Moscas da fruta ‘desgastadas’ ajudam a desvendar como os circuitos neurais permanecem conectados

Neurocientistas da Florida Atlantic University descobriram um papel surpreendente para uma proteína chamada “Frazzled” (conhecida como DCC em mamíferos) no sistema nervoso das moscas da fruta, mostrando como ela ajuda os neurônios a se conectarem e se comunicarem na velocidade da luz. A descoberta lança luz sobre os mecanismos fundamentais que garantem que os neurônios formem conexões confiáveis, ou sinapses, um processo essencial para todos os sistemas nervosos, desde insetos até humanos.

No estudo, os pesquisadores se concentraram no Sistema de Fibra Gigante (GF) da Drosophila, um circuito neural que controla o reflexo de fuga rápida dessa mosca da fruta. Com este trabalho, a equipa não só revelou um interveniente molecular chave nos circuitos neurais das moscas-das-frutas, mas também demonstrou o poder de combinar genética, imagem, fisiologia e modelação computacional para descobrir como os cérebros permanecem ligados – e o que acontece quando isso não acontece.

Os resultados, publicados na revista eNeuro, revelam que quando Frazzled está ausente ou sofre mutação, o sistema falha: os neurônios não conseguem formar conexões elétricas adequadas, as respostas neurais da mosca ficam mais lentas e a comunicação entre os neurônios GF e os músculos que eles controlam enfraquece.

Esses defeitos estão ligados à perda de junções comunicantes, pequenos canais que permitem aos neurônios transmitir sinais direta e rapidamente. Em particular, a equipa descobriu que a perda de uma proteína chamada shake-B(neural+16), que forma estas junções nos terminais pré-sinápticos, está na base de grande parte da falha de disparo.

Para compreender o papel preciso do Frazzled, os investigadores usaram uma ferramenta genética conhecida como sistema UAS-GAL4 para reintroduzir diferentes pedaços da proteína Frazzled em moscas mutantes. Surpreendentemente, apenas a porção intracelular de Frazzled – a parte dentro do neurônio que pode influenciar a expressão genética – foi suficiente para restaurar a estrutura das sinapses e a velocidade da comunicação neuronal. Quando esta porção foi interrompida, como pela exclusão de um domínio chave chamado P3 ou pela mutação de um local crucial dentro dele, o resgate falhou, indicando que o controle da atividade genética de Frazzled é essencial para a construção de junções comunicantes.

Além dos experimentos de laboratório, a equipe também criou um modelo computacional do Sistema GF, simulando como o número de junções comunicantes afeta a capacidade dos neurônios de disparar de forma confiável. O modelo confirmou que mesmo pequenas mudanças na densidade das junções comunicantes podem alterar drasticamente a velocidade e a precisão dos sinais neurais.

“A combinação de trabalho experimental e computacional nos permitiu ver não apenas que o Frazzled é importante, mas exatamente como ele molda as conexões que permitem que os neurônios se comuniquem entre si”, disse Rodney Murphey, Ph.D., autor sênior e professor de ciências biológicas na FAU Charles E. Schmidt College of Science. “Nossos próximos passos serão explorar se mecanismos similares controlam circuitos neurais em outras espécies, incluindo mamíferos, e ver como isso pode influenciar o aprendizado, a memória ou até mesmo o reparo após uma lesão”.

Curiosamente, embora o Frazzled tenha sido estudado há muito tempo como uma molécula orientadora – ajudando os neurónios a crescer ao longo dos caminhos corretos – o estudo revelou que o seu domínio intracelular também regula diretamente a formação de sinapses. As moscas sem Frazzled frequentemente apresentavam neurônios que cresciam em direções aleatórias, não conseguindo atingir seus alvos. A restauração do domínio intracelular corrigiu muitos desses erros de orientação, demonstrando um papel duplo para o Frazzled na fiação dos neurônios e no ajuste fino de sua comunicação.

Este trabalho também traça paralelos com outros organismos. Foi demonstrado que proteínas semelhantes em vermes e vertebrados influenciam as sinapses químicas, sugerindo que Frazzled e seus parentes podem desempenhar um papel amplamente conservado na formação de redes neurais. Ao mostrar como uma única proteína controla os aspectos físicos e funcionais das sinapses elétricas, este estudo abre uma janela para as regras fundamentais que regem a montagem do sistema nervoso.

“Compreender como os neurônios formam conexões confiáveis ​​é uma questão central na neurociência”, disse Murphey. “Frazzled nos dá uma ideia clara de uma peça desse quebra-cabeça. Nossas descobertas podem informar estudos futuros sobre desenvolvimento neural, doenças neurodegenerativas e estratégias para reparar circuitos danificados.”

Os coautores do estudo são o primeiro autor Juan Lopez, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado na Charles E. Schmidt College of Science; Jana Boerner, Ph.D., diretora administrativa do Advanced Cell Imaging Core do FAU Stiles-Nicholson Brain Institute; Kelli Robbins, pesquisadora do Departamento de Ciências Biológicas da FAU; e Rodrigo Pena, Ph.D., professor assistente de ciências biológicas na Charles E. Schmidt College of Science.