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As células-tronco são uma maravilha biológica. Eles podem reparar, restaurar, substituir e regenerar células. Na maioria dos animais e humanos, essas células estão limitadas a regenerar apenas o tipo de célula a que foram atribuídas. Assim, as células-tronco do cabelo só produzirão cabelo. Células-tronco intestinais produzirão apenas intestinos. Mas muitos invertebrados distantes têm populações de células-tronco que são pluripotentes em animais adultos, o que significa que podem regenerar praticamente qualquer tipo de célula ausente, um processo chamado regeneração de corpo inteiro.
Embora essas células-tronco pluripotentes adultas (aPSCs) sejam encontradas em muitos tipos diferentes de animais (como esponjas, hidras, platelmintos planários, vermes acoel e alguns ascídias), o mecanismo de como elas são produzidas não é conhecido em nenhuma espécie.
Em um novo estudo em Célula pesquisadores do Departamento de Biologia Organísmica e Evolutiva da Universidade de Harvard identificaram o mecanismo celular e a trajetória molecular para a formação de aPSCs no verme acoel, Hofstenia miamia.
H. miamia, também conhecido como verme-pantera de três bandas, é uma espécie que pode se regenerar totalmente usando aPSCs chamados “neoblastos”. Picar H. miamia em pedaços e cada pedaço vai crescer um novo corpo, incluindo tudo, desde a boca até o cérebro. O autor sênior Professor Mansi Srivastava coletou H. miamia no campo há muitos anos por causa de sua capacidade regenerativa. Uma vez de volta ao laboratório, H. miamia começou a produzir muitos embriões que poderiam ser facilmente estudados.
Um estudo anterior de Srivastava e co-autor do pesquisador de pós-doutorado Lorenzo Ricci desenvolveu um protocolo para transgênese em H. miamia. A transgênese é um processo que introduz algo no genoma de um organismo que normalmente não faz parte desse genoma. Este método permitiu que o principal autor Julian O. Kimura (PhD ’22) prosseguisse com sua questão de como essas células-tronco são produzidas.
“Uma característica comum entre os animais que podem se regenerar é a presença de células-tronco pluripotentes no corpo adulto”, disse Kimura. “Essas células são responsáveis por refazer partes do corpo perdidas quando o animal é ferido. Ao entender como os animais gostam H. miamia fazer essas células-tronco, senti que poderíamos entender melhor o que dá a certos animais habilidades regenerativas.”
Existem algumas características unificadoras dessas populações de células-tronco em animais adultos, como a expressão de um gene chamado Piwi. Mas em nenhuma espécie até agora alguém conseguiu descobrir como essas células-tronco são produzidas. “Eles foram estudados principalmente no contexto de animais adultos”, disse Srivastava, “e em algumas espécies sabemos um pouco sobre como eles podem funcionar, mas não sabemos como são feitos”.
Os pesquisadores sabiam que os filhotes de vermes continham aPSCs, então raciocinaram que eles deveriam ser produzidos durante a embriogênese. Ricci usou a transgênese para criar uma linhagem que fazia com que as células do embrião brilhassem em verde fluorescente devido à introdução da proteína Kaede na célula. Kaede é fotoconversível, o que significa que um raio laser com um comprimento de onda muito específico no verde o converterá em uma cor vermelha. Você pode então eliminar as células com um laser para transformar as células verdes individuais do embrião em uma cor vermelha.
“Usar animais transgênicos com fotoconversão é uma reviravolta muito nova que criamos no laboratório para descobrir o destino das células embrionárias”, disse Srivastava. Kimura aplicou esse método para rastrear a linhagem, deixando os embriões crescerem e observando o que acontecia.
Kimura acompanhou o desenvolvimento do embrião conforme ele se dividia de uma única célula para várias células. A divisão inicial dessas células é marcada por clivagem estereotipada, o que significa que as células de embrião para embrião se dividem exatamente no mesmo padrão, de modo que as células possam ser nomeadas e estudadas de forma consistente. Isso levantou a possibilidade de que talvez cada célula tenha um propósito único. Por exemplo, no estágio de oito células, é possível que a célula do canto superior esquerdo produza um determinado tecido, enquanto a célula inferior direita produz outro tecido.
Para determinar a função de cada célula, Kimura realizou sistematicamente a fotoconversão para cada uma das células do embrião inicial, criando um mapa completo do destino no estágio de oito células. Ele então rastreou as células enquanto o verme crescia em um adulto que ainda carregava a etiqueta vermelha. O processo repetitivo de seguir cada célula individual repetidas vezes através de muitos embriões tornou possível para Kimura rastrear onde cada célula estava funcionando.
No embrião de dezesseis células, ele encontrou um par muito específico de células que deu origem a células que pareciam ser os neoblastos. “Isso realmente nos empolgou”, disse Kimura, “mas ainda havia a possibilidade de que os neoblastos surgissem de várias fontes no embrião inicial, não apenas dos dois pares encontrados no estágio de dezesseis células. Encontrar células que simplesmente se assemelhavam aos neoblastos na aparência não havia evidência definitiva de que eles realmente eram neoblasts, precisávamos mostrar que eles também se comportavam como neoblasts.”
Para ter certeza, Kimura colocou este conjunto particular de células, chamado 3a/3b em H. miamia, em julgamento. Para serem os neoblastos, as células devem satisfazer todas as propriedades conhecidas das células-tronco. A progênie dessas células está produzindo novos tecidos durante a regeneração? Os pesquisadores descobriram que sim, a progênie apenas dessas células produziu novos tecidos durante a regeneração.
Outra propriedade definidora é o nível de expressão gênica nas células-tronco, que devem ter centenas de genes expressos. Para determinar se 3a/3b se encaixa nessa propriedade, Kimura pegou a progênie com 3a/3b brilhando em vermelho e todas as outras células brilhando em verde e usou uma máquina de classificação que separou as células vermelhas e verdes. Ele então aplicou a tecnologia de sequenciamento de célula única para perguntar quais genes estão sendo expressos nas células vermelhas e nas células verdes. Esses dados confirmaram que, no nível molecular, apenas a progênie das células 3a/3b correspondia às células-tronco e não à progênie de qualquer outra célula.
“Essa foi a confirmação definitiva do fato de que encontramos a fonte celular da população de células-tronco em nosso sistema”, disse Kimura. “Mas, mais importante, conhecer a fonte celular das células-tronco agora nos dá uma maneira de capturar as células à medida que amadurecem e definir quais genes estão envolvidos em sua produção”.
Kimura gerou um enorme conjunto de dados de desenvolvimento embrionário no nível de célula única detalhando quais genes estavam sendo expressos em todas as células em embriões desde o início até o final do desenvolvimento. Ele permitiu que as células 3a/3b convertidas se desenvolvessem um pouco mais, mas não até o estágio de eclosão. Ele então capturou essas células usando a tecnologia de classificação. Ao fazer isso, Kimura poderia definir claramente quais genes estavam sendo expressos especificamente na linhagem de células que produzem as células-tronco.
“Nosso estudo revela um conjunto de genes que podem ser controladores muito importantes para a formação de células-tronco”, disse Kimura. “Os homólogos desses genes têm papéis importantes nas células-tronco humanas e isso é relevante em todas as espécies”.
“Julian começou no meu laboratório querendo estudar como as células-tronco são produzidas no embrião”, disse Srivastava, “e é uma história incrível que quando ele se formou ele tenha descoberto isso.”
Os pesquisadores planejam continuar se aprofundando no mecanismo de como esses genes estão trabalhando nas células-tronco de Hofstenia miamia, o que ajudará a contar como a natureza desenvolveu uma maneira de produzir e manter células-tronco pluripotentes. Conhecer os reguladores moleculares das aPSCs permitirá que os pesquisadores comparem esses mecanismos entre as espécies, revelando como as células-tronco pluripotentes evoluíram entre os animais.
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