Os organóides que contêm uma versão antiga de um gene que influencia o desenvolvimento do cérebro são menores e mais irregulares do que aqueles com genes humanos.
Os pesquisadores criaram “organoides” minúsculos semelhantes ao cérebro que contêm uma variante do gene abrigada por dois parentes humanos extintos, os neandertais e os denisovanos. Os tecidos, feitos por engenharia de células-tronco humanas, estão longe de serem representações verdadeiras dos cérebros dessas espécies – mas eles mostram diferenças distintas dos organóides humanos, incluindo tamanho, forma e textura. As descobertas, publicadas1 na Science em 11 de fevereiro, podem ajudar os cientistas a entender as vias genéticas que permitiram a evolução do cérebro humano.
“É um artigo extraordinário com algumas afirmações extraordinárias”, diz Gray Camp, biólogo do desenvolvimento da Universidade de Basel, na Suíça, cujo laboratório relatou no ano passado2 o crescimento de organóides cerebrais que continham um gene comum aos neandertais e humanos. O trabalho mais recente leva a pesquisa adiante, observando as variantes genéticas que os humanos perderam na evolução. Mas Camp permanece cético sobre as implicações dos resultados e diz que o trabalho abre mais questões que exigirão investigação.
Os humanos estão mais intimamente relacionados aos neandertais e denisovanos do que a qualquer primata vivo, e cerca de 40% do genoma do neandertal ainda pode ser encontrado espalhado por humanos vivos. Mas os pesquisadores limitaram os meios para estudar o cérebro dessas espécies antigas – o tecido mole não está bem preservado e a maioria dos estudos depende da inspeção do tamanho e da forma de crânios fossilizados. Saber como os genes das espécies diferem dos humanos é importante porque ajuda os pesquisadores a entender o que torna os humanos únicos – especialmente em nossos cérebros.
Os pesquisadores, liderados por Alysson Muotri, neurocientista da University of California, San Diego, usaram a técnica de edição de genoma CRISPR – Cas9 para introduzir as formas Neandertal e Denisovan de um gene chamado NOVA1 em células-tronco pluripotentes humanas, que podem se desenvolver em qualquer tipo de célula. Eles os cultivaram para formar organóides, aglomerados de tecido parecido com o do cérebro, com até 5 milímetros de diâmetro, ao lado de organóides normais do cérebro humano para comparação.
Ficou imediatamente claro que os organóides que expressam a variante arcaica de NOVA1 eram diferentes. “Assim que vimos a forma dos organoides, sabíamos que estávamos no caminho certo”, diz Muotri. Os organóides do cérebro humano são tipicamente lisos e esféricos, enquanto os organóides dos genes antigos tinham superfícies ásperas e complexas e eram menores. Isso provavelmente se deve às diferenças em como as células crescem e se multiplicam, dizem os autores.
Comparação de genoma
Para determinar qual gene arcaico expressar nos organóides, os pesquisadores compararam uma biblioteca de sequências do genoma humano com genomas quase completos de dois Neandertais e um Denisovan. Eles encontraram 61 genes para os quais a versão humana é consistentemente diferente daquela da espécie antiga. Destes, NOVA1 está envolvido na formação de sinapses cerebrais, ou junções nervosas, e está associado a distúrbios neurológicos quando sua atividade é alterada.
O gene humano NOVA1 difere da variante arcaica – que ainda está presente em outros primatas vivos – por uma única base que os pesquisadores editaram nas células-tronco por meio do CRISPR – Cas9. Essa diferença troca um único aminoácido na proteína NOVA1 produzida pelos organóides arcaicos. “O fato de que todos os humanos, ou quase todos os humanos, agora têm esta versão, e não a antiga, significa que nos deu uma tremenda vantagem em certos pontos durante a evolução. Portanto, a pergunta que temos agora é: quais são essas vantagens?” diz Muotri.
As diferenças entre os organóides resultantes continuaram no nível molecular. A equipe encontrou 277 genes com atividades diferentes entre o gene antigo e os organoides humanos; alguns desses genes são conhecidos por afetar o desenvolvimento neuronal e a conectividade. Como resultado, os organóides arcaicos continham níveis diferentes de proteínas de sinapses e seus neurônios disparavam em padrões menos ordenados do que os dos tecidos de controle. Também há evidências de que amadureceram mais rapidamente.
Grande diferença
“A descoberta mais significativa é que você reverte [o gene] a um estado ancestral e vê um efeito no organoide”, diz Wolfgang Enard, geneticista evolucionista da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, na Alemanha. Ele está surpreso que uma diferença genética tão pequena cause mudanças tão óbvias, mas ele está cético de que a aparência estranha dos organoides nos diga muito sobre os cérebros de Neandertal.
Camp também alerta que é improvável que esses organóides de genes antigos representem totalmente o tecido Neandertal verdadeiro. Em vez disso, as características observadas podem ser o resultado da alteração de uma proteína importante que está presente em humanos por causa dos efeitos combinados de muitas mutações empilhadas umas sobre as outras ao longo do tempo. “É como Jenga”, diz ele, “você retira aquele aminoácido e o cérebro não funciona”.
Ainda assim, a abordagem organoide editada pode ser útil para estudar a evolução do cérebro entre primatas, diz Suzana Herculano-Houzel, neurocientista evolucionista da Universidade Vanderbilt em Nashville, Tennessee. A equipe de Muotri planeja fazer organóides editados para conter outros genes revertidos que podem oferecer insights sobre o cérebro humano. Se os pesquisadores puderem entender o caminho evolutivo que trouxe os humanos ao nosso estado atual, ele diz, eles podem melhorar a compreensão das doenças específicas do cérebro humano.
Publicado em 15/02/2021 00h20
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