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Um dos dois únicos vertebrados sem mandíbula, as lampreias marinhas que estão causando estragos na pesca do Centro-Oeste estão, ao mesmo tempo, ajudando os cientistas a entender as origens de duas importantes células-tronco que impulsionaram a evolução dos vertebrados.
Biólogos da Universidade Northwestern identificaram quando a rede genética que regula essas células-tronco pode ter evoluído e obtiveram insights sobre o que pode ser responsável pela ausência de mandíbulas nas lampreias.
Os dois tipos de células — células da blástula pluripotentes (ou células-tronco embrionárias) e células da crista neural — são ambas “pluripotentes”, o que significa que podem se tornar todos os outros tipos de células do corpo.
Em um novo artigo, pesquisadores compararam genes de lampreia aos do Xenopus, um sapo aquático com mandíbula. Usando transcriptômica comparativa, o estudo revelou uma rede de genes de pluripotência surpreendentemente similar entre vertebrados sem mandíbula e com mandíbula, mesmo no nível de abundância de transcritos para fatores regulatórios importantes.
Mas os pesquisadores também descobriram uma diferença fundamental. Enquanto as células da blástula de ambas as espécies expressam o gene pou5, um regulador-chave de células-tronco, o gene não é expresso em células-tronco da crista neural em lampreias. Perder esse fator pode ter limitado a capacidade das células da crista neural de formar tipos de células encontrados em vertebrados com mandíbula (animais com espinhos) que compõem a cabeça e o esqueleto da mandíbula.
O estudo será publicado em 26 de julho na revista Natureza Ecologia e Evolução.
Ao comparar a biologia de vertebrados com e sem mandíbula, os pesquisadores podem obter insights sobre as origens evolutivas das características que definem os animais vertebrados, incluindo os humanos, como as diferenças na expressão genética contribuem para as principais diferenças no plano corporal e como era o ancestral comum de todos os vertebrados.
“As lampreias podem ser a chave para entender de onde viemos”, disse Carole LaBonne, da Northwestern, que liderou o estudo. “Na biologia evolutiva, se você quer entender de onde uma característica veio, não pode esperar por vertebrados mais complexos que vêm evoluindo independentemente por 500 milhões de anos. Você precisa olhar para trás, para qualquer versão mais primitiva do tipo de animal que você está estudando, o que nos leva de volta aos peixes-bruxa e às lampreias — os últimos exemplos vivos de vertebrados sem mandíbula.”
Especialista em biologia do desenvolvimento, LaBonne é professora de biociências moleculares no Weinberg College of Arts and Sciences. Ela ocupa a Cátedra Erastus Otis Haven e faz parte da liderança do novo Simons National Institute for Theory and Mathematics in Biology da National Science Foundation (NSF).
LaBonne e seus colegas demonstraram anteriormente que a origem do desenvolvimento das células da crista neural estava ligada à retenção da rede reguladora de genes que controla a pluripotência nas células-tronco da blástula. No novo estudo, eles exploraram a origem evolutiva dos vínculos entre essas duas populações de células-tronco.
“As células-tronco da crista neural são como um conjunto evolucionário de Lego”, disse LaBonne. “Elas se tornam tipos de células muito diferentes, incluindo neurônios e músculos, e o que todos esses tipos de células têm em comum é uma origem de desenvolvimento compartilhada dentro da crista neural.”
Enquanto as células-tronco embrionárias no estágio de blástula perdem sua pluripotência e ficam confinadas a tipos distintos de células rapidamente à medida que o embrião se desenvolve, as células da crista neural retêm o kit de ferramentas moleculares que controla a pluripotência mais tarde no desenvolvimento.
A equipe de LaBonne encontrou uma rede de pluripotência completamente intacta dentro das células da blástula da lampreia, células-tronco cujo papel dentro dos vertebrados sem mandíbula era uma questão em aberto. Isso implica que as populações de células-tronco da blástula e da crista neural de vertebrados com e sem mandíbula coevoluíram na base dos vertebrados.
O pesquisador de pós-doutorado da Northwestern e primeiro autor, Joshua York, observou “mais semelhanças do que diferenças” entre a lampreia e o Xenopus.
“Enquanto a maioria dos genes que controlam a pluripotência são expressos na crista neural da lampreia, a expressão de um desses genes-chave — pou5 — foi perdida dessas células”, disse York. “Surpreendentemente, embora pou5 não seja expresso na crista neural de uma lampreia, ele poderia promover a formação da crista neural quando o expressamos em sapos, sugerindo que esse gene é parte de uma antiga rede de pluripotência que estava presente em nossos primeiros ancestrais vertebrados.”
O experimento também os ajudou a levantar a hipótese de que o gene foi perdido especificamente em certas criaturas, e não algo que vertebrados com mandíbula desenvolveram mais tarde.
“Outra descoberta notável do estudo é que, embora esses animais estejam separados por 500 milhões de anos de evolução, há restrições rigorosas nos níveis de expressão dos genes necessários para promover a pluripotência.” LaBonne disse. “A grande questão sem resposta é: por quê?”
O artigo foi financiado pelo National Institutes of Health (bolsas R01GM116538 e F32DE029113), NSF (bolsa 1764421), Simons Foundation (bolsa SFARI 597491-RWC) e Walder Foundation por meio da Life Sciences Research Foundation. O estudo é dedicado à memória do Dr. Joseph Walder.
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