O que faz a vida funcionar? As mitocôndrias podem marcar o tempo das células | Revista Quanta

Assim como as pessoas em lugares diferentes parecem operar em ritmos diferentes, o mesmo acontece com espécies diferentes. Eles envelhecem em seu próprio ritmo: alguns, como a mosca da fruta, chegam à idade adulta para que possam se reproduzir antes que sua efêmera fonte de alimento desapareça, enquanto criaturas como os humanos amadurecem lentamente ao longo de décadas, em parte porque a construção de um cérebro grande e complexo exige isso. E logo no início da vida de um embrião, pequenos ajustes no momento e no modo como os diferentes tecidos se desenvolvem podem alterar dramaticamente a forma de um organismo – um mecanismo que a evolução explora na criação de novas espécies. No entanto, o que define o ritmo de crescimento de um organismo permanece um mistério.

“Nosso conhecimento sobre o que controla o tempo de desenvolvimento realmente ficou atrás de outras áreas da biologia do desenvolvimento”, disse Margarete Diaz Quadros, que lidera pesquisas focadas no ritmo do desenvolvimento no Massachusetts General Hospital, em Boston.

Os biólogos do desenvolvimento tiveram um tremendo sucesso na identificação redes de genes reguladores que conversam entre si – sistemas em cascata de ciclos de feedback que ativam ou desativam genes exatamente no momento e no local certos para construir, digamos, um olho ou uma perna. Mas a semelhança altamente conservada nestas redes genéticas entre as espécies contrasta com enormes diferenças no tempo de desenvolvimento. Ratos e humanos, por exemplo, usam os mesmos conjuntos de genes para criar neurônios e construir espinhas. No entanto, o cérebro e a coluna vertebral de um rato apresentam resultados bastante diferentes dos de um ser humano, porque o momento em que esses genes estão ativos é diferente, e não está claro por que isso acontece.

“A regulação genética não parece explicar tudo sobre o timing do desenvolvimento”, disse Pierre Vanderhaeghen, que estuda a evolução e o desenvolvimento do cérebro na KU Leuven, na Bélgica. “Agora, isso é um pouco provocativo porque de certa forma, em biologia, tudo deveria ser explicado pela regulação genética, direta ou indiretamente.”

Novas explicações sobre o que faz a vida funcionar estão emergindo de inovações – como os avanços na cultura de células-tronco e a disponibilidade de ferramentas para manipular o metabolismo, inicialmente desenvolvidas para estudar o câncer – que agora permitem aos pesquisadores mapear e brincar com o ritmo de desenvolvimento das doenças precoces. embriões e tecidos com mais detalhes. Em uma série de artigos publicados nos últimos anos, incluindo uma publicação importante em Junho, várias equipas de investigação convergiram de forma independente sobre ligações intrigantes entre o ritmo de desenvolvimento, o ritmo das reacções bioquímicas e as taxas de expressão genética subjacentes a essas reacções bioquímicas.

As suas descobertas apontam para um metrónomo comum: as mitocôndrias, que podem ser o cronometrista da célula, estabelecendo o ritmo para uma variedade de processos de desenvolvimento e bioquímicos que criam e mantêm a vida.

Um neurônio mantém o tempo

Há mais de uma década, Vanderhaeghen fez uma experiência que lançou as bases para estudos modernos sobre como o ritmo do desenvolvimento é mantido. O neurobiólogo estava em seu laboratório belga cultivar células-tronco em placas de Petri e observar quanto tempo elas levavam para amadurecer, de folhas em branco celulares a neurônios completos, conectando-se e comunicando-se com outras pessoas. Ele pensou que poderia encontrar pistas sobre a origem e a evolução do cérebro humano comparando essas células-tronco de camundongos e humanas preparadas para se tornarem neurônios.

A primeira coisa que ele notou foi que as células-tronco de camundongos se diferenciaram em células cerebrais maduras em cerca de uma semana – mais rapidamente do que as células-tronco humanas, que demoraram para crescer ao longo de três a quatro meses.

Mas será que essas células se desenvolveriam da mesma forma num cérebro em crescimento, em vez de numa placa isolada? Para descobrir, ele transplantou um neurônio de camundongo em um cérebro vivo de camundongo. A célula seguiu a mesma linha do tempo que os neurônios do camundongo hospedeiro, diferenciando-se após cerca de uma semana. Então ele tentou a mesma coisa com um neurônio humano, implantando-o no cérebro de um camundongo. Para sua surpresa, o neurônio humano manteve seu próprio tempo. Demorou quase um ano para amadurecer, apesar do ambiente rodeado.

“Isso nos forneceu uma primeira resposta importante: seja qual for o mecanismo de temporização, grande parte dele parece estar nos próprios neurônios”, disse Vanderhaeghen. “Mesmo se você retirar as células da placa de Petri e colocá-las em outro organismo, elas ainda manterão sua própria linha do tempo.”

Ainda assim, praticamente nada se sabia sobre o mecanismo celular subjacente até alguns anos atrás.

Vanderhaeghen começou a pensar sobre a origem dos blocos de construção de um neurônio. “Fazer neurônios é como construir um prédio supercomplicado”, disse ele. “Você precisa de uma boa logística.” As células precisam não apenas de energia, mas de uma fonte de matéria-prima para crescer e se dividir.

Ele suspeitava que as mitocôndrias poderiam fornecer esses blocos de construção. As organelas são essenciais para o crescimento e metabolismo de uma célula. Produzem energia, o que lhes valeu o apelido de “a potência da célula”, e também produzem metabólitos essenciais para a construção de aminoácidos e nucleotídeos e para a regulação da expressão genética.

A visão clássica das mitocôndrias é que elas não mudam ao longo da vida da célula. “Eles são apenas uma salsicha pitoresca e bonita na cela e fornecem energia”, disse Vanderhaeghen. Mas quando ele e Ryohei Iwata, um pós-doutorado em seu laboratório, examinou mais de perto o desenvolvimento de neurônios, eles perceberam que as mitocôndrias também precisam de tempo para se desenvolver.

Neurônios jovens, eles relataram em Ciência, tinham poucas mitocôndrias, e as que possuíam eram fragmentadas e geravam pouca energia. Então, à medida que os neurônios amadureceram, as mitocôndrias cresceram em número, tamanho e atividade metabólica. Além do mais, as mudanças ocorreram mais rapidamente em ratos do que em humanos. Essencialmente, o sistema foi ampliado: a maturação das mitocôndrias permaneceu em sincronia com a maturação dos neurônios em ambas as espécies.

A descoberta pareceu importante a Vanderhaeghen e Iwata. E isso fez com que se perguntassem se as mitocôndrias poderiam ser a batida silenciosa que impulsionava as grandes diferenças no ritmo de desenvolvimento entre as espécies.

Como fazer crescer uma coluna

Um dos modelos clássicos para estudar o ritmo do desenvolvimento embrionário é a padronização da coluna vertebral. Todos os vertebrados têm uma coluna vertebral composta por uma série de segmentos vertebrais, mas as espécies variam em número e tamanho. Surge, portanto, uma questão natural sobre os mecanismos de desenvolvimento que dão origem a esta característica essencial dos vertebrados e às suas muitas variações em todo o reino animal.

Em 1997, o biólogo do desenvolvimento Olivier Pourquié, agora na Harvard Medical School, descobriu pela primeira vez um oscilador molecular chamado relógio de segmentação que aciona o mecanismo que modela a coluna vertebral dos vertebrados. Trabalhando com embriões de galinha, sua equipe de pesquisa identificou os principais atores que são expressos ritmicamente durante a formação de cada segmento vertebral no tecido embrionário. O relógio de segmentação desencadeia oscilações na expressão gênica, fazendo com que as células flutuem em sua capacidade de resposta a um sinal de frente de onda que se move da cabeça à cauda. Quando a frente de onda encontra células responsivas, um segmento se forma. Dessa forma, o mecanismo de relógio e frente de onda controla a organização periódica da coluna vertebral.

Os genes que orquestram o relógio de segmentação são conservados entre as espécies. No entanto, o período do relógio – o tempo entre dois picos numa oscilação – não o é. Durante muitos anos, os geneticistas do desenvolvimento não conseguiram explicar isto: não tinham as ferramentas genéticas para manipular o relógio com precisão num embrião em crescimento. Assim, por volta de 2008, Pourquié começou a desenvolver métodos para dissecar melhor o mecanismo em laboratório.

Naquela época, “parecia ficção científica total”, disse ele. Mas a ideia tornou-se mais plausível na década seguinte à medida que o laboratório de Pourquié e outros em todo o mundo aprenderam a cultivar células estaminais embrionárias e até construir organoides – como uma retina, intestino ou minicérebro – em um prato.

Pourquié e Diaz Cuadros, então seu aluno de pós-graduação, encontraram uma maneira de reproduzir o relógio em células-tronco humanas e de camundongos. Nos primeiros experimentos, eles observaram que o período do relógio dura cerca de duas horas em camundongos, enquanto nas células humanas leva cerca de cinco horas para completar uma oscilação. Foi a primeira vez que alguém identificou o período do relógio de segmentação em humanos.

Outros laboratórios também viram o potencial destes avanços na biologia das células estaminais para resolver questões de longa data sobre o tempo de desenvolvimento. Em 2020, dois grupos de pesquisa — um liderado por Miki Ebisuya no Laboratório Europeu de Biologia Molecular em Barcelona e outro por James Briscoe no Instituto Francis Crick, em Londres — descobriram de forma independente que os processos moleculares básicos na célula acompanham o ritmo do desenvolvimento. Eles publicaram estudos lado by lado in Ciência.

A equipe de Ebisuya queria compreender as diferenças na taxa de reações moleculares – expressão genética e degradação de proteínas – que impulsionam cada ciclo do relógio. Eles descobriram que ambos os processos funcionavam duas vezes mais rápido nas células de camundongos do que nas humanas.

Briscoe olhou, em vez disso, para o desenvolvimento inicial da medula espinhal. Tal como o ciclo do relógio de segmentação, o processo de diferenciação dos neurónios – incluindo a expressão de sequências genéticas e a quebra de proteínas – foi proporcionalmente esticado nos humanos em comparação com os ratos. “Leva duas a três vezes mais tempo para chegar ao mesmo estágio de desenvolvimento usando células-tronco embrionárias humanas”, disse Briscoe.

Era como se, dentro de cada cela, um metrônomo estivesse tocando. A cada oscilação do pêndulo, uma variedade de processos celulares – expressão genética, degradação de proteínas, diferenciação celular e desenvolvimento embrionário – mantinham o ritmo e permaneciam no tempo certo.

Mas seria esta uma regra geral para todos os vertebrados, para além dos ratos e dos humanos? Para descobrir, o estudante de graduação de Ebisuya Jorge Lázaro criou um “zoológico de células-tronco”, que abriga células de uma variedade de mamíferos: ratos, coelhos, gado, rinocerontes, humanos e saguis. Ao reproduzir o relógio de segmentação de cada espécie, viu que a velocidade das reações bioquímicas acompanhava o período do relógio de segmentação em cada uma delas.

Além do mais, os tempos do relógio não correspondiam ao tamanho dos animais. As células de camundongo oscilaram mais rapidamente do que as células de rinoceronte, mas as células humanas oscilaram mais lentamente do que as células de rinoceronte, e as células de sagui tiveram as oscilações mais lentas de todas.

As evidências, publicado em Cell Stem Cell em junho, sugeriu que a velocidade das reações bioquímicas poderia ser um mecanismo universal para regular o tempo de desenvolvimento.

Eles também ampliaram os limites de um aspecto importante, mas negligenciado, do dogma central da biologia molecular. “Estamos falando de transcrição, tradução e estabilidade de proteínas”, disse Diaz-Cuadros. Todos pensavam que eram iguais em todas as espécies de mamíferos ou vertebrados, “mas agora o que estamos a dizer é que a velocidade do dogma central é específica da espécie, e penso que isso é bastante fascinante”.

Faça ou quebre uma proteína

O relógio, então, deve resultar de um mecanismo que define o ritmo das reações bioquímicas entre as espécies. Teresa Rayon queria descobrir suas origens quando ela observou neurônios motores se diferenciarem em seu laboratório em Londres, onde estudou com Briscoe.

Ela projetou geneticamente neurônios em desenvolvimento de camundongos e humanos para expressar proteínas fluorescentes, que brilham intensamente quando excitadas por um laser no comprimento de onda certo. Então ela observou as proteínas introduzidas enquanto elas se degradavam. Para sua surpresa, as mesmas proteínas fluorescentes desintegraram-se mais rapidamente nas células dos ratos do que nas células humanas, acompanhando o desenvolvimento dos neurónios. Isso sugeriu-lhe que algo no ambiente intracelular determinava o ritmo da degradação.

“Se você perguntasse a um biólogo: 'Como você determina a estabilidade de uma proteína?' eles diriam que tudo depende da sequência”, disse Rayon, que agora lidera seu próprio laboratório no Instituto Babraham, em Cambridge, Inglaterra. “No entanto, descobrimos que esse não é o caso. Achamos que pode ser a maquinaria que está a degradar as proteínas que pode estar a desempenhar um papel.”

Mas ela e seu grupo estavam procurando apenas um único tipo de célula. Se os tipos de células em vários tecidos se desenvolvessem a taxas diferentes, as suas proteínas também se degradariam a taxas diferentes?

Michael Dorrity no Laboratório Europeu de Biologia Molecular em Heidelberg estava investigando essa questão pensando em como a temperatura afeta o desenvolvimento. Muitos animais, desde insectos a peixes, desenvolvem-se mais rapidamente quando criados a temperaturas mais elevadas. Curiosamente, ele observou que em embriões de peixes-zebra criados num ambiente quente, o ritmo de desenvolvimento de alguns tipos de células acelerava mais rapidamente do que o de outros.

In uma pré-impressão ele postou no ano passado, ele se concentrou em uma explicação envolvendo o maquinário que produz e degrada proteínas. Alguns tipos de células requerem maior volume ou proteínas mais complexas do que outros. Como resultado, alguns tipos de células estão cronicamente “sobrecarregando esses mecanismos de controle de qualidade das proteínas”, disse ele. Quando a temperatura sobe, eles não têm a capacidade de acompanhar as necessidades proteicas mais elevadas e, portanto, o seu relógio interno não consegue acelerar e acompanhar o ritmo.

Nesse sentido, os organismos não mantêm um único relógio unificado, mas possuem muitos relógios para muitos tecidos e tipos de células. Do ponto de vista evolutivo, isto não é um bug, mas uma característica: quando os tecidos se desenvolvem fora de sincronia uns com os outros, partes do corpo podem crescer a taxas diferentes – o que pode levar à evolução de diversos organismos ou mesmo de novas espécies.

Era como se tivessem descoberto o botão de sintonia do metrônomo interno da célula, que lhes permitia acelerar ou desacelerar o ritmo do desenvolvimento embrionário. “Não são as diferenças na arquitetura regulatória dos genes que explicam essas diferenças no tempo”, disse Pourquié. As descobertas foram publicado em Natureza no início deste ano.

Este botão de ajuste metabólico não se limitou ao embrião em desenvolvimento. Enquanto isso, Iwata e Vanderhaeghen descobriram como usar drogas e genética para brincar com o ritmo metabólico da maturação dos neurônios – um processo que, ao contrário do relógio de segmentação, que dura apenas alguns dias, leva muitas semanas ou meses. Quando os neurônios dos ratos foram obrigados a gerar energia mais lentamente, os neurônios também amadureceram mais lentamente. Por outro lado, ao deslocar farmacologicamente os neurónios humanos para um caminho mais rápido, os investigadores poderiam acelerar a sua maturação. As descobertas foram publicado em Ciência em janeiro.

Para Vanderhaeghen, a conclusão das suas experiências é clara: “A taxa metabólica está a impulsionar o timing do desenvolvimento”.

No entanto, mesmo que o metabolismo seja o regulador a montante de todos os outros processos celulares, essas diferenças devem estar relacionadas com a regulação genética. É possível que as mitocôndrias influenciem o momento da expressão dos genes do desenvolvimento ou daqueles envolvidos na maquinaria de produção, manutenção e reciclagem de proteínas.

Uma possibilidade, especulou Vanderhaeghen, é que os metabólitos das mitocôndrias sejam essenciais para o processo que condensa ou expande o DNA dobrado nos genomas para que possa ser transcrito para construir proteínas. Talvez, sugeriu ele, esses metabolitos limitem a taxa de transcrição e definam globalmente o ritmo a que as redes reguladoras dos genes são ligadas e desligadas. Essa é apenas uma ideia, entretanto, que precisa ser desempacotada experimentalmente.

Há também a questão de saber o que faz as mitocôndrias funcionarem em primeiro lugar. Diaz Cuadros acredita que a resposta deve estar no DNA: “Em algum lugar do genoma, deve haver uma diferença de sequência entre o camundongo e o humano que codifica essa diferença na taxa de desenvolvimento”.

“Ainda não temos ideia de onde está essa diferença”, disse ela. “Infelizmente ainda estamos muito longe disso.”

Encontrar essa resposta pode levar tempo e, tal como o relógio mitocondrial, o progresso científico avança num ritmo próprio.

Correções, 18 de setembro de 2023
Na introdução, uma frase foi revisada para esclarecer que é a taxa de expressão genética, e não a taxa metabólica global, que ajuda a direcionar o ritmo do desenvolvimento. O artigo também foi atualizado para corrigir quais espécies no zoológico de células-tronco apresentam as oscilações do relógio de segmentação mais rápidas e mais lentas.