O sistema nervoso humano é como uma placa de circuito complexa. Quando os fios se cruzam ou os circuitos funcionam mal, condições como esquizofrenia ou transtorno bipolar podem surgir.

Por muito tempo, os cientistas têm trabalhado para ampliar e identificar como os circuitos cerebrais se formam para que possam aprender a religar neurônios causadores de problemas.

Agora, pesquisadores de Stanford liderados pelo professor de biologia Liqun Luo e professor de bioengenharia e física aplicada Stephen Quake deram um passo significativo nessa direção ao fazer um projeto detalhado do gene célula por célula dos neurônios olfativos da mosca da fruta. Seu trabalho foi publicado em Célula .

A ideia básica por trás da pesquisa é entender os tipos de células neuronais do cérebro relativamente simples da mosca, e identificar as moléculas que dirigem a fiação precisa de diferentes tipos de neurônios no cérebro da mosca. Hora extra, pesquisadores querem usar uma abordagem semelhante para estudar a composição celular muito mais complexa do cérebro humano, e talvez um dia até conserte a fiação nos distúrbios cerebrais.

Sequenciamento de RNA de célula única

Voltando à biologia do ensino médio, lembre-se de que as células têm DNA e RNA. DNA é o código genético que representa o projeto de um organismo inteiro. A mosca da fruta, um organismo modelo para o ser humano porque compartilha aproximadamente 75 por cento de nossos genes de doenças conhecidas, tem cerca de 15, 000 genes. Claro, nem todos os genes são expressos o tempo todo. Cada célula individual expressa um subconjunto específico de genes, que, por sua vez, formam um conjunto específico de proteínas. Moléculas de RNA mensageiro carregam os códigos genéticos para criar, ou expresso, quaisquer proteínas podem ser exigidas por qualquer célula específica em qualquer momento.

Os pesquisadores de Stanford se concentraram nas células do olfato, ou cheirando, e quadrantes de detecção do cérebro da mosca. A mosca da fruta é um dos organismos mais estudados em biologia. Pesquisas experimentais anteriores provaram que o sistema olfativo da mosca é um circuito limpo e simples, tornando-o o teste ideal para o desenvolvimento de uma nova tecnologia genética para sondar como os circuitos do cérebro são conectados. O centro olfativo do cérebro da mosca tem 50 tipos de neurônios de processamento central que desenvolvem filamentos filamentosos para se conectar com 50 tipos de neurônios sensoriais. Cada par de neurônios conectado permite que a mosca da fruta cheire um grupo de odores, e em combinação, a mosca da fruta pode detectar os inúmeros odores das frutas em sua cozinha.

Para ver todo o repertório de genes expressos nessas células, a equipe de Stanford usou um método pioneiro de Quake que permite aos pesquisadores sequenciar todo o RNA mensageiro em uma célula. As tecnologias de sequenciamento de células únicas desenvolvidas por Quake e seus colaboradores tornaram-se amplamente utilizadas e são a base dos esforços internacionais para desenvolver um atlas abrangente dos tipos de células humanas e de camundongo. Mas o pós-doutorado Hongjie Li e o estudante de doutorado Felix Horns ajustaram o processo para fazê-lo funcionar para a mosca da fruta, que tem células pequenas e uma quantidade muito menor de RNA mensageiro por célula.

Ao combinar o sequenciamento de RNA de célula única do Quake com o conhecimento detalhado de Luo sobre o circuito olfativo da mosca da fruta, a equipe foi capaz de criar o primeiro projeto mostrando como a atividade específica do gene / proteína se correlaciona com a fiação biológica de pelo menos um componente do sistema nervoso de um organismo.

Definindo um tipo de célula

Em última análise, os pesquisadores gostariam de criar um projeto para o sistema nervoso humano, mas o primeiro passo deve ser identificar as células componentes do cérebro humano. Isso é particularmente desafiador porque, embora as células possam ser definidas por função, fisiologia, anatomia e expressão gênica, os pesquisadores tiveram dificuldade em unificar essas propriedades. Duas células podem ter a mesma função, mas fisiologias diferentes. "As pessoas têm esperanças de que o sequenciamento de RNA de uma única célula ajudaria a resolver esse problema, mas até agora não tem sido fácil, "disse Luo.

Estudar a mosca da fruta primeiro ajudou porque, nas últimas duas décadas, Luo e seu laboratório conheceram a função, fisiologia e anatomia do sistema olfatório do organismo muito bem. Embora os pesquisadores ainda estejam debatendo se há 1, 000 ou 10, 000 tipos de células no cérebro humano, Luo disse que já sabemos o número de tipos de células no sistema olfativo da mosca da fruta. Isso fez desse organismo simples o teste ideal para conectar a expressão do gene às outras peças do quebra-cabeça do tipo de célula e desenvolver um processo para estudar o cérebro humano.

Novas idéias

Embora os pesquisadores ainda estejam muito longe desse objetivo, sua descoberta já rendeu alguns insights interessantes sobre a mente das moscas. Por exemplo, os pesquisadores descobriram que durante o desenvolvimento, quando os neurônios olfativos estão escolhendo parceiros de conexão, a expressão do gene entre os diferentes tipos de neurônios é diferente. Mas à medida que as moscas da fruta amadurecem, os padrões de expressão gênica de diferentes tipos neuronais tornam-se indistinguíveis. "Uma vez que o cérebro está conectado, a mosca não precisa expressar aqueles genes que os ajudam na escolha dos parceiros de conexão, "Horns disse." Portanto, há menos diversidade de expressão gênica nas moscas adultas. "

O objetivo final é desenvolver ferramentas novas e poderosas para compreender os projetos genéticos que conectam o cérebro humano. "Desenvolvendo ainda mais esta abordagem, esperamos um dia fazer a engenharia reversa e talvez até mesmo reparar circuitos defeituosos no cérebro humano, "disse Li, cujo trabalho interdisciplinar neste projeto foi apoiado pelo Stanford Neurosciences Institute.