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Cientistas se surpreendem ao descobrir que não existem dois neurônios geneticamente iguais

A composição genética de qualquer célula cerebral é diferente de todas as demais. Essa constatação pode fornecer pistas para uma série de doenças psiquiátricas

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As últimas décadas testemunharam intensos esforços para encontrar as raízes genéticas de desordens neurológicas, da esquizofrenia ao autismo. Contudo, os genes destacados até agora forneceram apenas esboços de pistas. Até mesmo os fatores genéticos de risco mais importantes identificados para o autismo, por exemplo, talvez possam ser levados em conta apenas para uma pequena porcentagem de todos os casos.

Muito da frustração vem da constatação de que as principais mutações que elevam o risco de doenças tendem a ser raras, pois há menos chances de serem passadas aos filhos. As mutações mais comuns conferem apenas riscos pequenos (embora esses riscos se tornem mais significantes quando calculados por toda população). Existem diversos outros lugares para se procurar pela responsabilidade do risco, e uma fonte possível e surpreendente surgiu recentemente - uma ideia que derruba um princípio fundamental da biologia e deixou muitos pesquisadores empolgados pelo ramo de investigação totalmente novo.

O dogma aceito diz que - embora cada célula do corpo tenha seu próprio DNA - as instruções genéticas em cada núcleo celular são idênticas. Porém, novas pesquisas provaram que essa suposição está errada. Há, na verdade, diversas fontes de mutações espontâneas em células somáticas (não reprodutivas), então cada indivíduo possui uma multidão de genomas - uma situação chamada pelos pesquisadores de mosaicismo somático. “Essa idéia é algo que, há dez anos, teria sido apenas ficção científica”, diz o bioquímico James Eberwine da Universidade da Pensilvânia. “Nos foi ensinado que toda célula possui o mesmo DNA, mas isso não é verdade.” Existem razões para se acreditar que o mosaicismo somático possa ser particularmente importante no cérebro, especialmente porque os genes neurais são bastante ativos.

Um artigo publicado no dia 27 de abril na Science por um grupo fundado há dois anos - a Rede de Mosaicismo Somático Cerebral (BSMN, na sigla em inglês) - delineia uma agenda de pesquisa utilizando novas tecnologias para explorar a diversidade genética encontrada em cada célula, e para investigar o que liga - se é que liga - coisas como mutações a uma variedade de condições neurológicas. “O campo está cheio de interesse em explorar o mosaicismo, mas não há recursos financeiros”, diz Thomas Lehner, diretor do Escritório da Coordenação de Pesquisas Genômicas no Instituto Nacional de Saúde Mental (NIMH, na sigla em inglês), o qual está dedicando um fundo de US$30 milhões para o BSMN para os primeiros três anos, dois quais dois já se passaram.

O consórcio consiste de 18 equipes que pesquisa em 15 instituições estadunidenses com acesso a repositórios de tecidos cerebrais de autópsia tirados ou de pessoas saudáveis, ou de pessoas com esquizofrenia, autismo, transtorno bipolar, síndrome de Tourette ou epilepsia. Cada equipe está investigando amostras diferentes. “Há muita aplicação e desenvolvimento de novas tecnologias envolvidos, e uma tonelada de dados que se tornarão um importante recurso”, diz Lehner. “Nós também queríamos entender se existe uma associação com novas tecnologias, então encorajamos os pesquisadores a incluírem bancos de cérebro de indivíduos com várias condições neurológicas.”

Estudos anteriores ao consórcio confirmaram que o mosaicismo é comum. Um relatório estimou que talvez existam centenas de mudanças em letras únicas do código genético (variantes do nucleotídeo único - ou SNVs, na sigla em inglês) em cada neurônio no cérebro de camundongos. Outro descobriu mais de mil em neurônios humanos. Essas descobertas sugerem que o mosaicismo somático é regra, não exceção, com cada neurônio potencialmente tendo um genoma diferente daqueles aos quais está conectado. Uma causa primária das mutações somáticas tem a ver com erros durante a replicação de DNA, que ocorre quando as células se dividem - células progenitoras neurais passam por dezenas de bilhões de divisões celulares durante o desenvolvimento cerebral, proliferando rapidamente para produzir os 80 bilhões de neurônios de um cérebro maduro. A imagem de cada célula carregando uma cópia fiel do material genético de todas as outras células está começando a se esvair - e por uma boa razão. O sequenciamento genético não captura normalmente as mutações genéticas em cada célula. “Você consegue um tipo de média do genoma da pessoa, mas isso não leva em conta quaisquer mutações específicas do cérebro que possam existir nessas pessoa”, diz o principal autor do estudo Michael McConnell, da Universidade da Virgínia.

Um estudo de 2012 encontrou mutações somáticas no cérebro de crianças com hemimegalencefalia, uma desordem de desenvolvimento na qual um dos hemisférios é aumentado, causando epilepsia e deficiência intelectual. As mutações foram encontradas em tecidos do cérebro, mas nem sempre no sangue nem em células de áreas cerebrais não afetadas, e apenas em uma fração (entre 8 e 35%) das células de áreas afetadas. Esses estudos, mostrando que mutações somáticas podem causar a proliferação de populações específicas de células, levando a malformações corticais, deixaram os pesquisadores se perguntando se as mutações somáticas também poderiam ter papéis em problemas mais complexos.

Neurônios maduros param de se dividir e estão entre as células mais longevas do corpo, então as mutações vão ter longevidade no cérebro. “Na pele ou no intestino, as células mudam em um mês ou uma semana, então as mutações não tendem a permanecer, a não ser que formem câncer”, diz McConnell. “Essas mutações vão ficar no seu cérebro para sempre.” Isso poderia alterar os circuitos neurais, assim contribuindo para o risco de desenvolvimento de desordens neuropsiquiátricas. “Ainda não sabemos muito sobre doenças psiquiátricas, e é basicamente esse o objetivo [de encontrar uma resposta]”, explica McConnell. “É uma boa hipótese, mas será necessário um grande esforço, de muitas equipes, para comprová-la.” Para realizar a investigação, o consórcio fará o sequenciamento do DNA cerebral de amostras de controle e de pacientes, “Antes de chegar ao seu destino, você precisa ter um mapa, e isso nos ajudará a fazer um mapa de mutações somáticas as quais têm o potencial de influenciar funções neurais e doenças”, diz Eberwine, que não esteve envolvido na nova pesquisa. “Portanto, esse consórcio é criticamente importante para a neurociência.”

Uma questão a ser explorada é se os genes associados a um distúrbio cerebral podem abrigar mutações somáticas. O fato de que genes específicos expliquem apenas uma pequena proporção de casos pode se dar porque os pesquisadores têm olhado somente para a linha germinativa (células sexuais), segundo McConnell. "Talvez a pessoa não possua a mutação em sua linha germinativa, mas alguma porcentagem de seus neurônios a tenha." O mosaicismo somático também pode contribuir para a diversidade neural, em geral. "Isso pode explicar por que todo mundo é diferente - o meio ambiente e o genoma não são tudo. Há algo mais", diz o neurocientista Alysson Muotri da Universidade da Califórnia, em San Diego, que não faz parte do consórcio. "À medida que entendemos mais sobre mosaicismo somático, acho que a contribuição para a individualidade, bem como o espectro [de sintomas] que você encontra no autismo, por exemplo, ficarão mais claros."

As mutações somáticas podem acontecer em múltiplas circunstâncias.Elas podem surgir durante a replicação do DNA ou a partir de danos nele (causados por radicais livres ou estresses ambientais) combinados com maquinário de reparo imperfeito. Além dos SNVs, também ocorrem frequentemente mutações conhecidas como "indels", envolvendo inserções e anulações de pequenas sequências de DNA (tipicamente dezenas de nucleotídeos). Mutações maiores e mais raras incluem mudanças estruturais nos cromossomos, ou na forma de ganhos ou perdas de cromossomos inteiros ou nas variantes de número de cópias (CNVs, na sigla em inglês), nas quais o número de repetições de longos pedaços de DNA (cobrindo múltiplos genes) é alterado. Dentro dos genomas, também há "elementos genéticos móveis" os quais agem quase como parasitas, pulando por aí ou fazendo cópias deles mesmos e se inserindo em outras partes do genoma, aparentemente para garantir a sua sobrevivência. Essas entidades estranhas são um campo ativo de pesquisa por si só: elas são importantes porque podem causar mutações somáticas, inclusive um tipo conhecido como inserções de elementos genéticos móveis (MEIs, na sigla em inglês). Elas estão ligadas da mesma forma que os genes envolvidos na produção de novos neurônios, tornando-os especialmente ativos no cérebro durante o desenvolvimento.

O artigo descreve três métodos para estudar essas mutações: O primeiro envolve o uso de tecnologias para sequenciar todo um genoma a partir de uma grande quantidade de tecido cerebral. Essa técnica pode detectar muitas variantes, mas os tipos mais raros são diluídos pela massa de células no tecido em volume. "Grandes CNVs e elementos móveis são muito mais difíceis de detectar em uma grande quantidade de tecido do que SNVs", diz McConnell. Além disso, este método não pode revelar como as mutações variam entre os tipos de células. Isso pode ser parcialmente resolvido usando uma técnica conhecida como "coleção sortida", que separa os neurônios de outros tipos de células indesejadas. O avanço recente mais importante que irá auxiliar o consórcio, no entanto, é o advento de tecnologias as quais permitem os genomas das células individuais serem sequenciados. "Entrando em células únicas, podemos comparar [o que encontramos] com a célula vizinha e dizer: `Ah, eles são diferentes!`. É esse o avanço que nos permite realmente avançar", diz Muotri. "Estou muito animado. Este é o começo de algo completamente novo em biologia e neurociência". O projeto será financiado até 2020 e disponibilizará todos os dados publicamente - e alguns resultados que devem sair em 12 a 24 meses. "Cerca de 10 mil conjuntos de dados de sequenciamento serão gerados e disponibilizados em um banco de dados para que a comunidade científica explore-os mais profundamente", diz McConnell. Também há planos para colaborar com outras iniciativas do NIMH, incluindo a BrainSpan, que mapeia a expressão gênica durante o desenvolvimento cerebral, e a psychENCODE, que está mapeando o epigenoma cerebral (modificações do DNA influenciadas pelo ambiente que influenciam a atividade gênica sem alterar o código genético). "Isso deve dar início a uma importante área de pesquisa", diz Lehner. "Esperamos que isso nos dê uma visão do mosaicismo no cérebro e insights sobre a sua contribuição para os transtornos mentais. Porém, não espero ter todas as respostas. "Essas idéias podem levar à descoberta de novos alvos genéticos para o tratamento de uma gama de distúrbios difíceis de serem tratados.

"Essa é uma pesquisa exploratória - estamos aprendendo sobre o fenômeno", explica Muotri. O quão importante ela será, ainda não está claro nesta fase; mas "descobrindo como funciona, podemos revelar novas oportunidades terapêuticas.”

Simon Makin
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