Estudo encontra uma colcha de retalhos de variação genética no cérebro

1 de novembro de 2013

Estudo encontra uma colcha de retalhos de variação genética no cérebro

Cientistas do Salk descobrem um surpreendente grau de variação entre os genomas de neurônios individuais do mesmo cérebro

1 de novembro de 2013

LA JOLLA, CA—Já se pensou que cada célula no corpo de uma pessoa possui o mesmo código de DNA e que a maneira particular como o genoma é lido confere função celular e define o indivíduo. Para muitos tipos de células em nossos corpos, no entanto, isso é uma simplificação excessiva. Estudos de genomas neuronais publicados na última década revelaram cromossomos extras ou ausentes, ou pedaços de DNA que podem se copiar e colar ao longo dos genomas.

A única maneira de saber com certeza que os neurônios da mesma pessoa abrigam DNA único é traçando o perfil dos genomas de células individuais em vez de populações de células em massa, as últimas das quais produzem uma média. Agora, usando sequenciamento de célula única, os pesquisadores do Salk Institute e seus colaboradores mostraram que as estruturas genômicas de neurônios individuais diferem umas das outras ainda mais do que o esperado. Os resultados foram publicados em 1º de novembro de 2013, no Ciência.

“Ao contrário do que pensávamos, a composição genética dos neurônios no cérebro não é idêntica, mas é composta de uma colcha de retalhos de DNA”, diz o autor correspondente Fred Gage, Salk's Vi e John Adler Chair para Pesquisa sobre Doenças Neurodegenerativas Relacionadas à Idade.

No estudo, liderado por Mike McConnell, um ex-colega júnior no Centro Crick-Jacobs de Biologia Teórica e Computacional no Salk, os pesquisadores isolaram cerca de 100 neurônios de três pessoas postumamente. Os cientistas tiveram uma visão de alto nível de todo o genoma – procurando grandes deleções e duplicações de DNA chamadas variações de número de cópias ou CNVs – e descobriram que até 41% dos neurônios tinham pelo menos uma CNV única e massiva que surgiu espontaneamente, o que significa que não foi transmitido de um pai. As CNVs estão espalhadas por todo o genoma, descobriu a equipe.

A quantidade minúscula de DNA em uma única célula precisa ser amplificada quimicamente muitas vezes antes de poder ser sequenciada. Esse processo é tecnicamente desafiador, então a equipe passou um ano descartando possíveis fontes de erro no processo.

“Boa parte do nosso estudo foi fazer experimentos de controle para mostrar que isso não é um artefato”, diz Gage. “Tivemos que fazer isso porque foi uma grande surpresa descobrir que neurônios individuais em seu cérebro têm conteúdo de DNA diferente”.

O grupo encontrou uma quantidade semelhante de variabilidade nas CNVs dentro de neurônios individuais derivados das células da pele de três pessoas saudáveis. Os cientistas usam rotineiramente essas células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) para estudar neurônios vivos em uma placa de cultura. Como as iPSCs são derivadas de células únicas da pele, pode-se esperar que seus genomas sejam os mesmos.

“O surpreendente é que não são”, diz Gage. “Existem algumas deleções e amplificações únicas nos genomas de neurônios derivados de uma linha iPSC”.

Curiosamente, as próprias células da pele são geneticamente diferentes, embora não tanto quanto os neurônios. Esta descoberta, juntamente com o fato de que os neurônios tinham CNVs únicos, sugere que as mudanças genéticas ocorrem mais tarde no desenvolvimento e não são herdadas dos pais ou passadas para os filhos.

Faz sentido que os neurônios tenham genomas mais diversos do que as células da pele, diz McConnell, que agora é professor assistente de bioquímica e genética molecular no Escola de Medicina da Universidade da Virgínia em Charlottesville. “O que acontece com os neurônios é que, ao contrário das células da pele, eles não mudam e interagem uns com os outros”, diz ele. “Eles formam esses grandes circuitos complexos, onde uma célula que possui CNVs que a tornam diferente pode potencialmente ter influência em toda a rede em um cérebro”.

As CNVs de ocorrência espontânea também foram associadas ao risco de distúrbios cerebrais, como esquizofrenia e autismo, mas esses estudos geralmente agrupam muitas células sanguíneas. Como resultado, as CNVs descobertas nesses estudos afetam muitas, senão todas as células, o que sugere que elas surgem no início do desenvolvimento.

O propósito das CNVs no cérebro saudável ainda não está claro, mas os pesquisadores têm algumas ideias. As modificações podem ajudar as pessoas a se adaptarem a novos ambientes encontrados ao longo da vida, ou podem nos ajudar a sobreviver a uma infecção viral maciça. Os cientistas estão trabalhando em maneiras de alterar a variabilidade genômica em neurônios derivados de iPSC e desafiá-los de maneiras específicas no prato de cultura.

Células com genomas diferentes provavelmente produzem RNA único e depois proteínas. No entanto, por enquanto, apenas uma tecnologia de sequenciamento pode ser aplicada a uma única célula.

“Se e quando mais de um método puder ser aplicado a uma célula, poderemos ver se células com genomas diferentes têm transcriptomas diferentes (a coleção de todo o RNA em uma célula) de maneiras previsíveis”, diz McConnell.

Além disso, será necessário sequenciar muito mais células e, em particular, mais tipos de células, observa o autor correspondente Salão Ira, professor associado de bioquímica e genética molecular na Universidade da Virgínia. “Há muito mais trabalho a fazer para realmente entender em que nível pensamos que as coisas que encontramos são específicas de neurônios ou associadas a diferentes parâmetros, como idade ou genótipo”, diz ele.

Outros autores do estudo são Michael Lindberg e Svetlana Shumilina, do Departamento de Bioquímica e Genética Molecular da Escola de Medicina da Universidade da Virgínia; Kristen Brennand, agora no Escola de Medicina Icahn no Monte Sinai Em Nova Iórque; Julia Piper, agora em Universidade de Harvard em Cambridge, Massachusetts; Thierry Voet e Joris Vermeesch da Centro de Genética Humana, KU Leuven, Leuven, Bélgica; Chris Cowing-Zitron do Salk's Laboratório de Genética; e Roger Lasken do J. Craig Venter Institute em San Diego.

Este trabalho foi apoiado pelo Centro Crick-Jacobs de Biologia Teórica e Computacional, Fundação G. Harold & Leila Y. Mathers, National Institutes of Health, Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust, Fundação JPB, e o Fundo Burroughs Wellcome.

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das mais proeminentes instituições de pesquisa básica do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.