Biólogos determinam a idade evolutiva de tipos individuais de células, fornecendo informações críticas para o desenvolvimento animal – ScienceDaily

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Chaogu ZHENG da Escola de Ciências Biológicas da Universidade de Hong Kong (HKU) fez recentemente uma descoberta significativa sobre a idade evolutiva de diferentes tipos de células em um pequeno animal chamado Caenorhabditis elegans (C. elegans). Usando dados transcriptômicos de célula única e filostratigrafia refinada, a equipe determina a idade transcriptômica de células individuais, o que significa que eles são capazes de estimar a origem evolutiva de diferentes células com base na idade dos genes expressos nas células.

Suas descobertas lançam luz sobre a base celular do padrão de ‘ampulheta’ do desenvolvimento animal, revelando uma variação significativa na idade do transcriptoma de diferentes tipos de células. Esses resultados também fornecem informações sobre a contribuição variada de diferentes células e tecidos para a adaptação e a relação evolutiva entre os tipos de células. Essas descobertas oferecem novas perspectivas sobre os mecanismos genéticos que impulsionam a evolução das espécies e foram publicadas na principal revista multidisciplinar PNAS.

Insights de estudos moleculares sobre o modelo ampulheta

Os embriões de todos os animais compartilham morfologia semelhante no estágio intermediário do desenvolvimento embrionário, embora tenham maior divergência morfológica nos estágios iniciais e posteriores. Este padrão é muitas vezes referido como o padrão de desenvolvimento ‘ampulheta’, o que significa que todo o desenvolvimento animal experimenta uma fase evolutivamente conservada durante o meio da embriogênese.

Estudos moleculares recentes mostraram que os embriões no estágio intermediário da embriogênese expressam o transcriptoma mais antigo, o que significa que os genes mais antigos e conservados são usados ​​nesse estágio durante a expressão gênica. Em contraste, os genes mais jovens são expressos nos estágios iniciais e posteriores do desenvolvimento embrionário. Isso foi descoberto analisando a expressão gênica dos embriões em diferentes estágios de desenvolvimento usando uma técnica chamada filoestratigrafia, um método usado para determinar a idade dos genes comparando suas sequências em diferentes espécies.

No entanto, esses estudos são limitados, pois só podem determinar a idade do transcriptoma de todo o organismo ao longo do desenvolvimento, mas não em células ou tecidos individuais. Essa limitação é significativa porque a obtenção de informações sobre a idade dos genes expressos em células e tecidos específicos é crucial para obter uma compreensão mais detalhada da evolução dos padrões de desenvolvimento entre as espécies, bem como dos mecanismos genéticos que os impulsionam. Além disso, pode esclarecer como tecidos e células individuais contribuem para o padrão de ‘ampulheta’, que é um aspecto crucial da compreensão de como diferentes órgãos e tecidos contribuem para a evolução e adaptação do processo geral de desenvolvimento em animais.

Do organismo inteiro à análise de célula única

Para preencher essa lacuna de conhecimento, a equipe de pesquisa estuda a idade do transcriptoma do nematóide C. elegans no nível de célula única usando sequenciamento de RNA. Eles analisam a expressão de RNA de embriões inteiros (ou organismo) e células individuais para obter uma compreensão abrangente de como diferentes genes são usados ​​durante o desenvolvimento embrionário e larval.

A equipe primeiro identifica um período do transcriptoma mais antigo durante C. elegans meados da embriogênese, que começa após a gastrulação, um processo que forma diferentes camadas germinativas no embrião e continua no desenvolvimento inicial de um órgão. Mais importante, a equipe de pesquisa descobriu que em embriões iniciais, certas células usavam genes mais antigos do que outras células. Por exemplo, as células que mais tarde se tornariam a linhagem germinativa (responsável pela transmissão da informação genética aos descendentes) usam genes mais antigos do que os tecidos somáticos do corpo. Da mesma forma, as células que mais tarde se tornariam o endoderma (que dá origem ao trato digestivo) usam genes mais antigos em comparação com outros tipos de células durante o desenvolvimento inicial. Entre as células diferenciadas, os músculos parecem ter o transcriptoma mais antigo do que outros tipos de células.

Observa-se também que a variação nas idades do transcriptoma entre os tipos de células e tecidos permanece pequena nos estágios embrionários iniciais e aumenta nos estágios embrionários tardios e larvais à medida que as células se diferenciam. Rastrear a dinâmica da idade do transcriptoma ao longo das linhagens identifica certos tecidos, como a pele, que contribuem para o aumento da idade do transcriptoma em embriões tardios.

Uma análise mais aprofundada da variação nas idades do transcriptoma entre os 128 tipos diferentes de neurônios em C. elegans O sistema nervoso revela que um grupo específico de neurônios quimiossensoriais e seus interneurônios a jusante expressam transcriptomas muito jovens, o que pode ter contribuído para a adaptação na evolução recente, já que muitos genes jovens recém-evoluídos estão associados à detecção de fatores ambientais. Finalmente, analisando a variação da idade do transcriptoma entre os diferentes tipos de neurônios, bem como a idade dos genes que regulam seu desenvolvimento (reguladores do destino), a equipe de pesquisa é capaz de formular hipóteses sobre a história evolutiva de alguns desses 128 tipos de neurônios .

‘Usando C. elegans como exemplo, mostramos como a idade do transcriptoma no nível de uma única célula pode fornecer informações sobre a base celular da inovação do desenvolvimento e ajudar a entender a diversidade funcional e a origem evolutiva dos tipos de células’, disse o Dr. Fuqiang MA, um bolsista de pós-doutorado da HKU School of Biological Sciences e o primeiro autor do artigo.

O Dr. Zheng, o supervisor do projeto de pesquisa, destacou que ‘este estudo serve como um exemplo de uso da transcriptômica de célula única de ponta para estudar velhos problemas na biologia evolutiva’. O Dr. Zheng prevê que a possibilidade de determinar a idade evolutiva de tipos de células individuais no nível do transcriptoma pode abrir novas direções de pesquisa e avançar nossa compreensão dos mecanismos genéticos que impulsionam a evolução das espécies.

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