Cérebro e Transcriptoma

Nossos cérebros são feitos das mesmas coisas, a despeito de diferenças genéticas
Our brains are made of the same stuff, despite DNA differences
Medicalxpress October 26, 2011

Artigaço do Medicalxpress sem autoria definida. Não deixe de observar as ilustrações presentes nos originais.

Apesar das enormes diferenças no código genético entre indivíduos e etnias, o cérebro humano apresenta uma "arquitetura molecular uniforme", dizem pesquisadores financiados pelos National Institutes of Health. A descoberta vem de uma dupla de estudos que criaram bancos de dados que revelam quando e onde os genes se ativam e desativam em múltiplas regiões durante o desenvolvimento.

"Nosso estudo mostra como 650.000 variações genéticas triviais que tornam cada um de nós uma pessoa única podem influenciar as idas e vindas de 24.000 genes da parte mais ditintamente humana do nosso cérebro à medida que crescemos e envelhecemos", explicou Joel Kleinman, M.D., Ph.D., do National Institute of Mental Health (NIMH) Clinical Brain Disorders Branch.

Kleinman e o bolsista do NIMH, Nenad Sestan, M.D., Ph.D. da Yale University, New Haven, lideraram os estudos correlatos do número de 27 de outubro de 2011 da revista Nature.

"Ter em nossas mãos informações detalhadas sobre quando e onde produtos genéticos específicos são expressados no cérebro traz novas esperanças para a compreensão de como esse processo pode dar errado na esquizofrenia, no autismo e em outros distúrbios cerebrais", disse o diretor do NIMH, Thomas R. Insel, M.D.

Os dois estudos avaliaram os RNAs mensageiros ou transcrições. Esses produtos intermediários transportam a mensagem do DNA, o projeto (blueprint) genético, para criar proteínas e tecidos cerebrais diferenciados. Cada gene pode fazer diversas transcrições, que são expressadas em padrões influenciados por um subconjunto de aproximadamente 1,5 milhões de variações do DNA singulares a cada um de nós. Este conjunto único de transcrições é chamado de nosso transcriptoma - uma assinatura molecular única para cada indivíduo. O transcriptoma é uma medida do potencial funcional variado que existe no cérebro.

Os dois estudos descobriram que a rápida expressão genética (existente) durante o desenvolvimento fetal muda repentinamente para taxas bem mais lentas depois do nascimento, que declinam gradualmente e eventualmente se estabilizam na meia-idade. Essas taxas crescem novamente nas últimas décadas de envelhecimento do cérebro, assemelhando-se às taxas vistas na infância e na adolescência, de acordo com um dos estudos. Os bancos de dados guardam segredos de como os sistemas químicos mensageiros, as células e os processos de desenvolvimento sempre mutantes (NT - todos os três estão sempre se modificando) do cérebro relacionam-se aos padrões de expressão genética ao longo do desenvolvimento.

Por exemplo, se uma versão particular de um gene estiver implicada em um distúrbio, os novos recursos podem revelar como aquela variação afeta a expressão do gene ao longo do tempo e em cada região cerebral. Identificando genes até mesmo distantes entre si que podem estar se ativando e desativando em sincronia, os bancos de dados podem ajudar os pesquisadores a descobrir módulos inteiros de genes envolvidos em doenças. Também podem revelar como a variação em um gene pode influenciar a expressão de outro.

O córtex préfrontal

A equipe de Kleinman se concentrou em como as variações genéticas estão ligadas à expressão de transcrições do córtex préfrontal cerebral, a área que controla idéias (insight), planejamento e julgamento no decurso da vida. Estudaram 269 cérebros humanos saudáveis post-mortem que iam de duas semanas após a concepção até 80 anos de idade, utilizando 49.000 sondas genéticas. Apenas o banco de dados sobre a expressão genética do córtex préfrontal totaliza mais de um trilhão de bits de informação, de acordo com Kleinman.

Entre importantes achados no córtex préfrontal:

- As variações genéticas individuais estão profundamente ligadas a padrões de expressão. A maior similaridade entre os indivíduos é detectada nas fases iniciais do desenvolvimento e novamente à medida que nos aproximamos do fim da vida.
- Diferentes tipos de genes relacionados são expressados durante o desenvolvimento prénatal e as duas primeiras fases da infância, de forma tal que cada um desses estágios apresenta uma identidade transcriptiva relativamente distinta. Três- quartos dos genes revertem sua direção de expressão depois do nascimento, com a maioria deles passando de ligado para desligado.
- A expressão de genes envolvidos em divisão celular declina prenatalmente e na primeira fase da infância, enquanto que a expressão de genes importantes para a elaboração de sinapses, ou conexões entre os neurônios, aumenta. Em contraste, os genes necessários para as projeções neuronais declinam após o nascimento - o que é provável, já que as conexões não utilizadas são desbastadas.
- Lá pela época em que chegamos aos 50 anos de idade, a expressão genética geral começa a aumentar, refletindo a aguda reversão das modificações fetais de expressão que ocorrem na primeira fase da infância.
- A variação genética do genoma como um todo não apresentou qualquer efeito sobre a variação do transcriptoma como um todo, a despeito da distância genética que possa haver entre os indivíduos. Portanto, os córtices humanos têm uma arquitetura molecular estável, a despeito de nossa diversidade.

Em estudos anteriores, Kleinman e seus colegas descobriram que todas as variações genéticas até então implicadas na esquizofrenia estão associadas a transcrições preferencialmente expressadas no cérebro fetal. Isto soma-se a evidências de que esse distúrbio se origina no desenvolvimento prénatal. Em contraste, ele e seus colegas estão examinando evidências de que a variação genética implicada em distúrbios emocionais (affective disorders) pode estar associada a transcrições epressadas em períodos posteriores da vida. Eles também estão ampliando seu banco de dados para incluir todas as transcrições de todos os genes do genoma humano, examinando 1.000 cérebros post-mortem, incluindo muitos de pessoas que tinham esquizofrenia ou outros distúrbios cerebrais.

Regiões cerebrais múltiplas

Sestan e seus colegas caracterizaram a expressão genética em 16 regiões cerebrais, incluindo 11 áreas do neocórtex, de ambos os hemiférios de 57 cérebros que iam de 40 dias após a concepção até 82 anos de idade - analisando o transcriptoma de 1.340 amostras. Utilizando 1,4 milhões de sondas, os pesquisadores mediram a expressão de exons, que se combinam para formar um produto da proteína de um gene. Isto lhes permitiu apontar modificações nessas combinações que produzem uma proteína, assim como mapear a expressão total do gene.

Entre os achados principais:

- Mais de 90 por cento dos genes expressados no cérebro são regulados diferencialmente através de regiões cerebrais e/ou através de períodos temporais de desenvolvimento. Também há diferenças disseminadas ao longo de regiões e períodos temporais na combinação dos exons de um gene que são expressados.
- O timing e a localização são muito mais influentes na regulagem da expressão genética do que o gênero, a etnia ou a variação individual.
- Entre os 29 módulos de genes co-expressados identificados, cada um deles tinha padrões distintos de expressão e representava diferentes processos biológicos. A variação genética de alguns dos genes mais bem conectados desses módulos, chamados de genes axiais (hub genes), já tinha sido previamente ligada a distúrbios mentais, incluindo esquizofrenia e depressão.
- Similaridades reveladoras entre padrões de expressão de genes anteriormente implicados em esquizofrenia e autismo estão fornecendo pistas para a descoberta de outros genes potencialmente envolvidos nesses distúrbios.
- Diferenças de gênero quanto ao risco de certos distúrbios mentais podem ser rastreadas até mecanismos de transcrição. Mais de três-quartos de 159 genes expressados diferencialmente entre os sexos tinham propensão masculina, a maior parte deles pré-natalmente. Alguns genes que se viu terem essa expressão com propensões de gênero tinham sido anteriormente associados a distúrbios que afetam mais homens do que mulheres, como esquizofrenia, síndrome de Williams e autismo.
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More information: The Kleinman study data on genetic variability are accessible to qualified researchers at http://www.ncbi.nl … 000417.v1.p1 , while the gene expression data can be found at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc5GSE30272 . In addition, BrainCloud, a web browser application developed by NIMH to interrogate the Kleinman study data, can be downloaded at http://www.libd.org/braincloud .
Provided by National Institutes of Health
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Artigos da Nature, de 27 de outubro de 2011:

Temporal dynamics and genetic control of transcription in the human prefrontal cortex
Carlo Colantuoni, Barbara K. Lipska, Tianzhang Ye, Thomas M. Hyde, Ran Tao, Jeffrey T. Leek, Elizabeth A. Colantuoni, Abdel G. Elkahloun, Mary M. Herman, Daniel R. Weinberger, & Joel E. Kleinman
Possível link para o artigo:
http://www.nature.com/nature/journal/v478/n7370/full/nature10524.html?WT.ec_id=NATURE-20111027

Abstract. Previous investigations have combined transcriptional and genetic analyses in human cell lines, but few have applied these techniques to human neural tissue. To gain a global molecular perspective on the role of the human genome in cortical development, function and ageing, we explore the temporal dynamics and genetic control of transcription in human prefrontal cortex in an extensive series of post-mortem brains from fetal development through ageing. We discover a wave of gene expression changes occurring during fetal development which are reversed in early postnatal life. One half-century later in life, this pattern of reversals is mirrored in ageing and in neurodegeneration. Although we identify thousands of robust associations of individual genetic polymorphisms with gene expression, we also demonstrate that there is no association between the total extent of genetic differences between subjects and the global similarity of their transcriptional profiles. Hence, the human genome produces a consistent molecular architecture in the prefrontal cortex, despite millions of genetic differences across individuals and races. To enable further discovery, this entire data set is freely available (from Gene Expression Omnibus: accession GSE30272; and dbGaP: accession phs000417.v1.p1) and can also be interrogated via a biologist-friendly stand-alone application (http://www.libd.org/braincloud).


Spatio-temporal transcriptome of the human brain
Hyo Jung Kang, Yuka Imamura Kawasawa, Feng Cheng, Ying Zhu, Xuming Xu, Mingfeng Li, André M. M. Sousa, Mihovil Pletikos, Kyle A. Meyer, Goran Sedmak, Tobias Guennel, Yurae Shin, Matthew B. Johnson, Željka Krsnik, Simone Mayer, Sofia Fertuzinhos, Sheila Umlauf, Steven N. Lisgo, Alexander Vortmeyer, Daniel R. Weinberger, Shrikant Mane, Thomas M. Hyde, Anita Huttner, Mark Reimers, Joel E. Kleinman & Nenad Šestan
Possível link para o artigo:
http://www.nature.com/nature/journal/v478/n7370/pdf/nature10523.pdf

Abstract. Brain development and function depend on the precise regulation of gene expression. However, our understanding of the complexity and dynamics of the transcriptome of the human brain is incomplete. Here we report the generation and analysis of exon-level transcriptome and associated genotyping data, representing males and females of different ethnicities, from multiple brain regions and neocortical areas of developing and adult post-mortem human brains. We found that 86 per cent of the genes analysed were expressed, and that 90 per cent of these were differentially regulated at the whole-transcript or exon level across brain regions and/or time. The majority of these spatio-temporal differences were detected before birth, with subsequent increases in the similarity among regional transcriptomes. The transcriptome is organized into distinct co-expression networks, and shows sex-biased gene expression and exon usage. We also profiled trajectories of genes associated with neurobiological categories and diseases, and identified associations between single nucleotide polymorphisms and gene expression. This study provides a comprehensive data set on the human brain transcriptome and insights into the transcriptional foundations of human neurodevelopment.