Pesquisadores rastreiam a árvore genealógica dos neurônios espinhais

Pesquisadores rastreiam a árvore genealógica dos neurônios espinhais

Novas maneiras de classificar e estudar os neurônios da medula espinhal podem informar terapias para doenças ou lesões

LA JOLLA — Células nervosas da medula espinhal que se ramificam pelo corpo lembram árvores com galhos se espalhando em todas as direções. Mas essa imagem também pode ser usada para contar a história de como esses neurônios, cujas funções se tornaram mais especializadas ao longo do tempo, surgiram ao longo da história do desenvolvimento e da evolução. Os pesquisadores da Salk rastrearam, pela primeira vez, o desenvolvimento de neurônios da medula espinhal usando assinaturas genéticas e revelaram como diferentes subtipos de células podem ter evoluído e, finalmente, funcionam para regular os movimentos do nosso corpo.

Os resultados, publicados na revista Ciência em 23 de abril de 2021, oferece aos pesquisadores novas maneiras de classificar e marcar subconjuntos de células da medula espinhal para estudos posteriores, usando marcadores genéticos que diferenciam ramos da árvore genealógica das células.

“Um estudo como este fornece as primeiras alças moleculares para os cientistas estudarem a função dos neurônios da medula espinhal de uma maneira muito mais precisa do que nunca”, diz o autor sênior do estudo. Samuel Pfaff, professor Salk e da cátedra Benjamin H. Lewis. “Isso também tem implicações para o tratamento de lesões na medula espinhal.”

Os neurônios espinhais são responsáveis ​​pela transmissão de mensagens entre a medula espinhal e o resto do corpo. Pesquisadores que estudam neurônios espinhais normalmente classificam as células em “classes cardinais”, que descrevem onde na medula espinhal cada tipo de neurônio aparece pela primeira vez durante o desenvolvimento fetal. Mas, em um adulto, os neurônios dentro de qualquer classe cardinal têm funções e características moleculares variadas. Estudar pequenos subconjuntos dessas células para separar sua diversidade tem sido difícil. No entanto, entender essas distinções de subconjunto é crucial para ajudar os pesquisadores a entender como os neurônios da medula espinhal controlam os movimentos e o que dá errado em doenças neurogenerativas ou lesões na medula espinhal.

“Sabe-se há muito tempo que as classes cardinais, por mais úteis que sejam, são incompletas na descrição da diversidade de neurônios na medula espinhal”, diz Peter Osseward, aluno de pós-graduação do laboratório Pfaff e co-primeiro autor do livro o novo papel, juntamente com o ex-aluno de pós-graduação Marito Hayashi, agora um pós-doutorado na Universidade de Harvard.

Pfaff, Osseward e Hayashi recorreram às tecnologias de sequenciamento de RNA de célula única para analisar as diferenças em quais genes estavam sendo ativados em quase 7,000 neurônios espinhais diferentes de camundongos. Eles usaram esses dados para agrupar células em grupos intimamente relacionados, da mesma forma que os cientistas podem agrupar organismos relacionados em uma árvore genealógica.

O primeiro grande padrão de expressão gênica que eles viram dividiu os neurônios da coluna vertebral em dois ramos: neurônios relacionados aos sentidos (que transportam informações sobre o ambiente através da medula espinhal) e neurônios relacionados aos motores (que transportam comandos motores através da medula espinhal). Isso sugere que, em um organismo antigo, um dos primeiros passos na evolução da medula espinhal pode ter sido uma divisão do trabalho dos neurônios espinhais em papéis motores versus sensoriais, diz Pfaff.

Quando a equipe analisou os próximos ramos da árvore genealógica, eles descobriram que os neurônios sensoriais se dividem em neurônios excitatórios e inibitórios – uma divisão que descreve como o neurônio envia informações. Mas quando os pesquisadores olharam para os neurônios relacionados ao motor, eles encontraram uma divisão mais surpreendente: as células agrupadas em dois grupos distintos com base em um novo marcador genético. Quando a equipe corou as células pertencentes a cada grupo na medula espinhal, ficou claro que os marcadores diferenciavam os neurônios com base no fato de terem conexões de longo ou curto alcance no corpo. Experimentos posteriores revelaram que os padrões genéticos específicos para propriedades de longo e curto alcance eram comuns em todas as classes cardeais testadas.

“A suposição no campo era que as regras genéticas para especificar neurônios de longo alcance versus neurônios de curto alcance seriam específicas para cada classe cardinal”, dizem Osseward e Hayashi. “Portanto, foi realmente interessante ver que realmente transcendeu a classe cardeal.”

A observação foi mais do que apenas interessante - acabou sendo útil também. Anteriormente, muitas marcas genéticas diferentes poderiam ser necessárias para restringir um determinado tipo de neurônio que um pesquisador queria estudar. Usar tantos marcadores é tecnicamente desafiador e em grande parte impediu os pesquisadores de estudar apenas um subtipo de neurônio da medula espinhal por vez.

Com as novas regras, apenas duas marcas – um marcador previamente conhecido para a classe cardinal e o marcador genético recém-descoberto para propriedades de longo ou curto alcance – podem ser usadas para sinalizar populações muito específicas de neurônios. Isso é útil, por exemplo, para estudar quais grupos de neurônios são afetados por uma lesão na medula espinhal ou doença neurodegenerativa e, eventualmente, como regenerar essas células específicas.

A origem evolutiva da árvore genealógica dos neurônios espinhais estudada no novo artigo é provavelmente muito antiga porque os marcadores genéticos descobertos são conservados em muitas espécies, dizem os pesquisadores. Assim, embora eles não tenham estudado neurônios espinhais de outros animais além de camundongos, eles preveem que os mesmos padrões genéticos seriam vistos na maioria dos animais vivos com medula espinhal.

“Isso é algo primordial, relevante para tudo, desde anfíbios até humanos”, diz Pfaff. “E no contexto da evolução, esses padrões genéticos nos dizem que tipo de neurônios podem ter sido encontrados em alguns dos primeiros organismos”.

Outros autores do estudo foram Neal Amin, Benjamin Temple, Bianca Barriga, Lukas Bachmann, Fernando Beltran, Miriam Gullo, Robert Clark e Shawn Driscoll da Salk; e Jeffrey Moore, da Universidade de Harvard. O trabalho foi financiado por doações do Howard Hughes Medical Institute, da Christopher and Dana Reeve Foundation, do Sol Goldman Charitable Trust e do National Institutes of Health.

DOI: 10.1126 / science.abe0690