Genética da padronização do córtex cerebral: como as células-tronco produzem regiões funcionais na "matéria cinzenta"

12 de outubro de 2009

Genética da padronização do córtex cerebral: como as células-tronco produzem regiões funcionais na “matéria cinzenta”

12 de outubro de 2009

LA JOLLA, CA—O córtex cerebral, o maior e mais complexo componente do cérebro, é exclusivo dos mamíferos e sozinho desenvolveu especializações humanas. Embora a princípio todas as células-tronco encarregadas de construir o córtex cerebral – a camada mais externa de neurônios comumente chamada de massa cinzenta – sejam criadas iguais, logo elas se comprometem irrevogavelmente a formar regiões corticais específicas. Mas como o destino das células-tronco é determinado permanece uma questão em aberto.

Na edição online avançada de 11 de outubro de Nature Neuroscience, cientistas do Salk Institute for Biological Studies relatam que identificaram o primeiro mecanismo genético que determina a identidade regional dos progenitores encarregados de gerar o córtex cerebral. Sua descoberta revela um período crítico durante o qual um fator de transcrição de homeodomínio LIM conhecido como Lhx2 decide sobre o destino regional dos progenitores: assim que a janela de oportunidade se fecha, seu destino está selado.

“Essas descobertas fornecem uma base para a compreensão do importante processo de desenvolvimento das distintas regiões do córtex cerebral e determinação de suas propriedades únicas”, diz Dennis O'Leary, Ph.D., professor do Laboratório de Neurobiologia Molecular, que liderou o estudo.

Esse conhecimento também ajudará potencialmente na compreensão das bases genéticas de muitos distúrbios neurodegenerativos e fornecerá os meios para especificar exclusivamente células-tronco para reparar partes específicas do cérebro devastadas por doenças ou lesões.

Durante o desenvolvimento embrionário do cérebro, as células-tronco que darão origem ao córtex cerebral passam por uma série de estágios estritamente regulados: de células-tronco onipotentes a células progenitoras corticais que acabarão por formar regiões funcionalmente especializadas, como o neocórtex de seis camadas, o a maior e evolutivamente mais recente parte do córtex cerebral, e o mais antigo córtex olfativo de três camadas, entre outros.

No início da neurogênese, células progenitoras semelhantes a células-tronco, conhecidas como células neuroepiteliais, sofrem divisão celular simétrica para expandir o pool de células neuroepiteliais. Mais tarde, eles se diferenciam em células progenitoras mais maduras, denominadas glia radial, que se dividem assimetricamente para produzir um fluxo constante de progenitores e neurônios, os últimos migrando para fora para estabelecer a matéria cinzenta de regiões corticais especializadas.

Em um estudo publicado no início deste ano, O'Leary e Setsuko Sahara, Ph.D., pesquisador associado sênior do laboratório O'Leary, descobriram que o fator de crescimento Fgf10 controla o tempo do período crítico de transição que atravessa a expansão inicial fase das células neuroepiteliais e a fase neurogênica posterior da glia radial. Agora, os pesquisadores do Salk queriam saber quando e como essas células adquirem sua futura identidade regional.

O modelo predominante para determinar os mecanismos genéticos que especificam a produção de tipos distintos de neurônios tem sido a medula espinhal. “Na medula espinhal, subpopulações distintas de progenitores que geram diferentes classes de neurônios são definidas por conjuntos únicos de fatores de transcrição e são separadas por limites espaciais nítidos”, explica O'Leary. “Mas no córtex cerebral a situação é muito diferente. Não há genes que nós ou qualquer outra pessoa identificamos que definam subpopulações separadas de progenitores que geram neurônios que formam as diferentes regiões do córtex cerebral. Assim, um mecanismo diferente deve operar.”

A característica definidora das células progenitoras que irão formar o córtex cerebral é a expressão de Emx1, um fator de transcrição do homeodomínio. O'Leary propôs que a identidade regional de progenitores na linhagem Emx1 pode envolver uma expressão graduada de um ou mais fatores de transcrição que definem subpopulações únicas de progenitores por meio de diferenças em seus níveis de expressão. O candidato mais promissor foi o Lhx2, que é expresso em todos os progenitores da linhagem Emx1, mas em diferentes níveis em um padrão graduado. Testar essa hipótese exigiu que Shen-ju Chou, Ph.D., pesquisador associado sênior no laboratório O'Leary e primeiro autor deste estudo, desenvolvesse um novo camundongo geneticamente modificado para deletar o Lhx2 de maneira condicional.

Shen-ju e dois outros membros da equipe de pesquisa de O'Leary, Carlos G. Perez Garcia, Ph.D. e Todd T. Kroll, Ph.D., usaram essa linhagem de camundongos para deletar o Lhx2 em diferentes momentos durante o desenvolvimento embrionário para avaliar se o Lhx2 tinha alguma influência sobre o destino dos progenitores na produção de regiões do córtex cerebral.

Quando os pesquisadores deletaram o Lhx2 das células neuroepiteliais antes de fazerem a transição para a glia radial, o neocórtex foi transformado em um grande córtex olfativo fora do lugar. Mas quando eles excluíram Lhx2 apenas um dia depois, a transformação não ocorreu, indicando que a identidade regional dos progenitores foi fixada.

“Esses experimentos mostram que o Lhx2 regula a decisão do destino regional dos progenitores da linhagem Emx1 para gerar neocórtex ou córtex olfativo”, diz Chou. “O Lhx2 precisa estar presente em quantidades apropriadas durante uma janela crítica de tempo para que os progenitores tomem a decisão de destino apropriada. Acrescenta O'Leary: “Essa descoberta se encaixa perfeitamente com nosso estudo anterior sobre Fgf10, demonstrando que a janela de tempo crítica para a decisão do destino regional determinada por Lhx2 fecha quando as células neuroepiteliais fazem a transição para a glia radial, uma etapa regulada por Fgf10”.

A equipe de O'Leary planeja estender este trabalho para determinar o mecanismo de ação do Lhx2 e se a modulação dos níveis de Lhx2 pode direcionar ou restringir a diferenciação de células-tronco embrionárias (ES) ou células-tronco pluripotentes induzidas (iPS). Este trabalho será importante para o desenvolvimento de estratégias de reparação cerebral.

Este trabalho foi apoiado por doações do National Institutes of Health.

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