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O hipotálamo é anterior à origem dos vertebrados
Essas observações destacaram como o hipotálamo antecede a evolução do cérebro dos vertebrados.
Por Thamarasee Jeewandara, - 29/05/2021


Mapa do cérebro. (A) gráfico t-SNE das células do sistema nervoso Ciona em girinos nadadores (n = 2.021 células). As células codificadas por cores pertencem a tipos de células na vesícula sensorial. As células cinzentas correspondem a células fora da vesícula sensorial. A identificação dos diferentes clusters foi determinada na fase de larva pela expressão de repórteres fluorescentes de membrana sob o controle de sequências regulatórias para genes enriquecidos no cluster de interesse: (B) FoxP + RNs expressando sequências regulatórias FoxP especificamente ativas no sistema nervoso (FoxP -NS repórter; verde), (C) VPR + RNs (repórter Acta; magenta), (D) INs GABAérgicos (repórter Otp; azul), (E) Stum + PRCs (repórter Stum; ciano), (F) células de lente (Glgb2 repórter; aqua), (G) as células ciliadas associadas ao otólito (OACCs) (repórter Capn15; vermelho), (H) mudar os neurônios (repórter L147.32; amarelo), (I) as células ependimárias Hh2 + (ECs) (repórter S23a1; bege) e (J) a vesícula sensorial pró-anterior Six3 / 6 + (aSV) (repórter Anx13; rosa). A descrição dos genes de fusão usados ​​nos ensaios repórter e o número de réplicas são fornecidos na tabela S1. Barras de escala, 10 μm. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abf7452

O hipotálamo está envolvido durante a coordenação das funções neuroendócrinas em vertebrados e sua origem evolutiva pode ser descrita por meio do transcriptoma integrado ou mapas cerebrais conectomas de girinos nadadores de Ciona intestinalis , também conhecido como vaso marinho. Esses organismos servem como uma aproximação de seu protovertebrado ancestral. O mapa incluiu vários tipos de células em relação a diferentes regiões do hipotálamo dos vertebrados, incluindo o núcleo mamilar , núcleo arqueado e neurônios magnocelulares . Essas observações destacaram como o hipotálamo antecede a evolução do cérebro dos vertebrados. A crista neural e os placodos cranianossão inovações importantes que contribuíram para a evolução da cabeça dos vertebrados. No entanto, menos se sabe sobre a origem evolutiva da coroa e cume do cérebro dos vertebrados. Em um novo estudo agora na Science Advances , Laurence A. Lemaire e uma equipe de pesquisa em biologia molecular e genômica integrativa da Universidade de Princeton, New Jersey, EUA, usaram um extenso mapa de destino transcriptoma de célula única do girino Ciona para caracterizar o sistema neural tipos de células que compõem seu cérebro, também conhecidos como veículo sensorial .

O hipotálamo

A vesícula sensorial do girino Ciona contém 215 células neurais, incluindo 143 neurônios, e é a principal responsável por retransmitir informações sensoriais, incluindo luz, gravidade e sinais mecânicos para o gânglio motor que controla a cauda do girino. O sistema nervoso central (SNC) de Ciona facilitou mapas de linhagem para permitir o primeiro conectoma abrangente de um acorde. Na tentativa de incluir o conectoma sináptico, Lemaire et al. estudou as origens evolutivas do cérebro dos vertebrados, especificamente o hipotálamo. O hipotálamo tem origens antigas e forma uma antiga região do cérebro dos vertebrados. A construção é encontrada em todos os vertebrados, incluindo peixes e humanos, o hipotálamo controla a homeostase, o metabolismo e as funções reprodutivas por meio de intrincados circuitos neurais interconectados. Neste trabalho, Lemaire et al. propõem que a principal função do proto-hipotálamo de Ciona seja desencadear o início da metamorfose das espécies de girinos.

Mapa do cérebro

Os cientistas realizaram o perfil do transcriptoma de uma única célula da embriogênese de Ciona intestinalis, desde a gastrulação até as larvas nadadoras, para identificar 40 agrupamentos de células estocásticas vizinhas distribuídas por t (t-SNE) do SNC (sistema nervoso central) e sistema nervoso periférico. Lemaire et al. mapearam cada um dos tipos de células neurais que compreendem o cérebro simples dos girinos, também conhecido como suas vesículas sensoriais. Com base nos estudos, eles identificaram 15 diferentes tipos de células neurais, incluindo células coronet previamente identificadas , neurônios de Eminens e células de pigmento. Usando genes repórter específicos para neurônios, a equipe identificou uma série de neurônios de retransmissão (RNs), incluindo aqueles que expressavam vasopressina e taquicinina (FoxP + ), além de outras que expressam o receptor de vasopressina (VPR + ). Os neurônios de retransmissão FoxP + eram colinérgicos enquanto os neurônios de retransmissão VPR + eram GABAérgicos . Os pesquisadores identificaram uma população subestimada de supostos neurônios mecanossensoriais, que eles renomearam como "neurônios alternativos", correspondendo a interneurônios cerebrais ciliados no mapa conectoma do SNC dos girinos.

 
Circuito associado ao coronet em girinos nadadores. (A e B) Expressão de genes repórter
para melanopsina [(A), verde] ou pinopsina [(B), verde] e um gene repórter Ptf1a (vermelho)
em células coronetas. (C) Os neurônios switch (repórter L147.32; magenta) estão
intimamente associados às células da coroneta (repórter Ptf1a; ciano) e ao otólito (repórter
βγ-cristalino; amarelo) sem tocar no último. (D) A coexpressão dos genes repórter Ptf1a e
Adra2 (vermelho e verde, respectivamente) também mostra associações estreitas de
neurônios switch e células coronetas. (E a E ″) Visualizações de ampliação mais alta dos
genes repórter mostrados em (D). (E) é uma projeção z, (E ′) uma projeção y e (E ″) uma
projeção x, que destaca os contatos célula-célula extensos entre neurônios switch e células
coronetas. (F) A expressão de um gene repórter FoxP + (verde) mostra o contato próximo
de FoxP + RNs com células de coroneta (repórter Ptf1a; vermelho). (G a G ″) Visualizações
de ampliação mais alta dos genes repórter mostrados em (F), correspondendo às projeções
z-, y- e x, respectivamente. (H) gráfico de t-SNE da expressão de Pkd2l em todo o sistema
nervoso (n = 2021 células). O círculo pontilhado amarelo e a seta indicam os neurônios de
switch, enquanto o círculo pontilhado verde e a seta apontam para FoxP + RNs. (I) A
imunocoloração para tubulina acetilada (vermelho) revela cílios em neurônios switch que
foram marcados com repórter C2.478 (verde). Todos os ensaios repórter foram analisados
​​no estágio de larva. Os genes repórteres codificam para proteínas fluorescentes de
membrana e sua descrição, bem como o número de réplicas, são fornecidos na tabela
S1. Linhas tracejadas brancas indicam o contorno das regiões do tronco dos girinos,
enquanto as linhas amarelas pontilhadas e tracejadas identificam o pigmento do ocelo e
do otólito, respectivamente. Barras de escala, 10 μm (A, B, E e G) e 20 μm (C, D, F e I).
Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abf7452

Circuito neuronal

Os cientistas já haviam identificado semelhanças entre as células da coroneta e o hipotálamo dos vertebrados, uma vez que liberaram dopamina para expressar diversos neuropeptídeos, incluindo neurotensina-like B e hormônio liberador de gonadotropina (Gnrh). No entanto, essas células foram previamente descritas para compartilhar semelhanças morfológicas com as células da coroneta ou uma região do hipotálamo presente em peixes não tropicais. As células da tiara de peixe também expressaram melanopsina e detectaram uma luz de comprimento de onda curto associada ao alongamento sazonal da luz do dia para desencadear a reprodução ao liberar um hormônio estimulador da tireoide, seguido pela secreção de Gnrh (hormônio liberador de gonadotrofina) como em outros criadores sazonais. O trabalho mostrou como as células coronetas funcionavam como células sensoriais sensíveis à luz em relação às suas atividades dopaminérgicas e neurossecretoras. As células coronet também interagiram com neurônios adjacentes, como neurônios switch e neurônios retransmissores FoxP + . Com base em sua posição anatômica, os neurônios switch correspondiam a interneurônios cerebrais ciliados. Com base nas associações célula-célula, os neurônios de retransmissão VPR + também receberam entradas de neurônios de switch.

Neurônios de interruptor mecanossensorial

Estudos anteriores haviam mostrado que as células coronet são um nó sensorial central para neurônios associados e neurônios de retransmissão FoxP + . Embora informações detalhadas existam atualmente nas redes que sustentam as especificações das células coronetas, não se sabe muito sobre o desenvolvimento de neurônios switch ou neurônios retransmissores FoxP + . Lemaire et al. portanto, concentrou-se em neurônios alternados devido a seus papéis como tipos de células mecanossensoriais especializadas em vertebrados, incluindo o líquido cefalorraquidiano contendo neurônios presentes ao longo do canal central e as cavidades ventriculares do cérebro, incluindo o hipotálamo . Além disso, não se sabe muito sobre o desenvolvimento ou função dos neurônios de contato do líquido cefalorraquidiano de vertebrados(CSF-cNs). Para compreender sua ontogenia, Lemaire et al. criou uma rede de regulação gênica provisória para neurônios de switch, usando métodos publicados anteriormente. A equipe identificou trajetórias de transcriptoma e cascatas temporais de genes que codificam fatores de transcrição nas linhagens celulares para formar neurônios alternativos. Eles representaram as interconexões resultantes como uma rede de genes provisória. Como prova de conceito, eles usaram ensaios de sequenciamento de RNA de célula única (scRNA-seq) para entender os tipos de células que são transformadas em neurônios switch após a expressão incorreta de um gene, para testar a autenticidade da rede.

Integração do transcriptoma de célula única do hipotálamo de camundongo com o
sistema nervoso de Ciona. (A) Aproximação e projeção de variedade uniforme (UMAP)
mostrando o agrupamento integrado de conjuntos de dados de transcriptoma de célula
única do sistema nervoso Ciona (cauda final II e estágio de larva; n = 4445 células) e
hipotálamo de camundongo (n = 33.893 células) com base em genes ortólogos compartilhados. Os neurônios de troca de Ciona e o núcleo mamilar do camundongo
são colocados no mesmo cluster. (B) Colocalização de Ciona VP + RNs, VPR + RNs e
agrupamento de núcleo arqueado Agrp + de camundongo nos dados integrados. (C)
Mapa de calor de genes marcadores compartilhados entre o núcleo mamilar de camundongo
e agrupamentos de núcleos arqueados Agrp + e neurônios de troca Ciona e VP + / VPR +
RNs, respectivamente. O agrupamento não supervisionado é consistente com a ortologia
dos neurônios switch de Ciona e do núcleo mamilar do camundongo, e
Ciona VP + / VPR + RNs e núcleo arqueado Agrp + de
camundongo. Crédito: Science Advances,
doi: 10.1126 / sciadv.abf7452

Mapas de ortologia do hipotálamo de camundongo e do sistema nervoso de Ciona

A equipe formou um circuito sensorial putativo apresentando células coronetas como um nó central, em associação com neurônios mecanossensoriais de switch e os neurônios de retransmissão. Os estudos existentes juntamente com a demonstração atual de células coronetas que expressam melanopsina e pinopsina forneceram evidências consideráveis ​​para a homologia com o hipotálamo de vertebrados. Para testar se os neurônios de retransmissão e o switch associado podem compartilhar homologia com o hipotálamo, Lemaire et al. realizado transcriptoma completo para cada um dos 40 tipos de células neurais que compõem o sistema nervoso de Ciona e os comparou com os mapas do transcriptoma do hipotálamo de camundongo. Os estudos identificaram duas linhagens Ciona que combinavam com dois grupos diferentes de células hipotalâmicas de camundongo. As análises de transcriptoma comparativas combinadas sugeriram que o circuito neural associado à coroneta contém vários tipos de células em relação a diferentes regiões do hipotálamo de camundongo.

Panorama

Desta forma, Laurence A. Lemaire e colegas identificaram 15 tipos de células diferentes na vesícula sensorial das larvas de Ciona, enquanto o mapa do conectoma identificou 31 tipos de células. A equipe acredita que essa disparidade reflete os diferentes métodos de classificação. Por exemplo, eles observaram como um único tipo de célula baseado em propriedades genéticas intrínsecas poderia adquirir comportamentos distintos por meio de associações com diferentes neurônios. Os cientistas descreveram cinco tipos diferentes de neurônios de retransmissão com base nas trajetórias e perfis do transcriptoma, enquanto o mapa do conectoma identificou 11 desses neurônios em relação às entradas sinápticas. Os resultados sugeriram que a morfologia simples do cérebro de Ciona contém um proto- hipotálamo complexo com um papel durante o início da metamorfose nos girinos. Independentemente da função pretendida, este trabalho indica a evidência de vários tipos de células hipotalâmicas em Ciona para sugerir um projeto inesperadamente sofisticado para a evolução do complexo cérebro de vertebrados.

 

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