Há cerca de 800 milhões de anos, os blocos de construção das nossas células cerebrais começaram a formar-se em oceanos rasos. Uma pesquisa publicada na revista Cell fornece novos insights sobre a evolução dos neurônios, com foco em animais vivíparos, um animal marinho com tamanho milimétrico. Cientistas do Centro de Regulação do Genoma em Barcelona descobriram que células secretoras especializadas nestes animais antigos e únicos podem ter dado origem aos neurónios de animais mais complexos.
Animais vivíparos são animais minúsculos, do tamanho de um grande grão de areia, que se alimentam em mares rasos e quentes de algas e microorganismos que vivem em superfícies rochosas e outros substratos. As criaturas em forma de bola e panqueca são muito simples e não possuem partes do corpo ou órgãos.
Acredita-se que esses animais tenham aparecido pela primeira vez na Terra há cerca de 800 milhões de anos e sejam um dos cinco principais filos animais, juntamente com Ctenophora, Porifera, Cnidaria (corais, anêmonas do mar e águas-vivas) e Bilateria (todos os outros animais).
Essas criaturas marinhas coordenam seu comportamento por meio de células peptidérgicas, um tipo especial de célula que libera pequenos peptídeos para direcionar o movimento ou a alimentação do animal. Movidos pela curiosidade sobre as origens destas células, os autores do estudo utilizaram uma série de técnicas moleculares e modelos computacionais para compreender como evoluíram os tipos de células animais vivíparas e descobrir como eram e funcionavam os nossos antigos antepassados.
Reconstrua tipos de células antigas
Os investigadores criaram primeiro um mapa de todos os diferentes tipos de células animais vivíparas, anotando as suas características em quatro espécies diferentes. Cada tipo de célula tem funções específicas que surgem de um conjunto específico de genes. Esses mapas, ou “atlas celulares”, permitem aos pesquisadores mapear aglomerados, ou “módulos”, desses genes. Eles então mapearam as regiões reguladoras do DNA que controlam esses módulos genéticos, mostrando claramente o que cada célula faz e como funcionam em conjunto. Finalmente, eles realizaram comparações entre espécies para reconstruir a evolução dos tipos de células.
A pesquisa mostra que os nove principais tipos de células de animais vivíparos parecem estar conectados por muitos tipos de células “intermediárias” que transitam de um tipo para outro. Essas células estão constantemente crescendo e se dividindo, mantendo um delicado equilíbrio de tipos de células que o animal precisa para se mover e comer. Os pesquisadores também descobriram 14 tipos diferentes de células peptidérgicas, mas essas células eram diferentes de todas as outras células e não apresentavam nenhum tipo intermediário ou sinais de crescimento ou divisão.
Surpreendentemente, as células peptidérgicas têm muitas semelhanças com os neurónios – um tipo de célula que só apareceu milhões de anos mais tarde em animais mais avançados, como os diquetas. A análise entre espécies mostrou que essas semelhanças eram exclusivas dos animais vivíparos e não foram observadas em outros clados iniciais, como esponjas ou ctenóforos.
trampolim para a evolução
As semelhanças entre células peptidérgicas e neurônios são evidentes em três aspectos. Primeiro, os investigadores descobriram que estas células animais vivíparas se diferenciavam de uma população de células epiteliais nativas através de sinais de desenvolvimento semelhantes ao processo de neurogénese, a formação de novos neurónios, em vermes e diplópodes.
Em segundo lugar, descobriram que as células peptidérgicas possuem muitos módulos genéticos necessários para construir a parte do neurónio que envia mensagens (a estrutura pré-sináptica). No entanto, essas células estão longe de serem neurônios verdadeiros porque não possuem os componentes na extremidade receptora de informações de um neurônio (pós-sináptica) ou os componentes necessários para conduzir sinais elétricos.
Finalmente, os autores usaram técnicas de aprendizagem profunda para mostrar que a comunicação entre tipos de células animais vivíparas ocorre através de um sistema intracelular no qual proteínas específicas chamadas GPCRs (receptores acoplados à proteína G) detectam sinais externos e iniciam uma série de reações dentro da célula. Esses sinais externos são mediados por neuropeptídeos, mensageiros químicos usados pelos neurônios em diversos processos fisiológicos.
“Ficamos impressionados com as semelhanças”, disse Sebastián R. Najle, Ph.D., coautor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no Centro de Regulação Genômica. "As células peptidérgicas de animais vivíparos têm muitas semelhanças com as células nervosas primitivas, embora ainda não tenham chegado lá. É como olhar para um trampolim evolutivo."
O amanhecer dos neurônios
O estudo mostra que os blocos de construção dos neurônios estavam se formando há 800 milhões de anos em animais ancestrais que pastavam em mares rasos da Terra antiga. Do ponto de vista evolutivo, os primeiros neurônios podem ter inicialmente se assemelhado às células secretoras peptidérgicas dos animais vivíparos atuais.
As células usaram neuropéptidos para comunicar, mas acabaram por adquirir novos módulos genéticos que permitiram às células criar estruturas pós-sinápticas, formar axónios e dendritos e criar canais iónicos que geram sinais eléctricos rápidos – inovações que foram críticas para o surgimento de neurónios cerca de 100 milhões de anos após o aparecimento dos ancestrais animais vivíparos pela primeira vez na Terra.
Contudo, a história evolutiva completa do sistema nervoso ainda precisa ser determinada. Acredita-se que os primeiros neurônios modernos tenham se originado do ancestral comum dos cnidários e anfíbios, há cerca de 650 milhões de anos. No entanto, células semelhantes a neurônios também existem em ctenóforos, embora sejam estruturalmente muito diferentes e não possuam a expressão da maioria dos genes encontrados nos neurônios modernos. Alguns desses genes neuronais estão presentes em células animais vivíparas, mas não em ctenóforos, levantando novas questões sobre a trajetória evolutiva dos neurônios.
"Animais vivíparos não têm neurônios, mas agora descobrimos que eles apresentam semelhanças moleculares impressionantes com nossas células nervosas. Os ctenóforos têm redes neurais que apresentam diferenças importantes, bem como semelhanças, com as nossas. Os neurônios evoluem uma vez e depois se diferenciam, ou progridem em paralelo mais de uma vez?" São mosaicos, cada peça com uma origem diferente? Estas são questões em aberto que precisam de ser respondidas", disse Xavier Grau-Bové, Ph.D., coautor do estudo e investigador de pós-doutoramento no Centro de Regulação do Genoma.
Os autores do estudo acreditam que, à medida que investigadores de todo o mundo continuam a sequenciar genomas de alta qualidade de diferentes espécies, as origens dos neurónios e a evolução de outros tipos de células tornar-se-ão cada vez mais claras.
"As células são a unidade básica da vida, por isso compreender como as células surgem ou mudam ao longo do tempo é fundamental para explicar a história da evolução da vida. Animais vivíparos, ctenóforos, esponjas e outros modelos de animais não tradicionais guardam segredos que estamos apenas a começar a desvendar", conclui Arnau Sebé-Pedros, autor correspondente do estudo, líder do grupo júnior do Centro de Regulação Genómica e Professor de Investigação do ICREA.