Tecnologia Científica

Nova técnica revela genes subjacentes à evolução humana
Os pesquisadores compararam a regulação gênica relacionada ao desenvolvimento do cérebro e da face em humanos e chimpanzés usando uma nova técnica. Em ambos os casos, eles descobriram novas diferenças genéticas entre essas espécies.
Por Taylor Kubota - 18/03/2021

Uma das melhores maneiras de estudar a evolução humana é comparando-nos com espécies não humanas que, evolutivamente falando, estão intimamente relacionadas a nós. Essa proximidade pode ajudar os cientistas a restringir precisamente o que nos torna humanos, mas esse escopo é tão estreito que também pode ser extremamente difícil de definir. Para resolver essa complicação, pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram uma nova técnica para comparar diferenças genéticas.

Imagem, de pesquisa anterior, de esferóides corticais humanos derivada do
laboratório de Sergiu Pașca, professor associado de psiquiatria e ciências do
comportamento. ( Crédito da imagem: Timothy Archibald )
(Crédito da imagem: Timothy Archibald)

Por meio de dois conjuntos separados de experimentos com essa técnica, os pesquisadores descobriram novas diferenças genéticas entre humanos e chimpanzés. Eles encontraram uma disparidade significativa na expressão do gene SSTR2 - que modula a atividade dos neurônios no córtex cerebral e foi relacionado, em humanos, a certas doenças neuropsiquiátricas, como demência de Alzheimer e esquizofrenia - e o gene EVC2 , que está relacionado para a forma facial. Os resultados foram publicados em 17 de março na Nature e na Nature Genetics , respectivamente.

“É importante estudar a evolução humana, não apenas para entender de onde viemos, mas também por que os humanos pegam tantas doenças que não são vistas em outras espécies”, disse Rachel Agoglia, uma estudante recém-graduada em genética de Stanford e autora principal do livro o jornal da Nature .

O artigo da Nature detalha a nova técnica, que envolve a fusão de células da pele humana e de chimpanzé que foram modificadas para agir como células-tronco - células altamente maleáveis ​​que podem ser estimuladas a se transformar em uma variedade de outros tipos de células (embora não um organismo completo).

“Essas células servem a um propósito específico muito importante neste tipo de estudo, permitindo-nos comparar precisamente os genes humanos e dos chimpanzés e suas atividades lado a lado”, disse Hunter Fraser, professor associado de biologia da Escola de Ciências Humanas de Stanford  . Fraser é autor sênior do artigo da Nature Genetics e coautor sênior do artigo da Nature com Sergiu Pașca, professor associado de psiquiatria e ciências comportamentais na Stanford  School of Medicine .

Fechar comparações

O laboratório Fraser está particularmente interessado em como a genética de humanos e de outros primatas se compara no nível dos elementos cis-reguladores, que afetam a expressão de genes próximos (localizados na mesma molécula de DNA, ou cromossomo). A alternativa - chamada de fatores trans-regulatórios - pode regular a expressão de genes distantes em outros cromossomos em outras partes do genoma. Devido aos seus amplos efeitos, os fatores trans-reguladores (como proteínas) são menos propensos a diferir entre as espécies intimamente relacionadas do que os elementos cis-reguladores.

Mas mesmo quando os cientistas têm acesso a células semelhantes de humanos e chimpanzés, há o risco de fatores de confusão. Por exemplo, as diferenças no tempo de desenvolvimento entre as espécies é um obstáculo significativo no estudo do desenvolvimento do cérebro, explicou Pașca. Isso ocorre porque os cérebros humanos e os cérebros dos chimpanzés se desenvolvem em taxas muito diferentes e não há uma maneira exata de compará-los diretamente. Ao alojar DNA humano e de chimpanzé no mesmo núcleo celular, os cientistas podem excluir a maioria dos fatores de confusão.

Para os experimentos iniciais usando essas células, Agoglia persuadiu as células a formarem os chamados esferóides corticais ou organoides - um feixe de células cerebrais que imita de perto o desenvolvimento do córtex cerebral de um mamífero. O laboratório Paşca tem estado na vanguarda do desenvolvimento de Organóides cerebrais e assembloids com a finalidade de pesquisar a forma como o cérebro humano é montado e como esse processo dá errado na doença.

“O cérebro humano é essencialmente inacessível no nível molecular e celular durante a maior parte de seu desenvolvimento, então introduzimos esferóides corticais para nos ajudar a ter acesso a esses processos importantes”, disse Pașca, que também é Bonnie Uytengsu e Diretora da Família de Stanford Brain Organogênese.

Conforme os grupos 3D de células cerebrais se desenvolvem e amadurecem em um prato, sua atividade genética imita o que acontece no neurodesenvolvimento inicial em cada espécie. Como o DNA humano e do chimpanzé estão ligados no mesmo ambiente celular, eles são expostos às mesmas condições e amadurecem em paralelo. Portanto, quaisquer diferenças observadas na atividade genética dos dois podem ser razoavelmente atribuídas a diferenças genéticas reais entre nossas duas espécies.

Através do estudo de organóides cerebrais derivados de células fundidas que foram cultivadas por 200 dias, os pesquisadores descobriram milhares de genes que mostraram diferenças regulatórias cis entre as espécies. Eles decidiram investigar um desses genes - SSTR2 - que era mais fortemente expresso em neurônios humanos e funciona como um receptor para um neurotransmissor chamado somatostatina. Em comparações subsequentes entre células humanas e de chimpanzé, os pesquisadores confirmaram esta expressão elevada da proteína SSTR2 em células corticais humanas. Além disso, quando os pesquisadores expuseram as células do chimpanzé e as células humanas a uma pequena molécula de droga que se liga ao SSTR2 , eles descobriram que os neurônios humanos responderam muito mais à droga do que as células do chimpanzé.

Isso sugere uma maneira pela qual a atividade dos neurônios humanos em circuitos corticais pode ser modificada por neurotransmissores. Curiosamente, essa atividade neuromodulatória também pode estar relacionada à doença, uma vez que foi demonstrado que SSTR2 está envolvido em doenças cerebrais.

“A evolução do cérebro dos primatas pode ter envolvido a adição de recursos neuromodulatórios sofisticados aos circuitos neurais, que sob certas condições podem ser perturbados e aumentar a suscetibilidade a doenças neuropsiquiátricas”, disse Pașca.

Fraser disse que esses resultados são essencialmente "uma prova de conceito de que a atividade que vemos nessas células fundidas é realmente relevante para a fisiologia celular".

Investigando diferenças extremas

Para os experimentos publicados na Nature Genetics , a equipe persuadiu suas células fundidas em células da crista neural craniana, que dão origem a ossos e cartilagens no crânio e no rosto, e determinam a aparência facial.

“Estávamos interessados ​​nesses tipos de células porque as diferenças faciais são consideradas algumas das diferenças anatômicas mais extremas entre humanos e chimpanzés - e essas diferenças realmente afetam outros aspectos de nosso comportamento e evolução, como alimentação, nossos sentidos, expansão do cérebro e fala, ”Disse David Gokhman, um pós-doutorado no laboratório Fraser e autor principal do artigo da Nature Genetics . “Além disso, as doenças congênitas mais comuns em humanos estão relacionadas à estrutura facial.”

Nas células fundidas, os pesquisadores identificaram uma via de expressão gênica que é muito mais ativa nos genes do chimpanzé das células do que nos genes humanos - com um gene específico, chamado EVC2 , parecendo ser seis vezes mais ativo nos chimpanzés. A pesquisa existente mostrou que as pessoas com genes EVC2 inativos têm faces mais planas do que outras, sugerindo que esse gene poderia explicar por que os humanos têm faces mais planas do que outros primatas.

Além do mais, os pesquisadores determinaram que 25 características faciais observáveis ​​associadas com EVC2 inativo são visivelmente diferentes entre humanos e chimpanzés - e 23 deles são diferentes na direção que os pesquisadores teriam previsto, dada a menor atividade de EVC2 em humanos. Em experimentos de acompanhamento, onde os pesquisadores reduziram a atividade de EVC2 em camundongos, os roedores também desenvolveram faces mais planas.

Outra ferramenta na caixa de ferramentas

Esta nova plataforma experimental não se destina a substituir os estudos de comparação de células existentes, mas os pesquisadores esperam que ela apoie muitas novas descobertas sobre a evolução humana e a evolução em geral.

“O desenvolvimento humano e o genoma humano foram muito bem estudados”, disse Fraser. “Meu laboratório está muito interessado na evolução humana, mas, como podemos construir sobre essa riqueza de conhecimento, este trabalho também pode revelar novos insights sobre o processo de evolução de forma mais ampla.”

Olhando para o futuro, o laboratório Fraser está trabalhando na diferenciação das células fundidas em outros tipos de células, como células musculares, outros tipos de neurônios, células da pele e cartilagem para expandir seus estudos de características exclusivamente humanas. O laboratório Pașca, por sua vez, está interessado em investigar as diferenças genéticas relacionadas aos astrócitos - células grandes e multifuncionais no sistema nervoso central, muitas vezes esquecidas pelos cientistas em favor dos neurônios mais brilhantes.

“Embora as pessoas muitas vezes pensem sobre como os neurônios evoluíram, não devemos subestimar como os astrócitos mudaram durante a evolução. A diferença de tamanho por si só, entre astrócitos humanos e astrócitos em outros primatas, é enorme ”, disse Pașca. “Meu mentor, o falecido Ben Barres, chamou os astrócitos de 'a base da humanidade' e acreditamos que ele estava no caminho certo.”

Os coautores adicionais de Stanford para o artigo da Nature são o ex-assistente de pesquisa Danqiong Sun, o pesquisador de pós-doutorado Fikri Birey, o cientista de pesquisa sênior Se-Jin Yoon, o pesquisador de pós-doutorado Yuki Miura e a ex-pesquisadora associada Karen Sabatini.

Este trabalho foi financiado por Stanford Bio-X Interdisciplinary Initiatives Seed Grant, o National Institutes of Health, o Departamento de Defesa, o Stanford Center for Computational, Evolutionary and Human Genomics, a Stanford Medicine's Dean's Fellowship, MCHRI, a American Epilepsy Society, do Stanford Wu Tsai Neurosciences Institute's Big Idea Grants on Brain Rejuvenation and Human Brain Organogenesis, o Kwan Research Fund, o New York Stem Cell Robertson Investigator Award e o Chan Zuckerberg Ben Barres Investigator Award.

Os coautores adicionais de Stanford para o artigo da Nature Genetics são a estudante Maia Kinnebrew; ex-aluno de graduação Wei Gordon; ex-técnico Danqiong Sun; bolsistas de pesquisa de pós-doutorado Vivek Bajpai e Sahin Naqvi; Dmitri Petrov, o professor Michelle e Kevin Douglas na Escola de Humanidades e Ciências; Joanna Wysocka, a Lorry Lokey Professora e professora de biologia do desenvolvimento; e Rajat Rohatgi, professor associado de bioquímica e medicina. Pesquisadores da University of California, San Francisco; Universidade de Michigan, Ann Arbor; Centro Nacional de Pesquisa de Primatas de Yerkes; Escola de Medicina da Emory University; e a Universidade da Pensilvânia também são coautores.

Este trabalho foi financiado pelas bolsas Human Frontier, Rothschild e Zuckerman e pelo National Institutes of Health.

Fraser é membro do  Stanford Bio-X , do Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI) e do Stanford Cancer Institute . Pașca é membro do Stanford Bio-X, MCHRI e do Wu Tsai Neurosciences Institute , e também membro do corpo docente do Stanford ChEM-H .

 

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