Gene antigo CCNB1IP1 associado à expansão e às dobras do cérebro dos primatas

Um gene antigo com papel variável no desenvolvimento cerebral

Uma única letra do DNA em uma sequência reguladora ajudou a aumentar a atividade de um gene antigo, em experimentos que investigaram como os cérebros dos primatas se tornaram maiores e mais dobrados. Pesquisadores liderados por Shi Lei, do Instituto de Zoologia de Kunming, da Academia Chinesa de Ciências, identificaram o CCNB1IP1 como um dos fatores que contribuem para esse processo, relacionando mudanças na regulação gênica ao crescimento mais rápido das células que produzem neurônios.

A equipe, que trabalhou com colaboradores internacionais, constatou que a expressão de CCNB1IP1 era mais alta em macacos do que em tuco-tucos-arborícolas e saguis, e atingia seu nível máximo em humanos. Em seguida, experimentos traçaram uma possível cadeia causal: uma atividade reguladora mais intensa aumentou a expressão do gene, que acelerou uma etapa do ciclo de divisão celular, e as células progenitoras neurais se multiplicaram mais rapidamente. Alguns camundongos geneticamente modificados desenvolveram dobras no córtex cerebral, normalmente liso nessa espécie.

Os resultados, publicados na Nature Genetics, ampliam uma explicação da evolução cerebral que muitas vezes se concentrou em genes adquiridos recentemente pela linhagem humana. O CCNB1IP1 é um gene mais antigo, conservado entre os mamíferos. A pesquisa sugere que mudanças no momento e na intensidade de sua atividade também podem contribuir para a expansão gradual do neocórtex dos primatas.

Essa distinção é importante. Um gene não precisa surgir pela primeira vez para assumir um papel maior no desenvolvimento. Mudanças no DNA próximo que controla sua atividade podem alterar a quantidade da proteína produzida por uma célula, com consequências para o número e os tipos de células gerados durante o desenvolvimento cerebral.

Comparação de cérebros em desenvolvimento de cinco espécies

Os pesquisadores compararam dados transcriptômicos de diferentes camadas do córtex cerebral embrionário de camundongos, tuco-tucos-arborícolas, saguis, macacos e humanos. A análise transcriptômica mede o RNA produzido por genes ativos, permitindo comparar padrões de expressão gênica entre tecidos e espécies.

Os tuco-tucos-arborícolas foram usados como grupo externo: um parente próximo que não pertence ao grupo dos primatas e ajuda os pesquisadores a investigar quais características podem anteceder a evolução dos primatas. O CCNB1IP1 já era ativo no cérebro desses animais, o que sustenta a conclusão de que sua expressão cerebral não surgiu exclusivamente em humanos, nem mesmo em primatas.

O padrão não foi de aumento uniforme entre todas as espécies. Os saguis, que têm córtex em grande parte liso, apresentaram níveis de expressão semelhantes aos dos tuco-tucos-arborícolas. A expressão foi mais alta nos macacos, cujo córtex tem dobras, e atingiu seu nível máximo nos humanos. Os pesquisadores também encontraram associações positivas entre a expressão do gene, o peso do cérebro e o grau de dobramento do córtex.

Shi Lei, pesquisador que liderou a equipe no Instituto de Zoologia de Kunming, descreveu a relação entre a atividade gênica e a estrutura cerebral:

O nível de expressão desse gene antigo está estreitamente relacionado ao grau de dobramento do córtex,

Essas comparações estabelecem um padrão evolutivo, mas uma correlação, por si só, não demonstra que uma atividade gênica maior cause um córtex maior ou mais dobrado. Por isso, o estudo passou da comparação entre espécies à alteração do DNA regulador e à investigação do gene em células em desenvolvimento e em camundongos.

Por que as células que produzem neurônios são importantes

O foco celular foram as células progenitoras neurais, células imaturas que se dividem e produzem neurônios. No córtex dos camundongos, que normalmente permanece liso, os neurônios surgem principalmente de progenitores apicais na zona ventricular, uma região do desenvolvimento ao lado das cavidades com líquido do cérebro.

Nos primatas, outra região, chamada zona subventricular, é muito maior. Ela contém progenitores basais, células capazes de ampliar sua própria população e gerar neurônios adicionais. O aumento dessa população é uma das formas pelas quais o córtex em desenvolvimento pode crescer.

O estudo relacionou níveis mais altos de expressão de CCNB1IP1 ao aumento da proliferação de progenitores basais e à maior produção de neurônios. Isso oferece uma explicação celular para a associação observada entre as espécies: uma mudança na atividade do gene poderia alterar a quantidade de células disponíveis para formar o córtex.

Expansão e dobramento estão relacionados, mas não são medidas equivalentes. As dobras permitem que uma superfície cortical maior caiba dentro do crânio. O estudo investigou como uma mudança molecular poderia contribuir tanto para o crescimento do tecido quanto para seu dobramento, sem demonstrar que esse gene, sozinho, determina qualquer uma dessas características.

CRE1 funciona como um interruptor regulador

Os pesquisadores identificaram uma sequência reguladora chamada CRE1 que ajuda a elevar a expressão de CCNB1IP1. Ela é um elemento regulador cis, ou seja, um trecho de DNA que influencia a atividade de um gene na mesma molécula de DNA, em vez de codificar a própria proteína.

Comparações de um segmento central dessa sequência mostraram uma atividade reguladora progressivamente mais forte dos tuco-tucos-arborícolas aos macacos e grandes símios, e destes aos humanos. Esse padrão correspondia ao aumento geral da expressão de CCNB1IP1, direcionando a atenção aos mecanismos de controle do gene, e não simplesmente à presença dele.

Uma posição na sequência central se mostrou especialmente informativa. A sequência humana tinha a base G do DNA, enquanto chimpanzés e outros primatas tinham A. A substituição de G por A na sequência humana reduziu sua atividade reguladora. A substituição inversa na sequência do chimpanzé aumentou a atividade.

Esses experimentos recíprocos forneceram evidências de que a diferença em uma única base afetava a função da sequência. Previsões e experimentos de validação indicaram que a mudança alterou a ligação de dois fatores de transcrição, proteínas que se ligam ao DNA e ajudam a controlar a atividade dos genes.

A remoção de toda a sequência reguladora por edição genética também reduziu a expressão de CCNB1IP1. Em conjunto, os experimentos de substituição e remoção sustentam o papel de CRE1 no controle da intensidade da expressão do gene. Eles não demonstram que uma única mudança no DNA humano explique todas as diferenças reguladoras acumuladas ao longo da evolução dos primatas.

Como o CCNB1IP1 acelera o ciclo celular

O CCNB1IP1 codifica uma ligase de ubiquitina, uma enzima que acrescenta marcadores de ubiquitina a proteínas-alvo. Esses marcadores podem direcionar uma proteína para ser destruída pelo mecanismo de descarte da célula. Neste estudo, os pesquisadores constataram que o CCNB1IP1 promovia a degradação de um fator de transcrição envolvido na regulação do ciclo celular.

O efeito resultante foi uma fase G1 mais curta nas células progenitoras neurais. A G1 é o intervalo em que a célula cresce e se prepara antes de copiar seu DNA. Encurtar esse intervalo pode permitir que as células progenitoras completem o ciclo de divisão mais rapidamente.

O preprint do estudo sobre CCNB1IP1 dos autores, disponibilizado em 9 de dezembro de 2024, descreve especificamente o aumento do número de células progenitoras neurais por meio do encurtamento da fase G1. O resumo relaciona esse mecanismo ao aumento evolutivo da expressão do gene e a características de aprendizado e memória no modelo de camundongo.

Portanto, a sequência proposta é mais específica do que uma associação entre um gene e o tamanho do cérebro. O aumento da atividade de CCNB1IP1 promove a degradação de um regulador do ciclo celular, encurta uma etapa preparatória da divisão e aumenta a proliferação de células progenitoras. Essas células podem então produzir mais neurônios, oferecendo um mecanismo potencial para a expansão do córtex.

Alguns camundongos modificados desenvolveram dobras no córtex

Para testar se o gene poderia alterar o desenvolvimento cerebral em um animal, a equipe criou camundongos que expressavam a versão humana de CCNB1IP1 em células progenitoras neurais, usando uma estratégia de inserção condicional no genoma. Essa técnica introduz um gene no genoma e controla em quais células ele se torna ativo.

Alguns desses camundongos desenvolveram estruturas de dobramento cortical, apesar de o córtex dessa espécie normalmente ser liso. Os pesquisadores também observaram um aumento no índice local de girificação, uma medida do dobramento, e mais neurônios nas camadas superiores do córtex.

A distinção entre alguns animais e todos os animais é importante. Os resultados demonstram que a intervenção podia produzir dobras nas condições experimentais, não que todos os camundongos modificados tenham desenvolvido a mesma anatomia ou que seus cérebros tenham se tornado equivalentes aos de primatas.

O aumento de neurônios nas camadas superiores também acrescenta informações além das dobras visíveis. Ele relaciona o resultado anatômico a mudanças na produção de neurônios, em consonância com os experimentos anteriores sobre a proliferação de células progenitoras. Em conjunto, esses resultados reforçam a hipótese de que o CCNB1IP1 pode influenciar o desenvolvimento do córtex, em vez de apenas indicar diferenças entre espécies.

Resultados sobre aprendizado e memória exigem interpretação cuidadosa

Segundo os relatos, os camundongos modificados tiveram melhor desempenho em testes de aprendizado e memória. O preprint usa uma descrição mais cautelosa e afirma que o modelo apresentou características associadas a capacidades aprimoradas de aprendizado e memória. O relato mais amplo dos experimentos descreve diferenças em tarefas cognitivas específicas e pede novas investigações.

Essas descrições apontam para um efeito comportamental, mas diferem na força com que o caracterizam. Sem as pontuações numéricas, o tamanho das amostras ou uma descrição detalhada de cada tarefa, não é possível avaliar a dimensão e a abrangência da melhora relatada. Um desempenho melhor em testes selecionados com camundongos não demonstra que os animais tenham adquirido capacidades cognitivas humanas.

O dobramento do córtex, por si só, não determina a inteligência. O estudo relaciona regulação gênica, proliferação celular, anatomia e comportamento, mas não isola qual mudança no desenvolvimento causou as diferenças comportamentais. Para demonstrar isso, serão necessárias novas pesquisas sobre conexões neurais e o funcionamento dos circuitos alterados.

Uma explicação em evolução e a cronologia da publicação

A pesquisa acrescenta um gene antigo ao conjunto de mecanismos considerados na evolução do córtex dos primatas. Ela não substitui descobertas sobre genes específicos dos humanos. Em vez disso, sustenta uma explicação segundo a qual tanto genes evoluídos recentemente quanto mudanças na regulação de genes mais antigos podem contribuir para esse processo.

Essa distinção é compatível com os resultados comparativos. A expansão do córtex ocorreu em diferentes linhagens de primatas, não apenas após o surgimento da linhagem humana. Um sistema regulador cuja atividade difere entre tuco-tucos-arborícolas, macacos, grandes símios e humanos permite investigar esse padrão mais amplo.

O histórico de publicação também distingue o manuscrito inicial de sua publicação posterior em periódico:

• 9 de dezembro de 2024: O preprint foi disponibilizado com o DOI 10.1101/2024.12.08.627376. Ainda não havia passado por revisão por pares.
• Publicação posterior: A página do preprint registra que uma versão revisada por pares foi publicada posteriormente na Nature Genetics.

O status do preprint quando foi disponibilizado não deve ser confundido com o status do artigo publicado posteriormente no periódico. A principal afirmação do estudo é que mudanças na expressão de CCNB1IP1 podem ter contribuído para a evolução gradual do cérebro dos primatas, uma conclusão mais restrita do que apontar uma única causa para a inteligência humana.

O que ainda precisa ser demonstrado

Várias questões continuam sem resposta. Os papéis causais dos fatores de transcrição associados a CRE1 precisam ser testados mais a fundo durante o desenvolvimento do córtex dos primatas. Os efeitos de CCNB1IP1 sobre a conectividade neural e funções cognitivas específicas também exigem investigação mais detalhada.

Os resultados podem oferecer pistas para pesquisas sobre distúrbios do desenvolvimento neural, pois identificam um mecanismo que afeta a divisão de células progenitoras e a produção de neurônios. Essa é uma linha de pesquisa, não uma evidência de tratamento, teste diagnóstico ou papel comprovado em um distúrbio específico.

Nesses relatos, não foi anunciada a data de um próximo experimento nem um cronograma clínico. A contribuição imediata é uma cadeia de evidências que relaciona DNA regulador, expressão gênica, divisão celular e anatomia do córtex. Ainda é preciso determinar quanto esse mecanismo contribuiu para as diferenças entre espécies específicas de primatas.

Principais pontos

• Pesquisadores liderados por Shi Lei relacionaram o gene antigo CCNB1IP1 à expansão e ao dobramento do córtex dos primatas.
• A expressão foi semelhante em tuco-tucos-arborícolas e saguis, mais alta em macacos e máxima em humanos.
• A sequência reguladora CRE1 controla a expressão, e experimentos mostraram que uma diferença de A para G afetava sua atividade.
• O CCNB1IP1 encurtou a fase G1 das células progenitoras neurais e aumentou sua proliferação.
• Alguns camundongos modificados desenvolveram dobras no córtex e produziram mais neurônios nas camadas superiores.
• Foram relatados efeitos sobre aprendizado e memória, mas o dobramento, por si só, não determina a inteligência.
• Um preprint disponibilizado em dezembro de 2024 antecedeu a publicação na Nature Genetics.