Equipes de Salk montam o primeiro atlas completo de células epigenômicas do cérebro de camundongos

13 de dezembro de 2023

Equipes de Salk montam o primeiro atlas completo de células epigenômicas do cérebro de camundongos

Pesquisadores da Salk catalogam todas as mudanças químicas na estrutura genética que orquestram o comportamento celular no cérebro do camundongo, produzindo o atlas mais detalhado da diversidade e das conexões dos neurônios no cérebro do camundongo.

13 de dezembro de 2023

LA JOLLA — Pesquisadores do Instituto Salk, como parte de uma iniciativa mundial para revolucionar a compreensão dos cientistas sobre o cérebro, analisaram mais de 2 milhões de células cerebrais de camundongos para montar o atlas mais completo do cérebro de camundongos. Seu trabalho, publicado em 13 de dezembro de 2023 em edição especial da Natureza, não apenas detalha os milhares de tipos de células presentes no cérebro, mas também como essas células se conectam e os genes e programas reguladores que estão ativos em cada célula.

Os esforços foram coordenados pelos Institutos Nacionais de Saúde Pesquisa do cérebro por meio do avanço da iniciativa Neurotechnologies® inovadoras, ou o Iniciativa BRAIN®, que visa, em última análise, produzir uma imagem nova e dinâmica dos cérebros dos mamíferos.

“Com este trabalho, não só obtivemos muitas informações sobre quais células constituem o cérebro do rato, mas também como os genes são regulados dentro dessas células e como isso impulsiona as funções das células”, diz Salk Professor, Presidente do Conselho Internacional em Genética e investigador do Howard Hughes Medical Institute José Ecker, que contribuiu para quatro dos novos artigos. “Quando você pega este atlas celular baseado em epigenoma e começa a observar variantes genéticas que são conhecidas por causar doenças humanas, você obtém uma nova visão sobre quais tipos de células podem ser mais vulneráveis ​​à doença.”

A Iniciativa NIH BRAIN foi lançada em 2014 e forneceu mais de 3 mil milhões de dólares em financiamento a investigadores para desenvolverem tecnologias transformadoras e aplicá-las à ciência do cérebro.

Em 2021, pesquisadores apoiados pela Iniciativa BRAIN – incluindo equipes da Salk – revelaram o primeiro rascunho do atlas cerebral do rato, que foi pioneira em novas ferramentas para caracterizar neurônios e aplicou essas ferramentas a pequenas seções do cérebro de camundongos. No início deste ano, muitas das mesmas técnicas foram usadas para montar um atlas inicial do cérebro humano. No trabalho mais recente, os pesquisadores ampliaram o número de células estudadas e quais áreas do cérebro do rato foram incluídas, além de utilizarem novas tecnologias unicelulares que só surgiram nos últimos anos.

“Este é o cérebro inteiro, o que nunca foi feito antes”, diz o professor Edward Callaway, autor sênior de dois dos novos artigos. “Existem ideias e princípios que surgem da observação de todo o cérebro que você não conhece ao observar uma parte de cada vez.”

Para ajudar outros investigadores que estudam o cérebro do rato, os novos dados estão disponíveis publicamente através de uma plataforma online, que pode não só ser pesquisada numa base de dados, mas também consultada através da ferramenta de inteligência artificial ChatGPT.

“Há uma comunidade incrivelmente grande de pessoas que usam ratos como organismos modelo e isso lhes dá uma nova ferramenta incrivelmente poderosa para usar em suas pesquisas envolvendo o cérebro do rato”, acrescenta. Margarita Behrens, um professor pesquisador da Salk que esteve envolvido em todos os quatro novos artigos.

A edição especial da Nature tem um total de 10 artigos da NIH BRAIN Initiative, incluindo quatro de coautoria de pesquisadores Salk que descrevem as células do cérebro do rato e suas conexões. Alguns destaques desses quatro artigos incluem:

Atlas de metilação do DNA unicelular

Para determinar todos os tipos de células no cérebro do rato, os pesquisadores da Salk empregaram técnicas de ponta que analisam uma célula cerebral individual de cada vez. Esses métodos unicelulares estudaram tanto a estrutura tridimensional do DNA dentro das células quanto o padrão de grupos químicos metílicos ligados ao DNA – duas maneiras diferentes pelas quais os genes são controlados pelas células. Em 2019, o grupo de laboratório de Ecker abordagens pioneiras para fazer simultaneamente essas duas medições, que permite aos pesquisadores descobrir não apenas quais programas genéticos são ativados em diferentes tipos de células, mas também como esses programas são ativados e desativados.

A equipe encontrou exemplos de genes que foram ativados em diferentes tipos de células, mas de maneiras diferentes – como ser capaz de acender ou apagar uma luz com dois interruptores diferentes. A compreensão desses circuitos moleculares sobrepostos torna mais fácil para os pesquisadores desenvolverem novas formas de intervir em doenças cerebrais.

“Se você conseguir compreender todos os elementos reguladores que são importantes nesses tipos de células, também poderá começar a compreender as trajetórias de desenvolvimento das células, o que se torna fundamental para a compreensão dos distúrbios do neurodesenvolvimento, como autismo e esquizofrenia”, diz Hanqing Liu, pesquisador de pós-doutorado. no laboratório de Ecker e primeiro autor deste artigo.

Os pesquisadores também fizeram novas descobertas sobre quais áreas do cérebro contêm quais tipos de células. E ao catalogar esses tipos de células, descobriram adicionalmente que o tronco cerebral e o mesencéfalo têm muito mais tipos de células do que o córtex cerebral, muito maior – sugerindo que estas partes mais pequenas do cérebro podem ter evoluído para desempenhar mais funções.

Outros autores deste artigo incluem Qiurui Zeng, Jingtian Zhou, Anna Bartlett, Bang-An Wang, Peter Berube, Wei Tian, ​​Mia Kenworthy, Jordan Altshul, Joseph Nery, Huaming Chen, Rosa Castanon, Jacinta Lucero, Julia Osteen, Antonio Pinto- Duarte, Jasper Lee, Jon Rink, Silvia Cho, Nora Emerson, Michael Nunn, Carolyn O'Connor e Jesse Dixon de Salk; Yang Eric Li, Songpeng Zu e Bing Ren da UC San Diego; Zhanghao Wu e Ion Stoica da UC Berkley; Zizhen Yao, Kimberly Smith, Bosiljka Tasic e Hongkui Zeng do Instituto Allen; e Chongyuan Luo da Universidade da Califórnia em Los Angeles.

Mapas de cromatina unicelular

Outra forma de determinar indirectamente a estrutura do ADN, e quais as extensões de material genético que estão a ser activamente utilizadas pelas células, é testar que ADN é fisicamente acessível a outras moléculas que se possam ligar a ele. Usando esta abordagem, chamada acessibilidade da cromatina, pesquisadores liderados por Bing Ren da UC San Diego – incluindo Ecker e Behrens de Salk – mapearam a estrutura do DNA em 2.3 milhões de células cerebrais individuais de 117 camundongos.

Depois, o grupo utilizou a inteligência artificial para prever, com base nesses padrões de acessibilidade da cromatina, quais partes do DNA atuavam como reguladores abrangentes dos estados das células. Muitos dos elementos reguladores identificados estavam em trechos de DNA que já foram implicados em doenças cerebrais humanas; o novo conhecimento sobre quais tipos de células usam exatamente quais elementos reguladores pode ajudar a identificar quais células estão implicadas em quais doenças.

Outros autores deste artigo incluem os co-autores Songpeng Zu, Yang Eric Li e Kangli Wang da UC San Diego; Ethan Armand, Sainath Mamde, Maria Luisa Amaral, Yuelai Wang, Andre Chu, Yang Xie, Michael Miller, Jie Xu, Zhaoning Wang, Kai Zhang, Bojing Jia, Xiaomeng Hou, Lin Lin, Qian Yang, Seoyeon Lee, Bin Li, Samantha Kuan, Zihan Wang, Jingbo Shang, Allen Wang e Sebastian Preissl da UC San Diego, Hanqing Liu, Jingtian Zhou, Antonio Pinto-Duarte, Jacinta Lucero, Julia Osteen e Michael Nunn de Salk; e Kimberly Smith, Bosiljka Tasic, Zizhen Yao e Hongkui Zeng do Instituto Allen.

Projeções e conexões de neurônios

Em outro artigo, de coautoria de Behrens, Callaway e Ecker, os pesquisadores mapearam conexões entre neurônios em todo o cérebro do rato. Em seguida, eles analisaram como esses mapas se comparavam aos padrões de metilação dentro das células. Isto permitiu-lhes descobrir quais genes são responsáveis ​​por guiar os neurônios para quais áreas do cérebro.

“Descobrimos certas regras que determinam para onde uma célula se projeta com base em seus padrões de metilação do DNA”, diz Jingtian Zhou, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ecker e coautor do artigo.

As conexões entre os neurônios são críticas para o seu funcionamento e este novo conjunto de regras pode ajudar os pesquisadores a estudar o que dá errado nas doenças.

Outros autores deste artigo incluem o co-primeiro autor Zhuzhu Zhang de Salk; May Wu, Hangqing Liu, Yan Pang, Anna Bartlett, Wubin Ding, Angeline Rivkin, Will Lagos, Elora Williams, Cheng-Ta Lee, Paula Assakura Miyazaki, Andrew Aldridge, Qiurui Zeng, JL Angelo Salida, Naomi Claffey, Michelle Liem, Conor Fitzpatrick, Lara Boggeman, Jordan Altshul, Mia Kenworthy, Cynthia Valadon, Joseph Nery, Rosa Castanon, Neelakshi Patne, Minh Vu, Mohammed Rashid, Matthew Jacobs, Tony Ito, Julia Osteen, Nora Emerson, Jasper Lee, Silvia Cho, Jon Rink, Hsiang-Hsuan Huang, António Pinto-Duarte, Bertha Dominguez, Jared Smith, Carolyn O'Connor e Kuo-Fen Lee de Salk; Zhihao Peng, da Universidade de Nanchang, na China; Zizhen Yao, Kimberly Smith, Bosiljka Tasic e Hongkui Zeng do Instituto Allen; Shengbo Chen, da Universidade de Henan, na China; Eran Mukamel da Universidade da Califórnia em San Diego; e Xin Jin da East China Normal University na China e da New York University Shanghai.

Comparando córtex motores de camundongos, macacos e humanos

O córtex motor é a parte do cérebro dos mamíferos envolvida no planejamento e execução dos movimentos voluntários do corpo. Pesquisadores liderados por Behrens, Ecker e Ren estudaram os padrões de metilação e a estrutura do DNA em mais de 200,000 células do córtex motor de humanos, camundongos e primatas não humanos para entender melhor como as células do córtex motor mudaram ao longo da evolução humana.

Eles foram capazes de identificar correlações entre a evolução de proteínas reguladoras específicas e como, por sua vez, evoluíram os padrões de expressão dos genes. Eles também descobriram que quase 80% dos elementos reguladores exclusivos dos humanos são elementos transponíveis – pequenas seções móveis de DNA que podem facilmente mudar de posição dentro do genoma.

Outros autores deste artigo incluem os co-autores Nathan Zemke e Ethan Armand da UC San Diego; Wenliang Wang, Jingtian Zhou, Hanqing Liu, Wei Tian, ​​Joseph Nery, Rosa Castanon, Anna Bartlett, Julia Osteen, Jonathan Rink e Edward Callaway de Salk; Seoyeon Lee, Yang Eric Li, Lei Chang, Keyi Dong, Hannah Indralingam, Yang Xie e Michael Miller da UC San Diego; Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu e Ting Wang, da Universidade de Washington, no Missouri; Fenna Krienen, da Universidade de Princeton e da Escola Médica de Harvard; Qiangge Zhang e Guoping Feng do Broad Institute e do MIT; Steven McCarroll, da Harvard Medical School e do Broad Institute; e Naz Taskin, Jonathan Ting e Ed Lein, do Allen Institute e da Universidade de Washington, em Seattle.

Resumo

“Acho que, em geral, todo esse pacote serve como um modelo para estudos futuros de outras pessoas”, diz Callaway, também titular da cátedra Vincent J. Coates em Neurobiologia Molecular na Salk. “Alguém que estuda um tipo específico de célula pode agora olhar para os nossos dados e ver todas as formas como essas células se conectam e todas as formas como são reguladas. É um recurso que permite que as pessoas façam suas próprias perguntas.”

O trabalho foi apoiado pela Iniciativa BRAIN dos Institutos Nacionais de Saúde (U19MH11483, U19MH114831-04s1, 5U01MH121282, UM1HG011585, U19MH114830).

---

Para mais informações Clique aqui "

Visite todos os 10 artigos do pacote Nature aqui..

Título do jornal: Natureza
Título do artigo: Metilome de DNA unicelular e atlas multiômico 3D do cérebro de camundongo adulto
autores: Hanqing Liu, Qiurui Zeng, Jingtian Zhou, Anna Bartlett, Bang-An Wang, Peter Berube, Wei Tian, ​​Mia Kenworthy, Jordan Altshul, Joseph R. Nery, Huaming Chen, Rosa G. Castanon, Songpeng Zu, Yang Eric Li, Jacinta Lucero, Julia K. Osteen, António Pinto-Duarte, Jasper Lee, Jon Rink, Silvia Cho, Nora Emerson, Michael Nunn, Carolyn O'Connor, Zhanghao Wu, Ion Stoica, Zizhen Yao, Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Chongyuan Luo, Jesse R. Dixon, Hongkui Zeng, Bing Ren, M. Margarita Behrens, Joseph R Ecker
DOI: 10.1038/s41586-019-0000-0

Título do jornal: Natureza
Título do artigo: Análise unicelular da acessibilidade da cromatina no cérebro de camundongos adultos
autores: Songpeng Zu, Yang Eric Li, Kangli Wang, Ethan Armand, Sainath Mamde, Maria Luisa Amaral, Yuelai Wang, Andre Chu, Yang Xie, Michael Miller, Jie Xu, Zhaoning Wang, Kai Zhang, Bojing Jia, Xiaomeng Hou, Lin Lin, Qian Yang, Seoyeon Lee, Bin Li, Samantha Kuan, Hanqing Liu, Jingtian Zhou, Antonio Pinto-Duarte, Jacinta Lucero, Julia Osteen, Michael Nunn, Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Zizhen Yao, Hongkui Zeng, Zihan Wang, Jingbo Shang, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker, Allen Wang, Sebastian Preissl, Bing Ren
DOI: 10.1038/s41586-023-06824-9

Título do jornal: Natureza
Título do artigo: Correspondência em todo o cérebro entre epigenômica neuronal e projeções de longa distância
autores: Jingtian Zhou, Zhuzhu Zhang, May Wu, Hanqing Liu, Yan Pang, Anna Bartlett, Zhihao Peng, Wubin Ding, Angeline Rivkin, Will N. Lagos, Elora Williams, Cheng-Ta Lee, Paula Assakura Miyazaki, Andrew Aldridge, Qiurui Zeng, JL Angelo Salinda, Naomi Claffey, Michelle Liem, Conor Fitzpatrick, Lara Boggeman, Zizhen Yao, Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Jordan Altshul, Mia A. Kenworthy, Cynthia Valadon, Joseph R. Nery, Rosa G. Castanon, Neelakshi S . Patne, Minh Vu, Mohammad Rashid, Matthew Jacobs, Tony Ito, Julia Osteen, Nora Emerson, Jasper Lee, Silvia Cho, Jon Rink, Hsiang-Hsuan Huang, António Pinto-Duarte, Bertha Dominguez, Jared B. Smith, Carolyn O 'Connor, Hongkui Zeng, Shengbo Chen, Kuo-Fen Lee, Eran A. Mukamel, Xin Jin, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker, Edward M. Callaway
DOI: 10.1038/s41586-019-0000-0

Título do jornal: Natureza
Título do artigo: Programas reguladores genéticos conservados e divergentes do neocórtex de mamíferos
autores: Nathan R. Zemke, Ethan J. Armand, Wenliang Wang, Seoyeon Lee, Jingtian Zhou, Yang Eric Li, Hanqing Liu, Wei Tian, ​​Joseph R. Nery, Rosa G. Castanon, Anna Bartlett, Julia K. Osteen, Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu, Lei Chang, Keyi Dong, Hannah Indralingam, Jonathan A. Rink, Yang Xie, Michael Miller, Fenna M. Krienen, Qiangge Zhang, Naz Taskin, Jonathan Ting, Guoping Feng, Steven A. McCarroll, Edward M Callaway, Ting Wang, Ed S. Lein, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker, Bing Ren
DOI: 10.1038/s41586-023-06819-6