Compreensão formação de padrões Cerebelar

Eu sou Kathy Millan. Sou professor assistente na Universidade de Chicago no Departamento de Genética Humana e também no Departamento de Neurologia. E eu trabalho no desenvolvimento do cérebro e, especificamente, trabalho no desenvolvimento de Cere Butler, o cerebelo, a parte do cérebro aqui na parte de trás do crânio.

E é mais famoso por seu papel no desenvolvimento motor, mas acontece que está envolvido em muitas coisas. E é uma parte muito interessante do cérebro: a formação de padrões é o desenvolvimento de padrões em um sistema biológico. E é uma dessas palavras que os biólogos do desenvolvimento usam de uma maneira mole para significar quase tudo.

E não está muito claro o que isso significa. Acho que todo biólogo do desenvolvimento lhe daria uma versão diferente do que isso significa para mim. O que isso significa é como o cérebro, ou em particular o cerebelo, sabe de cima para baixo, como você define esquerda e direita?

Como você decide qual parte da estrutura vai ser, qual parte? E uma vez que você tenha tomado essas decisões embrionárias iniciais críticas e fundamentais, como você reúne toda a estrutura celular para formar a parte primorosamente padronizada do cérebro que chamamos de Cerebelo? Portanto, estamos realmente interessados no desenvolvimento cerebelar e nas informações de padrões no cerebelo em desenvolvimento.

Porque o cerebelo é um tecido primorosamente padronizado. Não tem muitas camadas de células e não muitos tipos de células. Então, em relação a outras partes do cérebro, é especialmente, bem, é uma estrutura relativamente simples.

E também porque o cerebelo tem uma função muito específica, ou uma das muitas funções é a coordenação motora. Quando camundongos ou humanos apresentam anormalidades cerebelares, um dos fenótipos resultantes é a descoordenação motora. E assim, ao longo dos cem anos ou mais de genética de camundongos, houve vários mutantes espontâneos de camundongos que foram descobertos e caracterizados até certo ponto, mas também apenas isolados e sentados na prateleira do Jackson Labs, onde são camundongos com anormalidades motoras.

E um grande número desses camundongos, acho que há mais de 60 cepas espontâneas com anormalidades no desenvolvimento cerebelar. E esse recurso é um recurso rico e realmente valioso para ver quais são os mecanismos de desenvolvimento que impulsionam a formação de padrões cerebelares. Então, uma coisa em que meu laboratório está focado é pegar todas as ferramentas que temos do Projeto Genoma Humano e do Projeto Genoma do Camundongo e usar esses reagentes moleculares para encontrar os genes que são mutantes mutantes em todos esses mutantes espontâneos.

E ao encontrar esses mutantes, adotamos uma abordagem centrada no fenótipo para encontrar genes. Portanto, não estamos pegando genes aleatoriamente e eliminando-os. Estamos encontrando fenótipos e encontrando os genes porque, usando essa abordagem, estamos encontrando especificamente genes que são particularmente relevantes para o sistema de interesse.

Portanto, nosso laboratório e muitos outros laboratórios clonaram vários desses mutantes espontâneos de camundongos. E esses mutantes espontâneos de camundongos levaram a uma nova biologia realmente interessante. Porque estamos adotando essa abordagem orientada por fenótipo.

Não estamos tendo nenhum preconceito sobre que tipo de genes vamos encontrar. Não estamos procurando especificamente por análogos dal ho ou mutações de canal. Estamos chegando aos genes que os fenótipos ditam.

E por causa disso, estamos aprendendo muita biologia nova. Então, por exemplo, um dos genes ou um dos fenótipos em que meu laboratório trabalhou e juntos quando eu era um pós-doutorado com outro colega, Jim Linig, trabalhamos em um mutante de camundongo chamado dre, que é alemão para spinner ou girando como um pião. E esses mutantes de camundongos surgiram pela primeira vez em 1929 na Alemanha e vêm se acumulando no Jackson Labs.

Existem vários alelos desse locus específico, e sabia-se que o cerebelo estava formado incorretamente. Portanto, todos os tipos de células cerebelares estavam lá, mas o padrão do cerebelo era anormal. A parte do meio estava faltando, a parte do meio é chamada de verus.

E descobrimos que havia um fenótipo embrionário inicial nesses camundongos que levou a esse fenótipo adulto. E o fenótipo foi resultado de uma mutação em um gene chamado LMX one A, que significa domínio homeo do membro contendo a caixa um. Então, L LMX um gene A é realmente transformado em um gene realmente interessante e importante na biologia do desenvolvimento porque é um dos genes mais críticos na definição do que está no sistema nervoso central ou do que é dorsal.

E sem ter essa mutação rara, ninguém sabia realmente o que esse gene fazia. Na verdade, foi encontrado por outras razões em células produtoras de insulina no pâncreas. E outras pessoas estavam estudando o papel potencial no diabetes.

Mas, na verdade, verifica-se que o LMX one envelhecendo por si só não tem nenhum papel no desenvolvimento pancreático ou no desenvolvimento das células do ilhó. E, de fato, seu principal papel no desenvolvimento é impulsionar o padrão dorsal no sistema nervoso central. Quando clonamos pela primeira vez o gene DR, o gene LMX one A, percebemos que ele é expresso apenas na parte dorsal do sistema nervoso central.

E, de fato, não é expresso apenas na parte dorsal do sistema nervoso central ou na placa do teto que é chamada ao redor do cerebelo. Na verdade, é expresso na parte dorsal do sistema nervoso central ao longo de todo o comprimento axial do embrião de camundongo. E, de fato, é expresso ao longo de todo o comprimento axial de cada vertebrado que vimos até agora.

E porque é expresso dorsalmente em todos os lugares, raciocinamos que deve ter um papel dorsalmente em outras partes do sistema nervoso central. E então, na verdade, passamos muito tempo caracterizando o fenótipo dos camundongos DR na medula espinhal, porque a medula espinhal é um sistema modelo muito melhor para entender o desenvolvimento do SNC do que o cerebelo, porque é muito menos tridimensionalmente complicado. Tem muito menos estrutura tridimensional.

Mudando para o pintinho, fomos capazes de tirar proveito de um grande número de reagentes para descobrir qual era o papel do LMX one A na medula espinhal. E da medula espinhal, voltamos para o cerebelo. E, francamente, não acho que sem a tecnologia da pintaria, realmente teríamos uma grande compreensão do que o gene LMX um faz, um pós-doutorado em meu laboratório, Victor Chiko, foi a pessoa que realmente pegou esses experimentos e correu com eles.

E ele foi a pessoa que realmente descobriu o que o gene LMX one a faz e seu papel principal no sistema nervoso central usando o sistema de eletroporação Chick. E eu honestamente não acho que teríamos sido capazes de fazer tanto avanço quanto fizemos sem a eletroporação de pintinhos. Portanto, a eletroporação de pintinhos é uma tecnologia realmente valiosa porque você pode expressar genes rapidamente no sistema nervoso do pintinho em desenvolvimento, obter um resultado após dois ou três dias de incubação e obter fenótipos analisáveis.

Se você realmente tentasse fazer manipulações genéticas em camundongos para animais transgênicos, isso levaria vários meses e para nocautes, etc., isso levaria pelo menos um ano e meio. E então o sistema de pintinhos é um sistema realmente valioso porque você pode manipular a expressão gênica e descobrir fenótipos rapidamente. Portanto, o envelhecimento do LMX quando é superexpresso no sistema nervoso do pintinho em desenvolvimento, em particular, na medula espinhal em desenvolvimento, fez com que toda a parte dorsal do sistema nervoso central ou a medula espinhal se transformasse em uma parte dorsal do sistema nervoso central ou na placa do teto.

E então o que isso nos disse em combinação com um monte de outros experimentos que Victor fez foi que LMX um A por si só é responsável por conduzir todo o programa de diferenciação da placa do teto. E isso é importante porque a placa do teto é um centro de sinalização crítico no sistema nervoso em desenvolvimento. Se você não tem uma placa de teto, não secreta morfogênio para dizer às células do tubo neural adjacentes para se transformarem em neurônios sensoriais dorsais.

E sem esses sinais, essas células entram em um estado padrão de um tipo de célula intermediária. E você perde a maioria dos neurônios dorsais na medula espinhal, mas também no cerebelo em desenvolvimento. E eu não acho que teríamos sido facilmente capazes de chegar a essa conclusão usando qualquer outro sistema, exceto o tubo neural de galinha.

Estamos realmente interessados no desenvolvimento cerebelar, não apenas por causa da biologia básica em sistemas de camundongos e também no filhote, mas também os humanos têm malformações cerebelares. E essas malformações cerebelares humanas são realmente mal compreendidas. E assim, em colaboração com um colega, Dr. William Dobbins, um dos especialistas mundiais em malformações cerebrais humanas, juntos, iniciamos um projeto para encontrar genes de malformação cerebelar humana.

E estamos adotando várias abordagens. Uma das maiores coisas que fizemos foi construir um banco de dados de DNA e um banco de dados clínico onde recrutamos mais de 500 pacientes com malformações cerebelares humanas definidas e coletamos imagens de ressonâncias magnéticas e também correlacionamos com amostras de DNA para que possamos usar isso como um recurso para a caça de genes, porque acontece que as malformações cerebelares humanas não são bem categorizadas. E eu diria honestamente que de cada 10 exames que recebemos por meio de nossos estudos, pelo menos um desses exames é alguma malformação que nunca foi descrita e não foi realmente reconhecida antes.

A malformação cerebelar humana mais comum é chamada de malformação de Dandy Walker, e é a mais reconhecida pelos médicos. Mas acontece que é uma espécie de diagnóstico de lixo do mundo cerebelar humano. Qualquer médico ou muitos médicos, quando vêem um cerebelo anormal classificado como andador dândi.

E assim recrutamos pacientes para nosso estudo de malformação de Dandy Walker e encontramos todos os tipos de malformações cerebelares interessantes diferentes. Então, estamos usando esse recurso para encontrar novos genes de desenvolvimento cerebelar, porque, como biólogo do desenvolvimento, o que eu acho é que os humanos são um grande experimento de mutagênese. Eles são uma ótima fonte para encontrar novos genes de desenvolvimento.

Então, estamos adotando várias abordagens para encontrar esses genes. Uma dessas abordagens é pegar genes que descobrimos em camundongos que têm papéis no desenvolvimento cerebelar e sequenciar esses genes em humanos. E, de fato, identificamos recentemente a primeira mutação LMX humana um A.

Até agora, houve aplicações realmente limitadas de nossa pesquisa científica básica em pesquisa clínica. Mas isso está mudando muito rapidamente. À medida que encontramos novos e novos genes, podemos fornecer novas informações de aconselhamento genético às famílias das crianças afetadas.

E, francamente, é aí que vejo o maior impacto de nossa pesquisa. Portanto, minha visão para o campo de cinco anos em cinco anos é que muito mais descobertas de genes terão acontecido tanto pela caracterização de modelos de camundongos quanto pelo trabalho em malformações cerebelares humanas. Vamos saber mais sobre o conjunto de genes que estão envolvidos no desenvolvimento cerebelar.

E então o objetivo terá que ser como esses genes interagem uns com os outros e como esses genes conduzem a biologia real? Como eles conduzem todos os diferentes eventos celulares que ocorrem para formar um cerebelo? E eu acho que o cerebelo é realmente um modelo ideal para todo o sistema nervoso central porque, francamente, existem apenas cinco a sete tipos principais de células neuronais.

Eles estão todos organizados de várias maneiras estereotipadas. Estamos aprendendo cada vez mais sobre as moléculas que impulsionam a especificação e a diferenciação inicial desses progenitores. Estamos entendendo cada vez mais sobre como essas células proliferam.

Então, acho que daqui a mais de cinco anos, mas, no final das contas, vejo o campo sendo capaz de desenvolver o tubo até o desenvolvimento do cerebelo para alcançar a forma madura do cerebelo. E acho que, como o cerebelo é um sistema relativamente simples, temos a esperança de realmente descobrir as moléculas e os eventos de desenvolvimento que impulsionam a formação de toda a central de todo o cerebelo. E eu acho que isso é muito importante, não apenas para o campo do diagnóstico genético em humanos, e é importante para o campo do desenvolvimento cerebelar, mas acho que também teremos aplicações desses mecanismos em outras partes do cérebro.

O cerebelo é uma estrutura relativamente simples, mas muitos dos eventos de desenvolvimento não serão exclusivos do cerebelo. Podemos levar o que aprendemos com o cerebelo para outras regiões mais complicadas do sistema nervoso central, como o córtex cerebral, e pegar as lições e os caminhos que aprendemos e descobrir como eles se aplicam ao resto do cérebro.