Em humanos, a gravidez dura cerca de nove meses. Em camundongos, apenas 20 dias, e em rinocerontes, até 17 meses. Embora muitas espécies de mamíferos passem pelos mesmos estágios durante o desenvolvimento do embrião, a velocidade do desenvolvimento difere substancialmente entre os animais. Outro exemplo de um evento que difere no tempo entre as espécies é a formação do eixo do corpo dos vertebrados, a coluna vertebral. A formação dos segmentos corporais que darão origem às vértebras e costelas, chamados de somitos, é controlada por um mecanismo denominado relógio de segmentação. O relógio de segmentação é um grupo de genes que oscila. Cada oscilação controla a formação de um par de somitos. A frequência das oscilações difere entre as espécies, levando duas a três vezes mais em humanos em comparação com camundongos.
O relógio de segmentação é um sistema conveniente para estudar diferenças entre espécies, e o grupo de Ebisuya o estuda há muito tempo, revelando recentemente que as diferenças nas velocidades das reações bioquímicas são responsáveis pelas diferenças nos relógios de ratos e humanos. No entanto, para saber se esse é um princípio geral do desenvolvimento, os pesquisadores precisaram ampliar as espécies estudadas, até agora relativamente limitadas a humanos e camundongos.
Agora, pesquisadores do Grupo Ebisuya recapitularam em laboratório o relógio de segmentação de quatro novas espécies de mamíferos, além de camundongos e humanos: sagui, coelho, gado e rinoceronte. Este trabalho foi feito em colaboração com grupos de pesquisa baseados na Europa, Japão e Estados Unidos.
O que é um zoológico de células-tronco?
Um zoológico de células-tronco é como uma biblioteca de células-tronco de várias espécies para estudar e comparar diferentes eventos de desenvolvimento. O grupo de colaboração coletou células-tronco embrionárias e células-tronco pluripotentes induzidas de sagüis, coelhos, bovinos e rinocerontes, que foram adicionadas à biblioteca já existente de humanos e camundongos. Esta amostragem diversificada de espécies é inédita para estudos de desenvolvimento e visa constituir uma plataforma para comparação de processos de desenvolvimento.
“Queríamos criar uma plataforma de células de várias espécies de mamíferos para estudar por que seu tempo de desenvolvimento é diferente. Queríamos ter uma variedade tão ampla quanto possível, então escolhemos espécies com peso corporal variando de 50 gramas a 2 toneladas, duração de 20 dias a 17 meses, e três diferentes histórias evolutivas ou filogenias: Primatas (humanos e sagüis), Glires (rato e coelho) e Ungulados (bovinos e rinocerontes).” disse Jorge Lázaro, aluno de pré-doutorado no Grupo Ebisuya e primeiro autor do artigo.
O grupo se concentrou em estudar as diferenças no relógio de segmentação das quatro novas espécies. Eles aplicaram protocolos experimentais para diferenciar as células-tronco pluripotentes embrionárias e induzidas em células pré-somíticas semelhantes ao mesoderma, as células que darão origem à coluna vertebral, costelas e músculos do esqueleto.
“Nosso zoológico de células-tronco serve como uma plataforma ideal para investigar a causa das diferenças entre espécies no período do relógio de segmentação, bem como para determinar se existe alguma relação geral entre o ritmo de segmentação e as características do organismo”. disse Miki Ebisuya, líder do grupo EMBL Barcelona e no Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden.
Correlacionando o relógio de segmentação
A duração da gestação, bem como muitos outros parâmetros corporais, são conhecidos por escala com o peso corporal do animal. Espécies maiores tendem a ter um período de gestação mais longo. O grupo levantou a hipótese de que as diferenças no relógio de segmentação poderiam estar relacionadas ao peso corporal. No entanto, surpreendentemente, eles não encontraram correlação entre o peso corporal médio de cada uma das espécies e seu período de relógio de segmentação. Da mesma forma, a duração da gestação não se correlacionou com o período do relógio de segmentação.
Em vez disso, o grupo descobriu que o período do relógio de segmentação estava altamente correlacionado com a duração da embriogênese. A embriogênese é o tempo entre a fertilização até o final da organogênese, quando todos os órgãos são formados em um embrião. Isso pode significar que o relógio de segmentação pode servir como um bom sistema para entender como o tempo geral de desenvolvimento embrionário é estabelecido entre as espécies.
Além disso, o grupo descobriu que as três diferentes histórias evolutivas — Primatas, Glires e Ungulados -, correspondiam a períodos de relógio de segmentação lenta, rápida e intermediária, respectivamente, apontando para uma relação entre ritmo de desenvolvimento e grupos evolutivos.
Em estudos anteriores, o grupo de Ebisuya já havia constatado que as velocidades das reações bioquímicas escalam com o período do relógio de segmentação. No entanto, esses estudos se concentraram em camundongos e humanos. O grupo agora ampliou as espécies em estudo e confirmou que os quatro novos mamíferos também apresentam diferenças nas velocidades das reações bioquímicas, correlacionando-se muito bem com o período do relógio de segmentação. Isso indica que mudanças nas taxas bioquímicas podem ser um mecanismo geral para controlar o ritmo do desenvolvimento.
Além disso, eles descobriram que genes relacionados a processos bioquímicos mostram um padrão de expressão que se correlaciona com o período do relógio de segmentação, fornecendo uma pista concreta para um potencial mecanismo molecular subjacente às diferenças nas velocidades de desenvolvimento entre as espécies.
“Nosso objetivo é continuar adicionando espécies em nosso zoológico de células-tronco”, disse Ebisuya. “Se quisermos confirmar se as descobertas de nossa pesquisa podem constituir um princípio universal do desenvolvimento dos mamíferos, precisamos expandir o zoológico e incluir uma gama mais ampla de espécies e filogenias”.
No estudo atual publicado na Cell Stem Cell, o grupo se concentrou no relógio de segmentação, mas a abordagem do zoológico de células-tronco abre a possibilidade de estudar outros tempos biológicos, como a frequência cardíaca ou o tempo de vida. Quanto mais os pesquisadores souberem sobre como o tempo biológico funciona, mais eles poderão controlá-lo. Por exemplo, no campo dos organoides, se alguém pudesse acelerar o tempo necessário para desenvolver organoides, poderia acelerar os estudos de medicina regenerativa.
“Outro aspecto que gosto muito no zoológico de células-tronco é a possibilidade de aprender com diferentes espécies além de humanos e camundongos”, disse Lázaro. “Muitos animais têm características particulares que os tornam interessantes para estudar, mas por razões práticas ou éticas não temos acesso a eles no laboratório. Características como por exemplo o tamanho de um rinoceronte, ou o longo pescoço das girafas. Quem sabe, talvez em nosso próximo projeto possamos usar células-tronco para tentar entender como as girafas desenvolvem seu longo pescoço — e somitos mais longos!”