O "milagre da vida" é mais óbvio no início: quando o óvulo fertilizado se divide em blastômeros por meio de sulcos, envolve-se em um saco amniótico e se desdobra para formar camadas germinativas. Quando os blastômeros começam a se diferenciar em células diferentes - e quando eles eventualmente se desenvolvem em um organismo completo.
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"Queríamos descobrir se as diferenças posteriores entre as várias células já estão parcialmente conectadas à célula-ovo fertilizada", disse o Dr. Jan Philipp Junker, que chefia o Laboratório de Biologia de Desenvolvimento Quantitativo do Instituto de Biologia de Sistemas de Berlim (BIMSB ) do Centro Max Delbrück de Medicina Molecular da Helmholtz Association (MDC).
Junker e sua equipe estão investigando como as células tomam decisões e o que determina se elas se tornam células nervosas, musculares ou da pele. Isso envolve a criação de árvores de linhagem celular que lhes permitem determinar a linhagem e o tipo de célula de milhares de células individuais de um organismo. Usando essas árvores de linhagem, eles podem entender como e por quais mecanismos as células se unem para formar um organismo funcional ou como respondem a perturbações.
Projetos para diferentes tipos de células já existem no embrião de uma célula
No entanto, essa busca por pistas por meio de árvores de linhagem celular começa em um estágio posterior - a saber, quando a divisão e diferenciação celular já estão em andamento. Além do mais, as observações cobrem longos períodos de tempo. Em seu estudo atual, que acaba de ser publicado na revista Nature Communications , Junker e sua equipe se concentram em um período de tempo muito curto: as primeiras horas após a fertilização, do estágio de uma célula ao processo de gastrulação - a formação do camadas germinativas - do embrião.
Os cientistas queriam saber se o embrião de uma célula já contém partes do projeto para a multidão de diferentes tipos de células que mais tarde se desenvolvem a partir dele. Para fazer isso, eles estudaram embriões de peixe-zebra e rã com garras. Os pesquisadores já haviam conseguido encontrar genes individuais cujo RNA está localizado em locais específicos dentro de embriões de peixe-zebra de uma célula. Os cientistas de Berlim mostraram agora que existem muitos mais desses genes. "Nós descobrimos dez vezes mais genes cujo RNA está espacialmente localizado na célula-ovo fertilizada do que antes conhecido", explica Karoline Holler, principal autora do estudo. "Muitas dessas moléculas de RNA são posteriormente transportadas para as células germinativas primordiais. Isso significa que o programa para a diferenciação celular subsequente está embutido na célula-ovo fertilizada."
Métodos de última geração de transcriptômica de célula única fornecem uma boa compreensão da diferenciação celular. Os cientistas ordenam as células individuais de acordo com a semelhança de seu transcriptoma - a coleção completa de moléculas de RNA presentes em uma célula - e podem usar os padrões que emergem para decifrar como as células se tornaram o que são.
No entanto, eles não podem usar esse método para reconstruir os primeiros estágios do desenvolvimento embrionário, porque aqui o arranjo espacial das moléculas de RNA é crucial. Em vez disso, sua equipe usou uma técnica especializada chamada tomo-seq, que Junker desenvolveu no Instituto Hubrecht, na Holanda, em 2014. Ela permite que os cientistas rastreiem espacialmente as moléculas de RNA dentro da célula. Isso é conseguido cortando embriões dos organismos modelo em fatias finas. É então possível ler os perfis de RNA nas superfícies de corte e convertê-los em padrões de expressão espacial. Holler refinou a técnica tomo-seq para medir agora a distribuição espacial do transcriptoma dentro da célula-ovo fertilizada.
Os cientistas usaram outra nova técnica para estudar quais genes localizados contribuem posteriormente para quais células. “Rotulamos as moléculas de RNA para poder rastreá-las em diferentes estágios de desenvolvimento. Isso nos permite observar o RNA não só no espaço, mas também ao longo do tempo”, explica Junker. Dessa forma, os cientistas podem distinguir o RNA transferido para o embrião pela mãe do RNA produzido pelo próprio embrião.
Este método de marcação de RNA, chamado scSLAM-seq, foi aprimorado no BIMSB nos laboratórios do Professor Markus Landthaler e do Professor Nikolaus Rajewsky, permitindo que seja aplicado em peixes-zebra vivos. “A marcação de moléculas de RNA nos permite medir com alta precisão como a expressão gênica muda em células individuais , por exemplo, após uma intervenção experimental”, explica Junker.
Como as drogas afetam a diferenciação celular?
A rotulagem de RNA abre caminhos completamente novos para estudar coisas como o mecanismo de ação das terapias medicamentosas. “Podemos usá-lo em organóides para investigar como os diferentes tipos de células respondem às substâncias”, explica o físico. O método, diz Junker, não é adequado para processos de mudança de longo prazo. "Mas podemos ver quais genes mudam dentro de cinco a seis horas após o tratamento, fornecendo um caminho para a compreensão de como podemos influenciar a diferenciação celular."
A análise espacial também tem relevância médica: olhando para o futuro, pode ser útil para estudar as doenças que resultam de RNA mal localizado, como câncer ou doenças neurodegenerativas. Nessas doenças, um grande número de moléculas é transportado através da célula. “Se entendermos esses processos de transporte, poderemos identificar os fatores de risco para essas doenças”, explica Holler. Mas, por enquanto, isso ainda está muito longe. "Ainda há muito trabalho a ser feito antes que o embrião de peixe-zebra de uma célula possa ser usado como um sistema modelo para estudar doenças neurodegenerativas humanas", enfatiza Junker.
Os cientistas querem descobrir os mecanismos envolvidos na localização do RNA: Como o RNA detectado difere de outros transcritos na célula? A equipe de Junker planeja trabalhar com o laboratório do professor Irmtraud Meyer no BIMSB para caracterizar as características da sequência do RNA localizado. Com a ajuda de algoritmos, eles esperam prever se os genes localizados compartilham uma dobra bidimensional ou tridimensional. Eles também estão trabalhando no desenvolvimento de seu método para que possa ser usado em outros sistemas além do embrião de peixe-zebra de uma célula.
Karoline Holle
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23834-1
