diferenças importantes. Os neurônios fásicos fazem menos sinapses em um músculo individual do que os tônicos, mas como inervam muito mais músculos, os neurônios fásicos precisam fazer cerca de quatro vezes mais sinapses no total. Os neurônios tônicos recebem mais informações de outros neurônios graças ao alcance mais amplo dos dendritos (os ramos que levam à célula). Do lado da saída, os neurônios fásicos produziam sinais muito mais poderosos quando estimulados e eram mais propensos a enviá-los do que os neurônios tônicos. A análise mostrou que os locais sinápticos que estimulam a liberação de glutamato, chamados zonas ativas (AZs), absorveram mais íons de cálcio nos neurônios fásicos do que nos tônicos.

Uma descoberta particularmente nova e intrigante foi que as AZs nos neurônios tônicos e fásicos assumiram formas diferentes. Os AZs tônicos eram redondos, como donuts, enquanto os fásicos eram mais triangulares ou em forma de estrela. Littleton levanta a hipótese de que esta diferença poderia permitir que mais íons de cálcio se aglomerassem nas zonas fásicas ativas, talvez explicando suas maiores explosões de liberação de glutamato em comparação com os neurônios tônicos.

Para avaliar a expressão genética, Jetti empregou uma técnica chamada “isoforma patchseq”, na qual identificou exactamente os mesmos neurónios tónicos e fásicos em centenas de moscas e extraiu ARN dos seus núcleos e corpos celulares individuais. A técnica, embora muito trabalhosa, forneceu à equipe uma veia extraordinariamente rica de informações transcriptômicas precisamente das células de interesse, diz Littleton, incluindo não apenas como a expressão gênica diferia entre os dois tipos de células, mas também como o splicing genético e a edição de RNA eram diferentes.

Ao todo, a expressão de 822 genes foi significativamente diferente entre os dois tipos de neurônios. Sabia-se que cerca de 35 genes ajudavam a orientar o crescimento dos ramos do axónio que os neurónios estendem para forjar as suas ligações com os músculos – um conjunto de diferenças pertinentes para explicar por que os neurónios tónicos inervam apenas um músculo, enquanto os fásicos inervam muitos. Outros genes expressos diferencialmente relacionados à estrutura e função das sinapses, enquanto mais de 20 outros sugeriram diferenças nas substâncias químicas neuromodulatórias às quais cada neurônio era sensível como entradas.

A equipe descobriu que as proteínas de transporte eram expressas de forma mais proeminente nos neurônios fásicos, talvez explicando como elas acompanham a maior demanda para criar mais sinapses em muitos músculos. A equipe também descobriu que, enquanto os neurônios tônicos expressam genes de “sialilação” para anexar açúcares às proteínas em sua membrana sináptica, os fásicos expressam genes únicos de “ubiquitina” que decompõem proteínas.

Depois de documentar quais genes eram mais proeminentemente diferentes, a equipe decidiu determinar o que eles faziam ao interromper sua função e ver como isso afetava as células.

Por exemplo, Jetti, Littleton e colegas descobriram que a interferência em genes específicos de ubiquitinação fazia com que os neurônios fásicos crescessem demais nas sinapses. A interrupção da sialilação, entretanto, causou crescimento sináptico em neurônios tônicos. Os neurônios tônicos também expressaram 40 vezes mais de um gene chamado Wnt4, e a interrupção do Wnt4 reduziu o crescimento sináptico nesta população de neurônios.

Os cientistas também descobriram que os neurônios fásicos expressam um gene tampão de íons de cálcio 30 vezes mais do que os tônicos. Quando mutaram esse gene para perturbar a sua função, descobriram que os neurónios fásicos, que normalmente têm níveis basais mais baixos de cálcio, apresentam agora níveis mais elevados de cálcio em repouso, semelhantes aos neurónios tónicos.

E em outro experimento eles mostraram que poderiam perturbar distintamente as formas AZ de cada célula, interferindo nos genes do citoesqueleto que cada neurônio expressava de maneira especialmente elevada. Quando a equipe reduziu um gene que os neurônios fásicos expressam muito, seus AZs tornaram-se alongados, mas os AZs tônicos não foram afetados. Quando a equipe reduziu um gene que os neurônios fásicos expressam altamente, seus AZs tornaram-se menos redondos sem afetar os AZs nas células fásicas.

Ao todo, a análise permitiu à equipe começar a construir um modelo das diferenças moleculares que diferenciam as duas células, embora Littleton tenha dito que ainda há mais trabalho para entender como o repertório completo de diferenças de expressão gênica define as propriedades únicas dos dois neurônios. subtipos.

Além de Littleton e Jetti, os outros autores do artigo são Andres Crane, Yulia Akbergenova, Nicole Aponte-Santiago, Karen Cunningham e Charles Whittaker.

A Fundação JPB, o Instituto Picower de Aprendizagem e Memória e os Institutos Nacionais de Saúde financiaram a pesquisa.