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O hipota¡lamo éanterior a  origem dos vertebrados
Essas observaa§aµes destacaram como o hipota¡lamo antecede a evolua§a£o do cérebro dos vertebrados.
Por Thamarasee Jeewandara, - 29/05/2021


Mapa do cérebro. (A) gra¡fico 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 vesa­cula sensorial. As células cinzentas correspondem a células fora da vesa­cula sensorial. A identificação dos diferentes clusters foi determinada na fase de larva pela expressão de repa³rteres fluorescentes de membrana sob o controle de sequaªncias regulata³rias para genes enriquecidos no cluster de interesse: (B) FoxP + RNs expressando sequaªncias regulata³rias FoxP especificamente ativas no sistema nervoso (FoxP -NS repa³rter; verde), (C) VPR + RNs (repa³rter Acta; magenta), (D) INs GABAanãrgicos (repa³rter Otp; azul), (E) Stum + PRCs (repa³rter Stum; ciano), (F) células de lente (Glgb2 repa³rter; aqua), (G) as células ciliadas associadas ao ota³lito (OACCs) (repa³rter Capn15; vermelho), (H) mudar os neura´nios (repa³rter L147.32; amarelo), (I) as células ependima¡rias Hh2 + (ECs) (repa³rter S23a1; bege) e (J) a vesa­cula sensorial pra³-anterior Six3 / 6 + (aSV) (repa³rter Anx13; rosa). A descrição dos genes de fusão usados ​​nos ensaios repa³rter e o número de ranãplicas são fornecidos na tabela S1. Barras de escala, 10 μm. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abf7452

O hipota¡lamo estãoenvolvido durante a coordenação das funções neuroenda³crinas 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 regiaµes do hipota¡lamo dos vertebrados, incluindo o núcleo mamilar , núcleo arqueado e neura´nios magnocelulares . Essas observações destacaram como o hipota¡lamo antecede a evolução do cérebro dos vertebrados. A crista neural e os placodos cranianossão inovações importantes que contribua­ram para a evolução da cabea§a 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 gena´mica integrativa da Universidade de Princeton, New Jersey, EUA, usaram um extenso mapa de destino transcriptoma de canãlula única do girino Ciona para caracterizar o sistema neural tipos de células que compõem seu cérebro, também conhecidos como vea­culo sensorial .

O hipota¡lamo

A vesa­cula sensorial do girino Ciona contanãm 215 células neurais, incluindo 143 neura´nios, e éa principal responsável por retransmitir informações sensoriais, incluindo luz, gravidade e sinais meca¢nicos para o ga¢nglio 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 sina¡ptico, Lemaire et al. estudou as origens evolutivas do cérebro dos vertebrados, especificamente o hipota¡lamo. O hipota¡lamo tem origens antigas e forma uma antiga regia£o do cérebro dos vertebrados. A construção éencontrada em todos os vertebrados, incluindo peixes e humanos, o hipota¡lamo controla a homeostase, o metabolismo e as funções reprodutivas por meio de intrincados circuitos neurais interconectados. Neste trabalho, Lemaire et al. propaµem que a principal função do proto-hipota¡lamo de Ciona seja desencadear o ini­cio da metamorfose das espanãcies de girinos.

Mapa do cérebro

Os cientistas realizaram o perfil do transcriptoma de uma única canãlula da embriogaªnese de Ciona intestinalis, desde a gastrulação atéas larvas nadadoras, para identificar 40 agrupamentos de células estoca¡sticas vizinhas distribua­das por t (t-SNE) do SNC (sistema nervoso central) e sistema nervoso perifanãrico. Lemaire et al. mapearam cada um dos tipos de células neurais que compreendem o cérebro simples dos girinos, também conhecido como suas vesa­culas sensoriais. Com base nos estudos, eles identificaram 15 diferentes tipos de células neurais, incluindo células coronet previamente identificadas , neura´nios de Eminens e células de pigmento. Usando genes repa³rter específicos para neura´nios, a equipe identificou uma sanãrie de neura´nios de retransmissão (RNs), incluindo aqueles que expressavam vasopressina e taquicinina (FoxP + ), além de outras que expressam o receptor de vasopressina (VPR + ). Os neura´nios de retransmissão FoxP + eram colinanãrgicos enquanto os neura´nios de retransmissão VPR + eram GABAanãrgicos . Os pesquisadores identificaram uma população subestimada de supostos neura´nios mecanossensoriais, que eles renomearam como "neura´nios alternativos", correspondendo a interneura´nios cerebrais ciliados no mapa conectoma do SNC dos girinos.

 
Circuito associado ao coronet em girinos nadadores. (A e B) Expressão de genes repa³rter
para melanopsina [(A), verde] ou pinopsina [(B), verde] e um gene repa³rter Ptf1a (vermelho)
em células coronetas. (C) Os neura´nios switch (repa³rter L147.32; magenta) estão
intimamente associados a s células da coroneta (repa³rter Ptf1a; ciano) e ao ota³lito (repa³rter
βγ-cristalino; amarelo) sem tocar no último. (D) A coexpressão dos genes repa³rter Ptf1a e
Adra2 (vermelho e verde, respectivamente) também mostra associações estreitas de
neura´nios switch e células coronetas. (E a E ″) Visualizações de ampliação mais alta dos
genes repa³rter mostrados em (D). (E) éuma projeção z, (E ′) uma projeção y e (E ″) uma
projeção x, que destaca os contatos canãlula-canãlula extensos entre neura´nios switch e células
coronetas. (F) A expressão de um gene repa³rter FoxP + (verde) mostra o contato pra³ximo
de FoxP + RNs com células de coroneta (repa³rter Ptf1a; vermelho). (G a G ″) Visualizações
de ampliação mais alta dos genes repa³rter mostrados em (F), correspondendo a s projeções
z-, y- e x, respectivamente. (H) gra¡fico de t-SNE da expressão de Pkd2l em todo o sistema
nervoso (n = 2021 células). O ca­rculo pontilhado amarelo e a seta indicam os neura´nios de
switch, enquanto o ca­rculo pontilhado verde e a seta apontam para FoxP + RNs. (I) A
imunocoloração para tubulina acetilada (vermelho) revela ca­lios em neura´nios switch que
foram marcados com repa³rter C2.478 (verde). Todos os ensaios repa³rter foram analisados
​​no esta¡gio de larva. Os genes repa³rteres codificam para protea­nas fluorescentes de
membrana e sua descrição, bem como o número de ranãplicas, são fornecidos na tabela
S1. Linhas tracejadas brancas indicam o contorno das regiaµes do tronco dos girinos,
enquanto as linhas amarelas pontilhadas e tracejadas identificam o pigmento do ocelo e
do ota³lito, 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 hipota¡lamo dos vertebrados, uma vez que liberaram dopamina para expressar diversos neuropepta­deos, incluindo neurotensina-like B e horma´nio liberador de gonadotropina (Gnrh). No entanto, essas células foram previamente descritas para compartilhar semelhanças morfola³gicas com as células da coroneta ou uma regia£o do hipota¡lamo 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 horma´nio estimulador da tireoide, seguido pela secreção de Gnrh (horma´nio liberador de gonadotrofina) como em outros criadores sazonais. O trabalho mostrou como as células coronetas funcionavam como células sensoriais sensa­veis a  luz em relação a s suas atividades dopaminanãrgicas e neurossecretoras. As células coronet também interagiram com neura´nios adjacentes, como neura´nios switch e neura´nios retransmissores FoxP + . Com base em sua posição anatômica, os neura´nios switch correspondiam a interneura´nios cerebrais ciliados. Com base nas associações canãlula-canãlula, os neura´nios de retransmissão VPR + também receberam entradas de neura´nios de switch.

Neura´nios de interruptor mecanossensorial

Estudos anteriores haviam mostrado que as células coronet são um na³ sensorial central para neura´nios associados e neura´nios 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 neura´nios switch ou neura´nios retransmissores FoxP + . Lemaire et al. portanto, concentrou-se em neura´nios alternados devido a seus papanãis como tipos de células mecanossensoriais especializadas em vertebrados, incluindo o la­quido cefalorraquidiano contendo neura´nios presentes ao longo do canal central e as cavidades ventriculares do cérebro, incluindo o hipota¡lamo . Além disso, não se sabe muito sobre o desenvolvimento ou função dos neura´nios de contato do la­quido cefalorraquidiano de vertebrados(CSF-cNs). Para compreender sua ontogenia, Lemaire et al. criou uma rede de regulação gaªnica provisãoria para neura´nios de switch, usando manãtodos publicados anteriormente. A equipe identificou trajeta³rias de transcriptoma e cascatas temporais de genes que codificam fatores de transcrição nas linhagens celulares para formar neura´nios alternativos. Eles representaram as interconexões resultantes como uma rede de genes provisãoria. Como prova de conceito, eles usaram ensaios de sequenciamento de RNA de canãlula única (scRNA-seq) para entender os tipos de células que são transformadas em neura´nios switch após a expressão incorreta de um gene, para testar a autenticidade da rede.

Integração do transcriptoma de canãlula única do hipota¡lamo 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 canãlula
única do sistema nervoso Ciona (cauda final II e esta¡gio de larva; n = 4445 células) e
hipota¡lamo de camundongo (n = 33.893 células) com base em genes orta³logos compartilhados. Os neura´nios 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 neura´nios de troca Ciona e VP + / VPR +
RNs, respectivamente. O agrupamento não supervisionado éconsistente com a ortologia
dos neura´nios 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 hipota¡lamo de camundongo e do sistema nervoso de Ciona

A equipe formou um circuito sensorial putativo apresentando células coronetas como um na³ central, em associação com neura´nios mecanossensoriais de switch e os neura´nios de retransmissão. Os estudos existentes juntamente com a demonstração atual de células coronetas que expressam melanopsina e pinopsina forneceram evidaªncias considera¡veis ​​para a homologia com o hipota¡lamo de vertebrados. Para testar se os neura´nios de retransmissão e o switch associado podem compartilhar homologia com o hipota¡lamo, 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 hipota¡lamo de camundongo. Os estudos identificaram duas linhagens Ciona que combinavam com dois grupos diferentes de células hipotala¢micas de camundongo. As análises de transcriptoma comparativas combinadas sugeriram que o circuito neural associado a  coroneta contanãm vários tipos de células em relação a diferentes regiaµes do hipota¡lamo de camundongo.

Panorama

Desta forma, Laurence A. Lemaire e colegas identificaram 15 tipos de células diferentes na vesa­cula sensorial das larvas de Ciona, enquanto o mapa do conectoma identificou 31 tipos de células. A equipe acredita que essa disparidade reflete os diferentes manãtodos de classificação. Por exemplo, eles observaram como um aºnico tipo de canãlula baseado em propriedades genanãticas intra­nsecas poderia adquirir comportamentos distintos por meio de associações com diferentes neura´nios. Os cientistas descreveram cinco tipos diferentes de neura´nios de retransmissão com base nas trajeta³rias e perfis do transcriptoma, enquanto o mapa do conectoma identificou 11 desses neura´nios em relação a s entradas sina¡pticas. Os resultados sugeriram que a morfologia simples do cérebro de Ciona contanãm um proto- hipota¡lamo complexo com um papel durante o ini­cio da metamorfose nos girinos. Independentemente da função pretendida, este trabalho indica a evidência de vários tipos de células hipotala¢micas em Ciona para sugerir um projeto inesperadamente sofisticado para a evolução do complexo cérebro de vertebrados.

 

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