Pesquisador discute mecanismo por trás de um defeito congênito que afeta o tamanho do cérebro

O decaimento do RNA mediado por absurdo, ou NMD, é um mecanismo molecular evolutivamente conservado no qual RNAs mensageiros potencialmente defeituosos, ou mRNAs (material genético que instrui o corpo sobre como produzir proteínas), são degradados. A interrupção da via NMD pode levar a distúrbios neurológicos, doenças imunológicas, câncer e outras patologias. Mutações nos reguladores humanos do NMD são observadas em distúrbios do neurodesenvolvimento, incluindo autismo e deficiência intelectual.

Por que as mutações NMD são enriquecidas em distúrbios do neurodesenvolvimento permanece um mistério. Sika Zheng, professora de ciências biomédicas na Faculdade de Medicina e diretora fundadora do Centro de Biologia e Medicina de RNA da Universidade da Califórnia, em Riverside, liderou agora um estudo, publicado na revista Neurônioque revela o mecanismo celular molecular subjacente à regulação do tamanho do cérebro por NMD e sua desregulação na causa da microcefalia – uma condição na qual a cabeça de um bebê é muito menor do que o esperado.

A descoberta da equipe sugere que a manutenção da função neuronal do NMD é essencial para o desenvolvimento inicial do cérebro, a fim de prevenir a microcefalia. De acordo com Zheng, a modulação dos alvos do NMD pode ser um tratamento potencial para a microcefalia e outras doenças relacionadas ao neurodesenvolvimento.

O estudo explica os papéis funcionais do NMD no desenvolvimento do cérebro e a ação mecanicista subjacente. Também demonstra pela primeira vez a ligação entre a regulação do decaimento do mRNA e o controle do tamanho do cérebro. Além disso, revela a intrincada ligação entre o NMD e o gene supressor de tumor mais famoso, o p53, sugerindo possíveis novas ligações entre o NMD e o cancro.

O título do artigo de pesquisa é “Interações epistáticas entre NMD e manutenção de células progenitoras de controle TRP53 e tamanho do cérebro”. Zheng foi acompanhado no estudo por Liang Chen, da Universidade do Sul da Califórnia, Chun-Wei Chen, da Cidade da Esperança, Gene Yeo, da UC San Diego, e membros de seus laboratórios.

Abaixo, Zheng responde perguntas sobre a pesquisa.

Por que tem sido um desafio entender por que as mutações do NMD são enriquecidas no transtorno do neurodesenvolvimento?

Como mecanismo de vigilância, o NMD tem como alvo mRNA defeituoso resultante de mutações aleatórias ou erros de processamento de RNA. Não se espera que essa aleatoriedade crie características idiossincráticas de distúrbios do neurodesenvolvimento associados a fatores NMD.

Além disso, o NMD ocorre em todos os tipos de células e tecidos, mas o cérebro parece particularmente vulnerável aos defeitos do NMD. Modelos animais de defeitos NMD neuroespecíficos, seguidos de investigação mecanicista aprofundada, são necessários para entender por que as mutações NMD são enriquecidas em distúrbios do neurodesenvolvimento, o que não foi realizado até agora, em parte devido à complexidade do desenvolvimento cerebral e aos desafios técnicos de dissecar os substratos funcionais do NMD.

Como você identificou o mecanismo celular molecular subjacente à regulação do tamanho do cérebro por NMD e sua desregulação causando microcefalia?

Geramos vários modelos animais com deficiência de NMD eliminando um fator-chave de NMD, Upf2, em diferentes tipos de células, e determinamos suas diferenças fenotípicas. Descobrimos que a deficiência de NMD causa mais impactos nos progenitores neurais proliferativos, o que é consistente com a noção de que a função de NMD é essencial para o desenvolvimento inicial do cérebro e suas mutações são enriquecidas em distúrbios do neurodesenvolvimento.

É importante ressaltar que mostramos que a deficiência de NMD em células progenitoras causa microcefalia, uma nova descoberta que liga uma via de decaimento de NMD ao controle do tamanho do cérebro. Para dissecar os mecanismos subjacentes e determinar os substratos funcionais do NMD que causam esses fenótipos, aplicamos tecnologias de ponta, incluindo triagem CRISPR, RNA-Seq, CLIP-seq e RNA-seq de célula única. Somente através desta abordagem integrativa conseguimos revelar a base molecular.

Uma vez encontrado o fenótipo da microcefalia, usamos modelos de cultura celular primária para definir os defeitos de crescimento do knockout de Upf2, ou Upf2KO, em progenitores neurais. Em seguida, aplicamos a triagem CRISPRi para identificar genes cuja perturbação pode interferir no defeito de crescimento dos NPCs Upf2KO.

Entre centenas de genes que examinamos, identificamos alguns candidatos e seguimos o principal candidato, o p53, que é bem conhecido por ser um gene supressor de tumor que controla o crescimento celular. Posteriormente, utilizamos várias abordagens de células únicas e tecnologias transcriptômicas para determinar precisamente como o NMD e o p53 se cruzam no controle do crescimento celular.

A identificação do p53 na tela CRISPRi foi uma surpresa para nós porque o p53 é um dos genes mais estudados, e muitos assumem que seus interatores genéticos já estão identificados e o NMD não fez parte dessa lista. Em segundo lugar, mostramos [that] a deficiência em Trp53, um gene que codifica p53 (ou TRP53), não reverteu globalmente a inibição do NMD para resgatar os defeitos de crescimento.

Em vez disso, nossa descoberta sugere que a atividade do TRP53 se cruza com a via NMD para regular a progressão do ciclo celular dos progenitores neuronais. Esta intersecção representa uma proporção muito pequena dos substratos NMD, indicando que a maioria dos substratos NMD tem impactos funcionais marginais no crescimento celular.

O estudo foi feito usando células de camundongo. Podemos dizer que os resultados seriam replicados em células humanas?

Sim. A via NMD é evolutivamente conservada e o fator chave no qual focamos no estudo, UPF2, é conservado entre humanos e camundongos. Outros atores moleculares que identificamos neste estudo também são conservados. Sua relação regulatória foi replicada em células humanas.

O que vem a seguir para a equipe de pesquisa?

Planejamos construir células-tronco humanas portadoras de mutações NMD, para que possamos modificar a atividade NMD com drogas ou regular alvos NMD para resgatar fenótipos em neurônios humanos. Além disso, exploraremos se o novo papel do NMD contribui para a expansão do tamanho do cérebro durante a evolução.