Novo projeto visa mapear a variação celular no cérebro humano saudável

As pessoas variam amplamente em como pensamos e nos comportamos e em nossa vulnerabilidade a doenças, e essa variação pode ser atribuída, pelo menos em parte, aos nossos cérebros. No entanto, os cientistas não sabem como os cérebros saudáveis ​​variam de um indivíduo para outro, como os genes e o ambiente geram essa variação ou como os cérebros humanos variam nos níveis celular e molecular.

Para ajudar a responder a essas perguntas, pesquisadores do Broad Institute do MIT e de Harvard estão trabalhando para criar um “atlas” da variação humana cérebro células. O projeto incluirá dados de dezenas de milhões de células, coletadas por biobancos como o NIH NeuroBioBank, de mais de 200 pessoas de diversas idades e sexos. O esforço servirá como um valioso ponto de comparação para estudos de distúrbios cerebrais e é apoiado pela Iniciativa BRAIN do National Institutes of Health, que visa identificar e caracterizar diferentes tipos de células no cérebro humano.

Para construir o atlas, a equipe planeja usar técnicas como sequenciamento de RNA de núcleo único, que investiga a expressão gênica em células individuais, e ATAC-seq de núcleo único, que fornece aos cientistas informações sobre a acessibilidade do DNA para regulação de genes. Os cientistas também aplicarão transcriptômica espacial para entender o arranjo espacial das células e como a expressão gênica varia em diferentes regiões do tecido cerebral.

O projeto é liderado por Evan Macosko, membro do instituto do Broad e psiquiatra assistente do Massachusetts General Hospital, e Steven McCarroll, membro do instituto e diretor de neurobiologia genômica do Broad’s Stanley Center for Psychiatric Research, e professor de ciências biomédicas e genética na Harvard Medical School. Outros colaboradores incluem Fei Chen, membro principal do instituto, Elise Robinson e Paola Arlotta, membros do instituto, Mehrtash Babadi, diretor associado de aprendizado de máquina, e Randy Buckner, investigador do Mass General.

Conversamos com Macosko e McCarroll sobre as ferramentas que eles usarão para investigar essa variação e o que eles esperam que seus esforços revelem sobre o cérebro nas perguntas e respostas a seguir.

Como surgiu a ideia deste atlas?

EM: Muitos anos atrás, quando eu era pós-doutorando com Steve, queríamos desenvolver uma tecnologia que nos permitisse observar sistematicamente a expressão gênica nas células do cérebro. Tínhamos acabado de ver os primeiros indícios de sinais genéticos associados à esquizofrenia e ao transtorno bipolar. Uma grande questão era entender como esses genes estão agindo em tipos específicos de células cerebrais.

Então desenvolvemos essa tecnologia chamada Drop-seq, que foi a primeira ferramenta para análise de célula única de alto rendimento. Isso abriu caminho para muito do trabalho de célula única que foi feito aqui no Broad e em outros lugares nos últimos sete anos. Ao longo do caminho, nos concentramos em entender o que há de diferente no cérebro de pessoas com doenças mentais. Este projeto é sobre fornecer uma linha de base para esse trabalho.

SM: Mesmo em nossas primeiras conversas sobre Drop-seq, tínhamos a aspiração de que tal tecnologia um dia tornaria possível fazer coisas como esta – pegar algo incrivelmente interessante, como a variação neurobiológica humana, que não é realmente descrita em uma escala molecular e nível celular, e realmente tentar entendê-lo. Esta é agora a chance de fazer isso.

Por que é tão importante ter uma compreensão básica do intervalo de ‘normal’?

EM: Ele aborda questões básicas sobre o que nos torna diferentes. Existem diferenças no nível celular, mas realmente não temos uma noção de quais são essas diferenças. o genoma humano varia de pessoa para pessoa, mas essa variação não é apenas aleatória. Suspeitamos que a variação das células no cérebro seja muito semelhante. Existem certas variações comumente observadas que você vê nas pessoas, e essas variações evoluem de maneiras previsíveis ao longo do desenvolvimento e envelhecimento. Esses são princípios que não entendemos de forma alguma e podem levar a insights importantes sobre como o cérebro funciona.

E acho que o que pode mudar o jogo é que estamos tentando desenvolver uma área da biologia que simplesmente não existe. A neurociência é quase inteiramente realizada em animais de laboratório que não apresentam variação. Existem algumas exceções notáveis ​​a isso, mas a grande maioria do trabalho é em camundongos endogâmicos que são mantidos exatamente nas mesmas gaiolas durante toda a vida. Isso permite experimentos muito disciplinados e estruturados. Mas não nos dá uma noção do alcance do normal do que um cérebro pode experimentar e sofrer celularmente. Estamos tentando traçar um caminho para entender essa variação e como ela se conecta à doença.

SM: Tudo na biologia humana é um intervalo, e não uma medição pontual. Sempre que você faz um exame de sangue padrão, os resultados obtidos mostram não apenas os valores que você tinha naquele momento, mas também a faixa de valores considerados normais. Esses intervalos são amplos. Quando falamos de biologia humana, não estamos falando apenas de uma coisa – estamos falando de algo muito dinâmico, que muda ao longo do dia, ao longo da vida, e que é altamente variável mesmo entre pessoas saudáveis.

O cérebro humano é o monólito favorito da nossa cultura. Essa frase, “o cérebro humano”, é usada como se fosse uma coisa só. Em relação ao cérebro de um camundongo, os cérebros humanos são bastante semelhantes entre si. Mas a variação biológica entre cérebros humanos é vasto e fascinante e inclui tantas coisas com as quais nos preocupamos. É a diferença entre saúde e doença e a diferença entre alegria e desespero. É muito importante para nós entender o cérebro humano como uma entidade dinâmica.

Quais ferramentas você aplicará a esta pesquisa?

EM: Usaremos sequenciamento de RNA baseado em gotículas e análise epigenética. E também faremos análises espaciais. Meu laboratório, juntamente com o laboratório de Fei Chen, desenvolveu uma tecnologia chamada Slide-seqo que nos permite ver expressão genetica em uma seção bidimensional. Utilizar essa tecnologia será uma maneira de começarmos a interpretar a variação que estamos vendo, não apenas observando as próprias células, mas suas posições no espaço. Será uma forma de conectar esses resultados à histologia e à estrutura do tecido de uma forma que não conseguimos antes.

O que é desafiador nesse tipo de trabalho?

EM: Existem os desafios intrínsecos associados à construção de um conjunto sistemático de dados em grande escala: ser metódico, disciplinado, organizado. Outro desafio associado a isso é a obtenção de amostras que correspondam por idade, sexo e ascendência. Gostaríamos que esse conjunto de dados representasse os Estados Unidos e não apenas um pequeno subconjunto dele. Estamos nos esforçando ao máximo para encontrar amostras que reflitam esse objetivo.

Cientificamente, outro grande desafio será a análise. Este é um enorme novo tipo de dados. Temos ótimas pessoas pensando sobre isso conosco, mas, é claro, haverá muito o que fazer para descompactar todos esses dados complexos para tentar encontrar princípios e ideias nos dados que também serão úteis para trabalhos futuros.

Como você imagina outros cientistas usando este atlas?

EM: É uma espécie de nosso conjunto de controle para doenças. Há muitos exemplos disso na genética. O Biobank do Reino Unido e o Projeto 1000 Genomas estavam todos tentando entender a variação geral dos genomas na população. É isso que estamos tentando fazer com este projeto – apenas entender a variação geral de cérebros na população. Isso pode lhe dar uma noção muito mais profunda e clara dos tipos de análises a serem feitas na doença. Se você sabe que certas variações estão ocorrendo nas pessoas, então você pode testar, como essas variações particulares se cruzam com a doença? Existem vulnerabilidades específicas?

SM: A genética humana está muito à frente da biologia experimental no sentido de que nossa capacidade de descobrir genes e alelos que afetam a doença é muito maior do que nossa capacidade de se beneficiar da descoberta desses genes. É o grande gargalo da ciência hoje. Esperamos que os tipos de recursos de dados e abordagens computacionais que criaremos ajudem a resolver o problema de genes para biologia – por exemplo, vendo como e onde os efeitos de variações genéticas comuns se manifestam no cérebro.

Todo o tecido cerebral que vamos estudar neste projeto provém dos chamados controles neurotípicos. “Normal” é uma faixa ampla e também inclui muitos estados subclínicos e vulnerabilidades, por isso é uma oportunidade de entendê-los. Também aplicaremos o processo de laboratório escalável e abordagens computacionais que desenvolvemos para este projeto a outros esforços que estudam distúrbios neuropsiquiátricos e neurodegenerativos.

O que sobre este trabalho te excita?

SM: Eu acho que a variação biológica humana é uma coisa fundamentalmente interessante. Os seres humanos sempre percebem variações entre outros humanos — fomos criados para perceber isso. Mas é uma coisa muito diferente conseguir entender biologicamente o que gera essa variação. E acho que esta é uma oportunidade histórica para realmente começar a entender isso cientificamente.

EM: Sou psiquiatra. Conheço muitas pessoas na clínica e é simplesmente extraordinário ver a variedade de comportamentos, pontos de vista e perspectivas que podem surgir nos seres humanos. Isso tem que ser codificado de alguma forma nas células do cérebro. Finalmente temos as ferramentas que nos permitem começar a explorar isso. Existe esse tipo de oportunidade a céu aberto e de visão geral aqui para aprender alguns princípios fundamentais sobre como o cérebro é organizado. E simplesmente não consigo pensar em nada mais emocionante como neurocientista.