Tecnologia Científica

Nova técnica revela genes subjacentes a  evolução humana
Os pesquisadores compararam a regulaa§a£o gaªnica relacionada ao desenvolvimento do cérebro e da face em humanos e chimpanzanãs usando uma nova técnica. Em ambos os casos, eles descobriram novas diferenças genanãticas entre essas espanãcies.
Por Taylor Kubota - 18/03/2021

Uma das melhores maneiras de estudar a evolução humana écomparando-nos com espanãcies não humanas que, evolutivamente falando, estãointimamente relacionadas a nós. Essa proximidade pode ajudar os cientistas a restringir precisamente o que nos torna humanos, mas esse escopo étão estreito que também pode ser extremamente difa­cil de definir. Para resolver essa complicação, pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram uma nova técnica para comparar diferenças genanãticas.

Imagem, de pesquisa anterior, de esfera³ides corticais humanos derivada do
laboratório de Sergiu PaÈ™ca, 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 genanãticas entre humanos e chimpanzanãs. Eles encontraram uma disparidade significativa na expressão do gene SSTR2 - que modula a atividade dos neura´nios no cortex cerebral e foi relacionado, em humanos, a certas doenças neuropsiquia¡tricas, como demaªncia de Alzheimer e esquizofrenia - e o gene EVC2 , que estãorelacionado para a forma facial. Os resultados foram publicados em 17 de mara§o na Nature e na Nature Genetics , respectivamente.

“a‰ 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 espanãcies”, disse Rachel Agoglia, uma estudante recanãm-graduada em genanãtica 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 chimpanzéque foram modificadas para agir como células-tronco - células altamente malea¡veis ​​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 propa³sito especa­fico muito importante neste tipo de estudo, permitindo-nos comparar precisamente os genes humanos e dos chimpanzanãs e suas atividades lado a lado”, disse Hunter Fraser, professor associado de biologia da Escola de Ciências Humanas de Stanford  . Fraser éautor saªnior do artigo da Nature Genetics e coautor saªnior do artigo da Nature com Sergiu PaÈ™ca, professor associado de psiquiatria e ciências comportamentais na Stanford  School of Medicine .

Fechar comparações

O laboratório Fraser estãoparticularmente interessado em como a genanãtica de humanos e de outros primatas se compara noníveldos elementos cis-reguladores, que afetam a expressão de genes pra³ximos (localizados na mesma molanãcula de DNA, ou cromossomo). A alternativa - chamada de fatores trans-regulata³rios - 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 protea­nas) são menos propensos a diferir entre as espanãcies intimamente relacionadas do que os elementos cis-reguladores.

Mas mesmo quando os cientistas tem acesso a células semelhantes de humanos e chimpanzanãs, háo risco de fatores de confusão. Por exemplo, as diferenças no tempo de desenvolvimento entre as espanãcies éum obsta¡culo significativo no estudo do desenvolvimento do cérebro, explicou PaÈ™ca. Isso ocorre porque os cérebros humanos e os cérebros dos chimpanzanãs se desenvolvem em taxas muito diferentes e não háuma maneira exata de compara¡-los diretamente. Ao alojar DNA humano e de chimpanzéno 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 esfera³ides corticais ou organoides - um feixe de células cerebrais que imita de perto o desenvolvimento do cortex cerebral de um mama­fero. O laboratório PaÅŸca tem estado na vanguarda do desenvolvimento de Organa³ides cerebrais e assembloids com a finalidade de pesquisar a forma como o cérebro humano émontado e como esse processo da¡ errado na doena§a.

“O cérebro humano éessencialmente inacessa­vel nonívelmolecular e celular durante a maior parte de seu desenvolvimento, então introduzimos esfera³ides corticais para nos ajudar a ter acesso a esses processos importantes”, disse PaÈ™ca, que também éBonnie Uytengsu e Diretora da Fama­lia de Stanford Brain Organogaªnese.

Conforme os grupos 3D de células cerebrais se desenvolvem e amadurecem em um prato, sua atividade genanãtica imita o que acontece no neurodesenvolvimento inicial em cada espanãcie. Como o DNA humano e do chimpanzéestãoligados no mesmo ambiente celular, eles são expostos a s mesmas condições e amadurecem em paralelo. Portanto, quaisquer diferenças observadas na atividade genanãtica dos dois podem ser razoavelmente atribua­das a diferenças genanãticas reais entre nossas duas espanãcies.

Atravanãs do estudo de organa³ides cerebrais derivados de células fundidas que foram cultivadas por 200 dias, os pesquisadores descobriram milhares de genes que mostraram diferenças regulata³rias cis entre as espanãcies. Eles decidiram investigar um desses genes - SSTR2 - que era mais fortemente expresso em neura´nios humanos e funciona como um receptor para um neurotransmissor chamado somatostatina. Em comparações subsequentes entre células humanas e de chimpanzanã, os pesquisadores confirmaram esta expressão elevada da protea­na SSTR2 em células corticais humanas. Além disso, quando os pesquisadores expuseram as células do chimpanzée as células humanas a uma pequena molanãcula de droga que se liga ao SSTR2 , eles descobriram que os neura´nios humanos responderam muito mais a  droga do que as células do chimpanzanã.

Isso sugere uma maneira pela qual a atividade dos neura´nios humanos em circuitos corticais pode ser modificada por neurotransmissores. Curiosamente, essa atividade neuromodulata³ria também pode estar relacionada a  doena§a, uma vez que foi demonstrado que SSTR2 estãoenvolvido em doenças cerebrais.

“A evolução do cérebro dos primatas pode ter envolvido a adição de recursos neuromodulata³rios sofisticados aos circuitos neurais, que sob certas condições podem ser perturbados e aumentar a suscetibilidade a doenças neuropsiquia¡tricas”, disse PaÈ™ca.

Fraser disse que esses resultados são essencialmente "uma prova de conceito de que a atividade que vemos nessas células fundidas érealmente 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 da£o origem a ossos e cartilagens no cra¢nio e no rosto, e determinam a aparaªncia facial.

“Esta¡vamos interessados ​​nesses tipos de células porque as diferenças faciais são consideradas algumas das diferenças anatômicas mais extremas entre humanos e chimpanzanãs - 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 pa³s-doutorado no laboratório Fraser e autor principal do artigo da Nature Genetics . “Além disso, as doenças congaªnitas mais comuns em humanos estãorelacionadas a  estrutura facial.”

Nas células fundidas, os pesquisadores identificaram uma via de expressão gaªnica que émuito mais ativa nos genes do chimpanzédas células do que nos genes humanos - com um gene especa­fico, chamado EVC2 , parecendo ser seis vezes mais ativo nos chimpanzanãs. A pesquisa existente mostrou que as pessoas com genes EVC2 inativos tem faces mais planas do que outras, sugerindo que esse gene poderia explicar por que os humanos tem faces mais planas do que outros primatas.

Além do mais, os pesquisadores determinaram que 25 caracteri­sticas faciais observa¡veis ​​associadas com EVC2 inativo são visivelmente diferentes entre humanos e chimpanzanãs - 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 estãomuito 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 estãotrabalhando na diferenciação das células fundidas em outros tipos de células, como células musculares, outros tipos de neura´nios, células da pele e cartilagem para expandir seus estudos de caracteri­sticas exclusivamente humanas. O laboratório PaÈ™ca, por sua vez, estãointeressado em investigar as diferenças genanãticas relacionadas aos astra³citos - células grandes e multifuncionais no sistema nervoso central, muitas vezes esquecidas pelos cientistas em favor dos neura´nios mais brilhantes.

“Embora as pessoas muitas vezes pensem sobre como os neura´nios evolua­ram, não devemos subestimar como os astra³citos mudaram durante a evolução. A diferença de tamanho por si são, entre astra³citos humanos e astra³citos em outros primatas, éenorme ”, disse PaÈ™ca. “Meu mentor, o falecido Ben Barres, chamou os astra³citos 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 pa³s-doutorado Fikri Birey, o cientista de pesquisa saªnior Se-Jin Yoon, o pesquisador de pa³s-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-tanãcnico Danqiong Sun; bolsistas de pesquisa de pa³s-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 Pensilva¢nia também são coautores.

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

Fraser émembro do  Stanford Bio-X , do Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI) e do Stanford Cancer Institute . PaÈ™ca émembro 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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