Cientistas recriam minicérebros com variante genética de neandertais

O neurocientista brasileiro Alexandre Hiroaki Kihara, líder do Laboratório de Neurogenética e professor do Centro de Matemática, Computação e Cognição da Universidade Federal do ABC, integrou uma equipe de pesquisadores que recriaram minicérebros (ou organoides cerebrais) contendo material genético de neandertais e denisovanos, espécies de hominídeos extintas há milhares de anos.

O objetivo do estudo era compreender o que nos torna diferentes dos nossos ancestrais e como o cérebro evoluiu. A pesquisa foi coordenada pelo biólogo brasileiro Alysson Muotri, do Programa de Células-Tronco da Universidade da Califórnia em San Diego, nos Estados Unidos, e cofundador da Tismoo.

Foi a primeira vez que cientistas reconstruíram minicérebros com variantes genéticas de espécies próximas. O estudo foi publicado na renomada revista científica “Science”. No passado, o grupo já havia usado a mesma técnica, chamada de reprogramação celular, para comparar minicérebros de humanos com outros primatas, como os de chimpanzés e bonobos.

Os neandertais, os denisovanos e os humanos modernos se misturaram na era glacial da Europa e da Ásia. Os genes de ambas as espécies humanas extintas estão presentes em muitas pessoas. Estimativas sugerem que os ancestrais dos humanos modernos se separaram dos neandertais e dos denisovanos entre cerca de 553 mil e 589 mil anos atrás.

 “Desenvolvemos uma plataforma para testar o impacto de variantes genéticas específicas de humanos, reintroduzindo a forma arcaica encontrada em neandertais e denisovanos e medindo seus efeitos durante o neurodesenvolvimento, a partir de organoides do cérebro humano”, escreveram os pesquisadores à Science.

O estudo permitiu a enumeração de diferenças genéticas específicas de humanos que podem ter sido importantes para a evolução humana recente.

Segundo a equipe de pesquisadores, a comparação dos genomas de neandertais, denisovanos e humanos modernos existentes mostrou que muitos de nós hoje carregam genes introduzidos por meio de cruzamentos anteriores.

“As visões atuais da evolução humana, apoiadas pelo registro fóssil, indicam que muitos ramos da linhagem hominídea surgiram, mas apenas um sobreviveu até o presente. neandertais e denisovanos, duas dessas linhagens extintas, são nossos parentes evolutivos mais próximos e, portanto, fornecem o contraste genético e fenotípico mais sutil para nossa espécie”, escreveram os autores.

A equipe encontrou 61 genes que diferiam entre os humanos modernos e nossos ancestrais. Um desses genes, o NOVA1, foi especialmente estudado pelos pesquisadores, pois é um regulador genético que influencia muitos outros genes durante o desenvolvimento inicial do cérebro.

O grupo criou células-tronco com a variante do gene NOVA1, encontrada no genoma de neandertais. Para isso, eles usaram a edição do gene CRISPR – uma nova ferramenta de edição de genoma que permite que cientistas modifiquem genomas com precisão. Em seguida, em meio de cultura, que é um líquido com nutrientes, essas células foram transformadas em neurônios. Então, com a multiplicação dessas células neurais, os cientistas puderam ainda criar minicérebros.

Muotri notou que os minicérebros neandertais se desenvolveram de forma diferente dos cérebros humanos. Os organoides cerebrais arcaicos tinham uma superfície celular mais enrugada, suas células se multiplicavam mais lentamente do que em humanos modernos e também eram menores em diâmetro.

Há uma evidência de que provavelmente seríamos cognitivamente distintos das outras espécies. Isso porque as redes neurais alteradas se comportam de forma semelhante a algumas condições neurológicas que os pesquisadores modelaram em laboratório como subtipos de autismo.

Qual a sua participação nesse estudo?

A minha participação foi relativa à análise da atividade eletrofisiológica e funcional desses organoides cerebrais, assim como a interpretação do significado destes resultados. O estudo tem diversos níveis de abordagem, como a obtenção de células-tronco pluripontentes induzidas  (IPS) modificadas com o introdução do gene NOVA1 na sua versão arcaica. Estas células se diferenciam durante a formação dos organoides. Depois de obtidos os organoides cerebrais, foram feitas diversas análises. Uma das análises importantes foi a da atividade eletrofisiológica. Observamos muitas diferenças na atividade neuronal entre os neurônios do organoide humano se comparados com o organoide com a versão arcaica desse gene conhecido como NOVA1.

Como a edição de genoma foi usada nesse estudo?

A modificação do genoma foi obtida por meio de uma técnica conhecida por CRISPR. Essa é uma técnica bastante atual, que tem sido utilizada por diversos laboratórios ao redor do mundo. Com essa metodologia, é possível fazer edições bem pontuais no DNA. Para isso, é utilizada uma sequência guia para fazer essa edição. Existe toda uma técnica para determinar essa guia e gerar a modificação desejada que, nesse caso, foi de apenas um nucleotídeo [a unidade básica da informação no DNA]. Esse nucleotídeo modificado alterou um aminoácido na proteína. Assim, há a geração de uma proteína parecida, mas ligeiramente diferente da humana, que seria a versão encontrada nos neandertais.

Qual a diferença entre os minicérebros dos neandertais em comparação ao homem moderno?

Do ponto de visto mais macroscópico, a partir da qual é possível ver com uma lupa, observamos um desenvolvimento um pouco mais lento e uma superfície com maior complexidade no organoide com a versão arcaica do NOVA1.

Como são analisadas as redes neurais?

Em relação às redes neurais, temos feito uma avaliação com uma metodologia também nova, que possibilita a observação da atividade elétrica de centenas, até milhares de neurônios simultaneamente. No passado, com outras metodologias, era possível fazer a análise de atividade unitária, de um neurônio ou de alguns neurônios, se estivesse fazendo registro que chamamos de campo local, que é um registro extracelular [no exterior da célula]. Nesse caso, como estamos lidando com um organoide, podemos colocá-lo em uma superfície contendo múltiplos eletrodos, e esses eletrodos conseguem registrar múltiplos sinais, distribuídos no espaço. Assim, conseguimos observar a atividade elétrica em vários pontos do organoide simultaneamente.

A superfície é mais enrugada, semelhante a uma pipoca…

Exato, isso em relação ao observado no organoide humano.

Como foram verificadas as alterações observadas no desenvolvimento da rede neural?

Essa talvez tenha sido a nossa contribuição maior no trabalho. Quando você olha para atividade eletrofisiológica, aquilo pode significar muita coisa, mas pode não significar nada, se você não souber interpretar. É preciso realizar uma análise minuciosa dos registros. Usamos ferramentas computacionais e matemáticas para separar a atividade de um neurônio, a partir de um eletrodo. Como cada um dos múltiplos eletrodos é extracelular, ele capta a atividade de múltiplos neurônios. Partimos do pressuposto que o neurônio tem atividade sempre do mesmo jeito, até porque a preparação em que é feito o registro do neurônio é estável, não tem movimento. Quando analisamos o sinal do neurônio, é possível separar essa atividade no tempo de registro e assinalar essa atividade detectada a um neurônio específico, digamos assim. E se notamos uma atividade diferente da primeira, mas igual entre sim, assinalamos essa atividade a um segundo neurônio, e assim por diante. Ou seja, com essas metodologias de análise mais refinadas, é possível discriminar o sinal de um neurônio individual, apesar de o registro não ser de apenas um neurônio. 

Como captar o sinal de neurônios individuais?

Quando separamos a atividade de neurônios individuais a partir de um sinal que contém a atividade de múltiplos neurônios, conseguimos classificar a atividade de neurônios individuais, segundo a sua frequência e uma característica temporal, que é coeficiente de variação [método estatístico para demonstrar variabilidade de intervalos entre a atividade neuronal]. Quando se determina a atividade de um neurônio, é como se você fizesse uma série binária, usada em computação, composta pela alternância entre os dígitos zero e um. Codificamos com zero a ausência de atividade e um, a atividade, aquela oscilação elétrica rápida que é típica de neurônio, conhecida como potencial de ação. De posse das séries binárias, podemos fazer análises sobre as séries binárias. Uma das análises que fizemos é a de frequência, ou seja, a atividade que observamos durante determinado tempo. Quando mais o número um observamos nessa série binária, mais atividade ocorreu naquele período. Quanto mais zeros, menor a atividade. A análise dessas séries também revela os períodos de intervalo entre as atividades. Então, podemos medir a duração dos intervalos. Isso nos dá uma medida que é a média e o desvio padrão dos intervalos. Com isso, calculamos o coeficiente de variação, que é uma medida matemática. Observamos uma maior variabilidade de neurônios no organoide com NOVA1 arcaico, além de uma atividade mais complexa, menos esperada, uma atividade mais improvável. O que quero dizer com improvável? Vamos considerar que zero e um seja o jogo de cara ou coroa. O resultado mais ou menos esperado é uma alternância entre zero e um, se a moeda não for viciada. Em um dado cenário, você tem zero e depois cinco uns, depois quatro zeros, depois seis uns. Não é um resultado esperado, é menos provável. Ou seja, um padrão mais complexo.

Isso tem a ver com nível de organização dos circuitos…

Esses resultados têm a ver com nível de organização dos circuitos. Quanto mais a matéria está organizada, mais os circuitos podem gerar uma resposta não aleatória, justamente pela organização. Ao passo que se você tem um sistema primário, mais simples, menos organizado, em princípio você pode esperar respostas mais aleatórias. Essa ideia é baseada na Segunda Lei da Termodinâmica, isto é, um sistema fechado caminha para um estado cada vez mais homogêneo. Esse é o conceito de entropia.

As alterações observadas no organoide com NOVA1 arcaico se assemelhariam ao que seria observado no autismo? Poderia explicar o que isso significa?

Essa conclusão é uma extrapolação para o tipo de resultado que observamos. O transtorno do espectro autista está normalmente associado com processos de desenvolvimento. O gene NOVA1, na sua versão arcaica, realiza a edição RNAs mensageiros [os responsáveis  por levar a informação do DNA do núcleo até o citoplasma, onde a proteína será produzida, que codificam proteínas neuronais sinápticas ligadas à diferenciação e comunicação de neurônios de forma distinta em relação ao NOVA1 humano. Aparentemente, alguns desses genes alterados também estão presentes em alguns quadros de autismo. Com todo cuidado com essa extrapolação, podemos propor que os cérebros dos neandertais poderiam ser ligeiramente diferentes do nosso. Ainda, podemos especular que essas alterações poderiam ter impacto em uma menor facilidade de comunicação e interação social, que é um quadro que se encontra frequentemente no autismo.

A alteração de redes cerebrais ligadas a interações sociais levou à extinção dos neandertais?

Essa é uma especulação que precisaria ter maior investigação. O que se pode observar é que o ser humano chegou ao estado em que se encontra pela capacidade de interação. Como exemplo clássico, temos o “mouse”, que em dimensão não é muito diferente de uma pedra. É um artefato poderoso, que, no entanto, se pode comprar por um valor baixo. Mas nenhum ser humano consegue sozinho construir o “’mouse”. Você precisa de plástico, fios, elementos ópticos e metais. Ou seja, é preciso interação para construí-lo. Porque vivemos em sociedade conseguimos trocar informações entre nós, mas também obter de outras pessoas que deixaram o seu legado. Nossa espécie prosperou graças à interação social, algo muito importante para a sobrevivência. Se os neandertais não tiveram essa habilidade no mesmo nível foi uma desvantagem para eles.

Houve um gene específico que chamou a atenção, o gene NOVA1. Por quê?

Esse gene já havia sido descrito com certa especificidade em células do sistema nervoso, em especial, neurônios. Ele codifica uma proteína que regula como outros genes serão expressos. Esse gene pode sofrer alterações e, quando presentes, são chamadas de edições alternativas do RNA mensageiro. Ou seja, o NOVA1 é um gene que regula como outros genes serão codificados em proteínas e, ao mesmo tempo, tinha especificidades neuronais. Juntamente com o laboratório do Alysson Muotri e outros colaboradores ao redor do mundo, temos a ideia de estudar vários outros genes neandertais já mapeados.