Como os microRNAs agem como um ‘plano’ para o cérebro em desenvolvimento

Nossos cérebros contêm bilhões de neurônios e trilhões de conexões, e os cientistas estão apenas começando a entender o intrincado processo necessário para construir esse nível de complexidade. Isso inclui a descoberta do papel dos microRNAs: moléculas pequenas e de fita simples que ajudam a regular a produção de proteínas em todo o cérebro e o restante do corpo.

Agora, os cientistas da Scripps Research revelaram como os microRNAs afetam o desenvolvimento de células Purkinje – um tipo raro de neurônio com vínculos com distúrbios do desenvolvimento neurológico. Suas descobertas, publicadas em Neurôniopoderia ajudar a descobrir as origens complicadas dessas condições, além de lançar luz sobre como os microRNAs estão envolvidos no envelhecimento, plasticidade e outros processos cerebrais importantes.

“Dissecando redes de microRNA no cérebro em desenvolvimento tem implicações importantes para entender os distúrbios do desenvolvimento do neurode, especialmente nas células de Purkinje, que são o subtipo neuronal mais afetado no distúrbio do espectro do autismo”, diz o autor sênior Giordano Lippi, professor associado de neurociência da pesquisa de Scripps.

Estudos anteriores sugeriram que os microRNAs são críticos para o desenvolvimento do cérebro, mas seu papel específico na diferenciação – o processo de células -tronco amadurecendo em células especializadas – permaneceu incerta.

“Quando os neurônios se desenvolvem, eles precisam em algum momento decidir qual subtipo se tornarão, mas realmente não sabíamos muito sobre o plano que instrui essa diferenciação”, diz Lippi. “Havia muitas evidências sugerindo que os microRNAs poderiam ter um papel muito importante aqui, mas como as ferramentas não eram boas o suficiente, não poderíamos realmente acertar essa pergunta até agora”.

A equipe se concentrou nas células Purkinje, que compreendem menos de 1% das células no cerebelo. As células Purkinje integram informações de diferentes partes do cérebro e do corpo, permitindo -nos fazer movimentos suaves e controlados. Eles são algumas das maiores células cerebrais e têm uma aparência semelhante a uma árvore-um “tronco” de axônio único que suporta um sistema de “galhos” conhecido como arbor dendrítico. As células Purkinje também são cercadas por estruturas chamadas fibras de escalada que envolvem os dendritos das células e fornecem informações de outras partes do cérebro.

Para atingir seu tamanho grande e elaborado, o desenvolvimento de células Purkinje envolve períodos prolongados de crescimento e ramificação. Nos ratos, o longo processo de desenvolvimento de células de Purkinje está completo cerca de quatro semanas após o nascimento.

Para investigar como os microRNAs estão envolvidos na diferenciação dos neurônios, a equipe desenvolveu novas ferramentas que desativam temporariamente a função do microRNA durante janelas de desenvolvimento específicas. Eles descobriram que os microRNAs são críticos durante duas fases no desenvolvimento de células de Purkinje: inibindo os microRNAs durante a primeira semana após o nascimento resultou em células Purkinje com arboras dendríticas menos complexas e cerebelo menor.

Por outro lado, a inibição de microRNAs durante a terceira semana após o nascimento impediu as células de Purkinje de formar conexões sinápticas com fibras de escalada. Esses achados lançam luz sobre como os microRNAs controlam o tempo preciso de diferentes aspectos do desenvolvimento de células de Purkinje que anteriormente se pensava acontecer simultaneamente.

Em colaboração com o co-senior Ian Macrae, professor de biologia estrutural e computacional integrativa da Scripps Research, a equipe também desenvolveu um modelo de mouse para identificar quais genes as moléculas de microRNA estavam direcionando. Usando esse sistema, eles identificaram dois microRNAs críticos para o desenvolvimento de células Purkinje (miR-206 e miR-133) e quatro alvos de genes (Shank3, PRAG1, Vash1 e EN2).

Quando eles compararam o mapa do alvo do microRNA de células Purkinje a um mapa para neurônios piramidais-uma célula cerebral funcionalmente diferente, mas de aparência semelhante-, eles mostraram que os dois tipos de células seguem projetos de microRNA muito diferentes durante o desenvolvimento.

“Pela primeira vez, conseguimos ver que certos microRNAs são enriquecidos nas células de Purkinje, mas não nos neurônios piramidais”, diz Lippi, “e, ao desligar esses microRNAs, mostramos o quanto são importantes para o desenvolvimento das características morfológicas exclusivas das células de Purkinje”.

Notavelmente, três dos alvos envolvidos no desenvolvimento de células de Purkinje atuam como “freios” para o crescimento celular. Quando o microRNA se liga a esses alvos, ele tira os freios, o que permite que as células Purkinje cultivem seu arbor dendrítico exagerado.

Alguns desses alvos genéticos foram anteriormente vinculados a distúrbios neurodesenvolvidos.

“Nossos resultados parecem sugerir que pode haver casos em que a desregulação das redes de alvo do microRNA em áreas específicas do cérebro pode ser causador de algumas dessas doenças”, diz o primeiro autor Norjin Zolboot, um pós-doutorado no laboratório Lippi. “Na verdade, não exploramos nenhum desses mecanismos, mas isso é algo que estamos ansiosos para investigar no futuro”.

Olhando para o futuro, a equipe também planeja usar seu novo conjunto de ferramentas para investigar melhor o papel dos microRNAs no desenvolvimento, plasticidade neural e envelhecimento.

“Com essas novas ferramentas, muitas portas estão abrindo”, diz Lippi. “Mal arranhamos a superfície do que os microRNAs estão fazendo, mas agora temos uma maneira de investigar completamente tudo isso, e acho que esse é um conjunto de ferramentas muito poderoso que será amplamente usado pelo campo”.

Além de Lippi, Macrae e Zolboot, os autores do estudo incluem Yao Xiao, Jessica DU, Marwan Ghanem, Su Yeun Choi, Miranda Junn, Federico Zampa, Zeyi Huang da Scripps Research.