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Os investigadores do Salk Institute, como parte de uma colaboração mais ampla com equipas de investigação de todo o mundo, analisaram mais de meio milhão de células cerebrais de três cérebros humanos para montar um atlas de centenas de tipos de células que constituem um cérebro humano com detalhes sem precedentes.
A pesquisa, publicada em edição especial da revista Ciência em 13 de outubro de 2023, é a primeira vez que técnicas para identificar subtipos de células cerebrais originalmente desenvolvidas e aplicadas em camundongos foram aplicadas a cérebros humanos.
“Estes artigos representam os primeiros testes para saber se estas abordagens podem funcionar em amostras de cérebro humano, e ficámos entusiasmados com a qualidade da sua tradução”, diz o professor Joseph Ecker, diretor do Laboratório de Análise Genómica de Salk e investigador do Howard Hughes Medical Institute. “Este é realmente o início de uma nova era na ciência do cérebro, onde seremos capazes de compreender melhor como os cérebros se desenvolvem, envelhecem e são afetados pelas doenças”.
O novo trabalho faz parte do projeto do Instituto Nacional de Saúde Pesquisa cerebral através do avanço da iniciativa de neurotecnologias inovadoras, ou The BRAIN Initiative, um esforço lançado em 2014 para descrever toda a infinidade de células – caracterizadas por muitas técnicas diferentes – em cérebros de mamíferos. Salk é uma das três instituições que receberam subsídios para atuar como atores centrais na geração de dados para a Rede de Censo Celular da Iniciativa NIH BRAIN, BICCN.
Cada célula do cérebro humano contém a mesma sequência de DNA, mas em diferentes tipos de células diferentes genes são copiados em cadeias de RNA para serem usados como modelos de proteínas. Esta variação final na qual as proteínas são encontradas em quais células – e em que níveis – permite a vasta diversidade de tipos de células cerebrais e a complexidade do cérebro. Saber quais células dependem de quais sequências de DNA para funcionar é fundamental não apenas para entender como o cérebro funciona, mas também como as mutações no DNA podem causar distúrbios cerebrais e, de forma relacionada, como tratar esses distúrbios.
“Assim que ampliarmos nossas técnicas para um grande número de cérebros, poderemos começar a abordar questões que não conseguimos fazer no passado”, diz Margarita Behrens, professora pesquisadora do Laboratório de Neurobiologia Computacional de Salk e co-diretora. investigador do novo trabalho.
Em 2020, Ecker e Behrens lideraram a equipe Salk que traçou o perfil de 161 tipos de células no cérebro de camundongos, com base em marcadores químicos metílicos ao longo do DNA que especificam quando os genes são ativados ou desativados. Este tipo de regulação do DNA, chamada metilação, é um nível de identidade celular.
No novo artigo, os pesquisadores usaram as mesmas ferramentas para determinar os padrões de metilação do DNA em mais de 500 mil células cerebrais de 46 regiões do cérebro de três doadores de órgãos adultos saudáveis do sexo masculino. Embora os cérebros dos ratos sejam basicamente os mesmos de animal para animal e contenham cerca de 80 milhões de neurônios, os cérebros humanos variam muito mais e contêm cerca de 80 milhões de neurônios. bilhão neurônios.
“É um grande salto dos ratos para os humanos e também introduz alguns desafios técnicos que tivemos de superar”, diz Behrens. “Mas fomos capazes de adaptar coisas que descobrimos em ratos e ainda obter resultados de altíssima qualidade com cérebros humanos”.
Ao mesmo tempo, os investigadores também utilizaram uma segunda técnica, que analisou a estrutura tridimensional das moléculas de ADN em cada célula para obter informações adicionais sobre quais sequências de ADN estão a ser ativamente utilizadas. As áreas de DNA expostas têm maior probabilidade de serem acessadas pelas células do que trechos de DNA firmemente dobrados.
“Esta é a primeira vez que observamos essas estruturas dinâmicas do genoma em um nível totalmente novo de granularidade do tipo de célula no cérebro, e como essas estruturas podem regular quais genes estão ativos em quais tipos de células”, diz Jingtian Zhou, co- primeiro autor do novo artigo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ecker.
Outras equipes de pesquisa cujo trabalho também é publicado na edição especial da Ciência usaram células dos mesmos três cérebros humanos para testar suas próprias técnicas de perfil celular, incluindo um grupo da UC San Diego liderado por Bing Ren – também coautor do estudo de Ecker e Behrens. A equipe de Ren revelou uma ligação entre tipos específicos de células cerebrais e distúrbios neuropsiquiátricos, incluindo esquizofrenia, transtorno bipolar, doença de Alzheimer e depressão grave. Além disso, a equipe desenvolveu modelos de aprendizagem profunda de inteligência artificial que prevêem o risco desses distúrbios.
Outros grupos da colaboração global concentraram-se na medição dos níveis de RNA para agrupar as células em subtipos. Os grupos encontraram um alto nível de correspondência em cada região do cérebro entre quais genes foram ativados, com base nos estudos de DNA da equipe de Ecker e Behrens, e quais genes foram transcritos em RNA.
Como a nova pesquisa de Salk pretendia ser um estudo piloto para testar a eficácia das técnicas em cérebros humanos, os pesquisadores dizem que ainda não podem tirar conclusões sobre quantos tipos de células podem ser descobertos no cérebro humano ou como esses tipos diferem entre si. ratos e humanos.
“O potencial para encontrar tipos de células únicos em humanos que não vemos em ratos é realmente emocionante”, diz Wei Tian, coautor do novo artigo e cientista da equipe do laboratório de Ecker. “Fizemos um progresso incrível, mas sempre há mais perguntas a serem feitas.”
Em 2022, a NIH Brain Initiative lançou uma nova BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN), que dará seguimento aos esforços do BICCN. Em Salk, um novo Centro de Atlas Multiômico de Células Cerebrais Humanas, financiado pelo BICAN, tem como objetivo estudar células de mais de uma dúzia de cérebros humanos e fazer perguntas sobre como o cérebro muda durante o desenvolvimento, ao longo da vida das pessoas e com doenças. Esse trabalho mais detalhado num maior número de cérebros, diz Ecker, abrirá caminho para uma melhor compreensão de como certos tipos de células cerebrais se comportam mal em distúrbios e doenças cerebrais.
“Queremos ter uma compreensão completa do cérebro ao longo da vida, para que possamos identificar exatamente quando, como e em que tipos de células as coisas correm mal com as doenças – e potencialmente prevenir ou reverter essas alterações prejudiciais”, diz Ecker.
Outros autores do artigo são Anna Bartlett, Qiurui Zeng, Hanqing Liu, Rosa G. Castanon, Mia Kenworthy, Jordan Altshul, Cynthia Valadon, Andrew Aldridge, Joseph R. Nery, Huaming Chen, Jiaying Xu, Nicholas D. Johnson, Jacinta Lucero , Julia K. Osteen, Nora Emerson, Jon Rink, Jasper Lee, Michelle Liem, Naomi Claffey e Caz O’Connor de Salk; Yang Li e Bing Ren, do Instituto Ludwig de Pesquisa do Câncer da UC San Diego; Kimberly Siletti e Sten Linnarsson do Karolinska Institutet; Anna Marie Yanny, Julie Nyhus, Nick Dee, Tamara Casper, Nadiya Shapovalova, Daniel Hirschstein, Rebecca Hodge, Boaz P. Levi e Ed Lein do Allen Institute for Brain Science; e C. Dirk Keene, da Universidade de Washington.
O trabalho foi apoiado por doações do Instituto Nacional de Saúde Mental (U01MH121282, UM1 MH130994, NIMH U01MH114812), da Iniciativa BRAIN dos Institutos Nacionais de Saúde (NCI CCSG: P30 014195), do Nancy and Buster Alvord Endowment e do Howard Hughes Medical Instituto.
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