0

Nicho recém descoberto de células-tronco nos ossos longos pode explicar como crescemos

Nossos ossos são formados por dois processos principais chamados de ossificação intramembranosa e ossificação endocondral. A ossificação intramembranosa origina os ossos chatos do crânio, parte da mandíbula e clavículas. Essa ossificação ocorre quando células embrionárias com alta capacidade de migração e diferenciação,  chamadas de células mesenquimais, se agregam nas regiões onde os ossos irão se formar e se diferenciam diretamente em osteoblastos (células que produzem a matriz óssea) (Figura 1). A ossificação endocondral, por sua vez, dá origem aos ossos da base do crânio, vértebras e aos ossos longos (como o fêmur – o maior osso do corpo humano!). Esse processo é mais lento que a ossificação intramembranosa, pois as células mesenquimais primeiramente se diferenciam em condrócitos, os quais produzem um molde de cartilagem que é posteriormente utilizado para deposição da matriz óssea (Figura 1). A ossificação endocondral se inicia durante o desenvolvimento embrionário e continua durante a infância e adolescência, o que permite o crescimento longitudinal dos ossos. Esse processo de crescimento tem despertado a curiosidade de pesquisadores por muitos anos. Mais especificamente, estudos têm buscado entender a origem das células que permitem que os ossos longos continuem crescendo por tantos anos após o nascimento.

ARSI antibody specificity

Figura 1: Imagens de microscopia mostrando osteoblastos e osteoclastos. Na imagem da esquerda pode-se observar osteoblastos (em roxo), na superfície externa de um osso em desenvolvimento (região rosa no centro da imagem). Normalmente, osteoblastos são organizados em grupos de células conectadase enquanto sintetizam a matriz ossea (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19552608). Na imagem da direita pode-se observar a morfologia dos condrócitos, os quais produzem todas as moléculas que dao suporte ao tecido cartilaginoso (http://medcell.med.yale.edu/histology/connective_tissue_lab/chondrocytes.php).

Durante a ossificação endocondral os condrócitos se organizam em diferentes zonas dentro do molde cartilaginoso, dependendo de seu estado de maturação (Figura 2). Condrócitos mais imaturos se localizam nas extremidades (que formarão as epífises), enquanto condrócitos mais maduros se localizam na região central do molde cartilaginoso (que formará a diáfise). Condrócitos mais imaturos, pequenos e arredondados formam a zona de reserva, que se diferenciam em condrócitos achatados e estão organizados em colunas na direção do eixo longitudinal do osso formando a zona proliferativa. Ao longo do tempo, condrócitos proliferativos param de se proliferar e aumentam de tamanho, formando a zona hipertrófica. Os condrócitos hipertróficos, por sua vez, morrem por apoptose permitindo a entrada de vasos sanguíneos na região central do molde cartilaginoso formando o centro primário de ossificação. Os vasos sanguíneos trazem células que auxiliam na remoção da matriz cartilaginosa (condroclastos) e células que depositam matriz óssea (osteoblastos), além de outras células que formarão a medula óssea (Figura 2).

fIG1 OSSIFICACAO

Figura 2: Ossificação endocondral. (A)  células mesenquimais se agregam em regiões que formarão ossos. (B) células mesenquimais se diferenciam em condrócitos e formam um molde cartilaginoso. (C) Após proliferação condrócitos passam por um processo progressivo de maturação, formando as zonas de reserva, proliferação e hipertrofia. (D) condrócitos hipertróficos, morrem por apoptose permitindo a entrada de vasos sanguíneos, degradação da matriz cartilaginosa e deposição da matriz óssea (Adaptado de Fanxin Long and David M. Ornitz, 2013).

Após a formação do centro primário de ossificação, a maioria do molde de cartilagem na diáfise é degradado ou substituído por matriz óssea. Com o passar do tempo, ocorre a formação de centros de ossificação secundários (COS) nas epífises, e regiões de cartilagem se mantém apenas na placa de crescimento (ou placa epifisária). A placa de crescimento, assim como o molde cartilaginoso inicial, é dividida em zonas de reserva, proliferação e hipertrofia (Figura 3) e mesmo sendo formada durante o período embrionário, é responsável pelo crescimento longitudinal dos ossos na infância e adolescência.
Figure2growthplate.png

Figura 3: (A) zonas de reserva, proliferação e hipertrofia se restringem à epífise após a invasão do molde cartilaginoso por vasos sanguíneos e deposição da matriz óssea – 3 dias após o nascimento. (B) Em estágios mais avançados de desenvolvimento (30 dias após o nascimento), centros secundários de ossificação se formam nas epífises, restringindo a área da placa de crescimento. (Adaptado de: Newton et al 2019)

De acordo com a teoria proposta para explicar o crescimento longitudinal dos ossos, os condrócitos da zona de reserva, são consumidos gradualmente quando recrutados para a zona proliferativa, onde se proliferam antes de se tornarem hipertróficos e morrerem. Essa teoria, porém, nunca foi observada na prática. Em um artigo publicado na revista Nature em março de 2019, cientistas no Karolinska Institutet, Stockholm, na Suécia investigaram essa teoria. Com o intuito de encontrar as células que possibilitam o crescimento longitudinal dos ossos, os pesquisadores criaram uma linhagem de camundongos transgênicos denominada de Col2-creert:R26R-Confetti. Esses camundongos tem a incrível habilidade de expressar variadas proteínas fluorescentes em diferentes condrócitos. Quando um condrócito expressa uma das proteínas fluorescentes, todas as suas células filhas após divisão celular expressam a mesma proteína, o que permite acompanhar toda a linhagem celular proveniente de condrócitos individuais ao longo do desenvolvimento (Figura 4).

figure3

Figura 4. Exemplos de placas de crescimento de camundongos. (A) coloração com hematoxilina e eosina de uma placa de crescimento de uma tíbia de camundongo, onde é possível observar em roxo as colunas com condrócitos proliferativos (Adaptado de Arita et all., 2017). (B) Imagem de uma placa de crescimento dos camundongos Col2-creert:R26R-Confetti 28 dias após seu nascimento. Diferentes colunas de condrócitos proliferativos são observadas em diferentes cores. Cada coluna apresenta apenas uma cor, indicando que todos os condrócitos naquela coluna são provenientes de um precursor original.

Utilizando os camundongos transgênicos em diferentes pontos do desenvolvimento, os pesquisadores conseguiram demonstrar que durante o período fetal e neonatal os condrócitos da zona de proliferação se originam de múltiplos clones, ou seja, diferentes células da zona de reserva são recrutadas para formar a zona proliferativa (Figura 5 A e B). Essa observação corrobora a teoria inicial de que as células da zona de reserva são consumidas gradualmente quando utilizadas para o crescimento longitudinal dos ossos. Surpreendentemente, após 30 dias de seu nascimento, as colunas de condrócitos proliferativos passam a ser monoclonais, ou seja, cada coluna passa a se originar de apenas uma célula precursora, por isso apresenta só uma cor (Figura 5 C e D). Esses resultados indicam que há uma mudança entre as células que participam no alongamento dos ossos durante o período fetal e neonatal e as células que participam nesse alongamento em estágios mais tardios do desenvolvimento.

fIGURE4

Figura 5: Rastreamento de condrócitos de camundongos Col2-creert:R26R-Confetti nos períodos neonatal e juvenil mostram diferentes células participando do alongamento dos ossos. Placas de crescimento de camundongos. (A) Rastreamento de condrócitos desde o nascimento até 10 dias de vida mostra uma epífise com uma ampla zona de reserva, onde cada clone (cada condrócito) é marcado com uma proteína fluorescente. (B) Ampliação da zona de proliferação mostra que as colunas se originam de múltiplos clones (múltiplos condrócitos da zona de reserva) que se dividem aumentando as colunas. (C) Placa de crescimento de camundongos juvenis (após 30 dias de nascimento), possuem uma menor zona de reserva. (D) Ampliação da zona de proliferação mostra que colunas passam a ser monoclonais, ou seja, se originam de apenas uma célula precursora, apresentando apenas uma cor (Adaptado de Newton et all., 2019).

Essa mudança na zona proliferativa, antes formada por vários precursores e depois formado por um precursor com maior capacidade de proliferação, sugere que a população de condrócitos progenitores na zona de reserva diminui com o passar do tempo. Entretanto, após a formação da placa de crescimento, os condroprogenitores (células que dão origem aos condrócitos) restantes adquirem a capacidade de auto-renovação, necessária para a continuidade do crescimento longitudinal dos ossos. A aquisição da capacidade de auto-renovação dos condroprogenitores ocorre ao mesmo tempo em que um centro de ossificação secundário (COS) está se formando na região das epífises (Figura 3B). A formação do COS muda o microambiente próximo a placa de crescimento, com a invasão de vasos sanguíneos, reorganização da matriz extracelular, entre outros fatores. Curiosamente, os pesquisadores sugeriram que esse microambiente é um dos fatores para que os condroprogenitores adquiram uma capacidade de auto-renovação que eles não tinham antes.

A auto-renovação é uma das características que definem uma célula-tronco, mas para comprovar que os condroprogenitores restantes são de fato células-tronco, células individuais foram isoladas por captura a laser, e os genes expressos foram analisados. Os condroprogenitores expressaram marcadores típicos de células-tronco como CD73, CD49e, ativação de mTORC1, e quando cultivados em placas de cultura foram capazes de se diferenciar em outros tipos celulares. Todas essas características demonstram que os condroprogenitores são, na verdade, células-tronco. A descoberta de um nicho de células-tronco na epífise é animadora, pois a presença de tais nichos já havia sido demonstrada em outros tecidos que apresentam uma necessidade de regeneração contínua, como a pele, o sangue e o intestino, mas nunca havia sido demonstrada nos ossos.

Em resumo, um nicho de células-tronco se forma após o nascimento na placa de crescimento dos ossos longos. Esse nicho facilita a auto-renovação dos condroprogenitores e possibilita que haja um contínuo suprimento de condrócitos para o crescimento dos ossos (Figura 6). O conhecimento desse nicho e de como as células agem permitindo o crescimento ósseo nos auxilia no entendimento do processo de formação de nosso esqueleto, mas também pode ser usado para entender como doenças se originam. É importante ressaltar que esse estudo foi conduzido em camundongos, e ainda não é claro se esses mecanismos são conservados em humanos. Caso isso seja confirmado, estudos futuros podem focar em estratégias para modular o crescimento ósseo, incluindo exercícios físicos, dietas e administração de moléculas que podem auxiliar no tratamento de crianças com desordens de crescimento.

Figure5

Figura 6: Resumo ilustrativo dos mecanismos de crescimento dos ossos longos com o passar do tempo. Durante o período fetal e neonatal, diferentes células da zona de reserva são recrutadas para a zona proliferativa, levando ao crescimento ósseo. Após a formação do COS, células de reserva diminuem e os condroprogenitores restantes adquirem a capacidade de auto-renovação, assim como outras características de células-tronco (sc). Essas células-tronco por sua vez, passam a ser responsáveis pelo crescimento longitudinal dos ossos.

Anúncios
1

Arrumando as malas: água, comida, espermatozoides desidratados! O que nos falta para colonizar outros planetas?

A ideia de viajar para, e até mesmo viver em, outros planetas tem maravilhado os humanos por muitos anos. Porém, mesmo que tenhamos meios de chegar em outros planetas eventualmente habitáveis, conseguiríamos sobreviver fora do planeta Terra? Além de preocupações com água e comida e das condições atmosféricas potencialmente desfavoráveis, há ainda um aspecto não muito discutido… pelo menos nos filmes de ficção científica: Os níveis de radiação espaciais!

Segundo o site da NASA, a radiação espacial consiste em partículas carregadas com alta energia provenientes de raios cósmicos e de emissões solares (uma explicação mais detalhada pode ser encontrada neste vídeo da NASA – em inglês). A exposição a esse tipo de radiação seria o maior risco de uma viagem para Marte, por exemplo. Isso porque a radiação no espaço é muito maior do que na Terra, onde o campo magnético e a atmosfera nos protegem de altos níveis de radiação. Os efeitos desse tipo de radiação em humanos ainda não são completamente compreendidos, porém algumas das maiores preocupações consistem em: aumento do risco de câncer; desenvolvimento de desordens neurológicas; e aparecimento de doenças degenerativas como cataratas, doenças circulatórias e digestivas. Essas doenças provavelmente ocorrem porque essa radiação ionizante “viaja” através de tecidos vivos com alta energia, causando danos ao material genético (DNA) das células. Danos ao DNA, por sua vez, tendem a alterar processos celulares como divisão e morte celular. O site da NASA possui uma seção inteira sobre radiação espacial, incluindo um e-book e até mesmo uma mini série sobre o tema (materiais em inglês)!

Por mais que a retirada e o congelamento de células reprodutoras para povoar outros planetas pareçam ter saído de um episódio de Arquivo X, fato é que o envio de células reprodutoras em jornadas interplanetárias poderia assegurar a diversidade genética de uma nova colônia de humanos e outros animais. Além disso, considerando que viagens interplanetárias podem levar gerações, é de extrema importância estudarmos como a fecundação e o desenvolvimento poderiam ocorrer no espaço. Com isso em mente, cientistas têm se perguntado se a radiação espacial pode levar também a danos no DNA em nossas células germinativas (espermatozoides e óvulos), dificultando ou impossibilitando a produção de descendentes saudáveis.

Em busca de respostas para essa pergunta, Teruhiko Wakayama e colaboradores de universidades japonesas, enviaram espermatozoides liofilizados (desidratados em baixa temperatura e pressão) de 12 camundongos para a estação espacial internacional (ISS em inglês), onde os níveis de radiação são aproximadamente 100 vezes maiores do que na Terra. Após o processo de liofilização, os espermatozoides foram armazenados na ISS a uma temperatura aproximada de -95 ºC, onde permaneceram por 288 dias antes de voltarem à Terra. Ao retornarem para a Terra, o efeito da radiação espacial foi analisado nessas células. Mais especificamente, foram analisados: morfologia dos espermatozoides; danos ao DNA; capacidade dos espermatozoides fecundarem um óvulo in vitro; potencial de desenvolvimento dos embriões in vitro; e normalidade da prole derivada dos espermatozoides. Os resultados deste estudo foram publicados recentemente (Abril de 2017) em um conceituado jornal científico (Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS).

Durante esse estudo, pesquisadores mantiveram na Terra uma amostra similar aos espermatozoides que foram enviados para o espaço. Estas amostras em terra foram utilizadas como grupo controle para as posteriores comparações. Os espermatozoides que permaneceram na Terra foram submetidos às mesmas mudanças de temperatura pelo mesmo tempo e pela mesma duração que os espermatozoides que estavam no espaço. As comparações morfológicas por microscopia de luz mostraram que não houve diferenças entre os espermatozoides mantidos no espaço por 9 meses e aqueles que permaneceram na Terra (Figura 1).

sptz1

Possíveis danos ao DNA dos espermatozóides foram medidos por dois métodos: ensaio de cometa, e detecção de uma proteína específica chamada de H2AX fosforilada (γ-H2AX). O primeiro método permite inferir a quantidade de quebras em uma ou duas fitas de DNA, enquanto o segundo é utilizado para marcar regiões com quebra da dupla fita do DNA. Resumidamente, o ensaio do cometa consiste em observar como o DNA danificado migra em um gel de agarose durante a aplicação de um campo elétrico (eletroforese). Esse teste é eficiente porque o DNA fragmentado das células migra da região nuclear ou da “cabeça do cometa” formando padrões no gel de agarose. Esses padrões se espalham no formato de uma “cauda”. A extensão do dano do DNA pode ser quantificada pela análise dos “cometas” formados durante a eletroforese. Já a detecção de γ-H2AX foi realizada utilizando-se anticorpos que se ligam a essa proteína, e ao se ligarem emitem um sinal fluorescente, permitindo sua visualização sob luz ultravioleta (esse processo também é conhecido como imunofluorescência). A comparação entre os espermatozoides do espaço e da Terra, realizada por esses testes, demonstrou que os danos ao DNA foram um pouco maiores nos espermatozoides mantidos na ISS do que na Terra (Figura 2)

sptz2

Mesmo demonstrando um maior dano em seu DNA, os espermatozoides mantidos na ISS, quando utilizados para fertilização in vitro aparentam se desenvolver normalmente (Figura 3), e foram capazes de produzir descendentes nas mesmas proporções que os espermatozoides mantidos na Terra. 

sptz3

Os camundongos gerados pelos espermatozoides mantidos no espaço foram denominados de filhotes espaciais (space pups), e se mostraram saudáveis e aptos a se reproduzirem (Figura 4)! Também foram realizadas análises de todo o genoma dos filhotes espaciais e terrestres, e essas demonstraram  grande similaridade entre os camundongos, sugerindo que os danos gerados ao DNA pela radiação espacial foram de alguma maneira reparados após a fertilização.

sptz4.png

Mesmo sendo um estudo fascinante, essa pesquisa traz muito mais perguntas do que respostas, tais como: o que ocorreria se ambos, óvulos e espermatozoides, fossem mantidos na ISS? Qual seria o máximo de radiação a que um espermatozoide poderia ser submetido e ainda ser reparado após a fecundação? Considerando que os níveis de radiação em locais mais distantes do que a ISS são ainda maiores, quanto tempo espermatozoides poderiam passar nesses locais e ainda gerar descendentes saudáveis? Mesmo sendo muito similares aos humanos em seu DNA, os espermatozoides humanos se comportariam da mesma maneira que os de camundongos? Quais os tipos de “escudos” poderiam ser utilizados para proteger nossas células germinativas da radiação espacial? Ufa! São realmente muitas perguntas… e esse parece ser apenas um pequeno passo no estudo da fecundação e desenvolvimento no espaço. Mas, afinal, todas as grandes descobertas começam com um pequeno passo, e a ciência se torna tão mais empolgante quando há tantas perguntas para serem respondidas.

Referência:

Wakayama S, Kamada Y, Yamanaka K, Kohda T, Suzuki H, Shimazu T, Tada MN, Osada I, Nagamatsu A, Kamimura S et al. 2017. Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the international space station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114(23):5988-5993.

 

1

De máquinas de tradução a reguladores gênicos – Como ribossomos específicos podem controlar a expressão gênica?

 

Você já se perguntou como a partir de uma única célula (zigoto), todas as outras células, tecidos e órgãos de nosso corpo se formam? Além disso, um vez que todas as nossas células tem o mesmo código genético como é possível que tenhamos células tão diferentes formando nossos olhos e nossos rins, por exemplo? Essas fascinantes perguntas são a base de uma área da biologia chamada: Biologia do Desenvolvimento, que como o próprio nome diz, estuda os processos pelos quais os seres vivos de desenvolvem.

Há centenas de processos envolvidos na diferenciação e proliferação de nossas células durante o desenvolvimento, porém, podemos dizer que esses eventos são amplamente controlados por nossos genes. Segundo o dogma central da biologia molecular (mais explicado e atualizado nesse link), as informações de nosso DNA seguem um determinado fluxo, como representado na Figura 1. Brevemente, o DNA é copiado e transferido para células filhas em um processo chamado de replicação. A informação genética contida no DNA é transcrita em moléculas de RNA mensageiro (mRNA), que por sua vez são traduzidas em proteínas. Proteínas são os principais determinantes da forma e função biológica, elas influenciam nossas características, comportamento e fisiologia, sendo assim, busca-se compreender as proteínas para compreender a função dos genes.

Figura 1

Apesar de todas nossas células possuírem o mesmo DNA, os genes que estão ativos em cada uma delas não são os mesmos, e, de forma geral, é isso o que faz com que nossas células e tecidos sejam tão diferentes entre si. Os processos que controlam os genes que estão, ou não, sendo expressos em cada célula são chamados de processos de regulação gênica. A regulação gênica pode se dar a vários níveis, por exemplo, regiões do DNA podem estar mais ou menos enoveladas em torno de proteínas chamadas histonas , um maior enovelamento inibe a transcrição dos genes, enquanto regiões menos enoveladas são mais facilmente transcritas. A maioria dos estudos de regulação gênica se concentra no processo de transcrição, porém, há uma grande diferença entre os genes transcritos e as proteínas expressas por nossas células (nem todos os genes transcritos são traduzidos), indicando que grande parte da regulação gênica ocorre durante a tradução. E, estudos recentes sobre a regulação gênica durante a tradução tem dado enfoque a um velho conhecido da biologia celular, o ribossomo!

Classicamente os ribossomos são organelas descritas como eficientes máquinas do processo de tradução proteica (explicado com mais detalhes aqui) (Figura 2). Eles se ligam a moléculas de mRNA e as traduzem em uma sequência de aminoácidos, formando assim as proteínas. Esta visão clássica, dos ribossomos como máquinas, tem sido reavaliada nos últimos anos. Pesquisas recentes propõem que os ribossomos não apenas traduzem as moléculas de mRNA, mas também regulam a expressão de genes em diferentes tecidos e células, direcionando aspectos fundamentais da biologia celular. Desse modo, eles passam de máquinas passivas ao processo, a reais reguladores da expressão gênica.

 Figura 2

Acredita-se que a capacidade dos ribossomos em controlar a expressão gênica vem da variação em sua composição. Os ribossomos são compostos por RNA ribossômico (rRNA) e proteínas ribossomais (PRs), mais especificamente, são compostos de 4 moléculas de rRNA e podem conter 79 diferentes PRs. Outros fatores que aumentam a variabilidade dos ribossomos são: PRs podem ser modificadas após sua tradução; há variações entre rRNAs que compõe os ribossomos; ribossomos ainda podem se ligar a fatores exógenos que auxiliam a tradução. Em conjunto, todas essas pequenas possíveis variações, podem contribuir para a existência de ribossomos especializados em diferentes tipos celulares.

A ideia de que diferentes ribossomos estariam envolvidos na regulação da expressão genica veio da observação de doenças conhecidas como ribossomopatias (onde problemas na síntese dos ribossomos são associados a doenças humanas). Nessas doenças, diferentes características dos pacientes (anormalidades nos membros, coração, crânio, e até mesmo predisposição ao câncer) são relacionadas com mutações em diferentes PRs, como a anemia de Diamond-Blackfan, síndrome de Shwachman-Diamond e síndrome de Treacher Collins. Estudos com mutações em PRs trazem destaque para uma hipótese emergente: uma única PR ou um pequeno conjunto de PRs exerce funções específicas no desenvolvimento de organismos. Algumas mutações em PRs e os fenótipos causados pelas mesmas podem ser observados na Figura 3.

Figura 3Novos estudos trazem diversas indicações de que diferentes tipos de PRs conferem aos ribossomos diferentes especificidades, e de que essas diferenças são importantes para a regulação gênica. Porém, faltam dados experimentais para quantificar e classificar PRs nos ribossomos e validar o impacto dessas diferenças na tradução proteica. Essa falta de dados se dá principalmente por dificuldades técnicas na detecção das PRs e, consequentemente, dificuldades para provar que ribossomos específicos traduzem mRNAs específicos. Em um estudo recente, publicado na revista Cell, utilizaram uma técnica de espectroscopia de massa quantitativa que tornou possível medir a abundância absoluta de grupos de PRs. Além disso, os pesquisadores isolaram “ribossomos ativos”, ou seja, aqueles que estavam ligados ao mRNA participando do processo de tradução, e observaram que ribossomos com PRs diferentes tem “preferência” por traduzir mRNAs específicos. Esse estudo foi desenvolvido em células-tronco embrionárias de camundongos, que são pluripotentes e bastante homogêneas entre si. Como previsto, mesmo com a homogeneidade celular, foram observados diferentes tipos de “ribossomos ativos” na mesma célula!

Partindo dos resultados obtidos na espectroscopia de massa, os autores escolheram ribossomos contendo PRs específicas: PRS25/eS25 ou PRL10A/uL1 para estudar sua interação com seus respetivos mRNAs. Curiosamente, ao se isolar “ribossomos ativos”, os fragmentos de mRNA que estão sendo traduzidos ficam protegidos de degradação, desse modo eles também podem ser isolados e sequenciados geneticamente. Assim, foram isolados os ribossomos contendo PRS25/eS25 ou PRL10A/uL1 e seus respectivos mRNAs. A informação contida nestes mRNAs isolados demonstrou que mRNAs traduzidos por cada tipo de ribossomo dificilmente se sobrepõe. Por exemplo, ribossomos contendo PRL10A/uL1 traduzem muitos genes que promovem crescimento celular e metástase de câncer, por outro lado, esses mesmos ribossomos praticamente não traduzem genes envolvidos em estresse e morte celular. Por sua vez, ribossomos contendo PRS25/eS25 agem em outras vias celulares como na produção de vitamina B12, diferenciação celular, fissão de organelas, etc.

Em resumo, Shi e colaboradores (2017) demonstraram que genes específicos – muitas vezes essenciais para controle do metabolismo, proliferação e sobrevivência de nossas células – são preferencialmente traduzidos por ribossomos específicos. Mas afinal, porque isso é importante? Bem, essas novas descobertas representam uma mudança de paradigma, onde os ribossomos passam a ser vistos não apenas como “máquinas” muito eficientes de tradução proteica, mas também, como “trabalhadores” altamente especializados regulando a expressão gênica durante o desenvolvimento. Em organismos multicelulares a regulação gênica provida pelos ribossomos pode controlar quais genes são expressos de uma maneira específica no tempo e no espaço. Esse tipo de regulação é a base da diferença de todas as células de nosso organismo. Assim, podemos considerar que estamos um passo mais perto de entender como, a partir de um zigoto, células, tecidos, órgãos e seres tão complexos e variados se formam.

 

 

Ribosome GIF.gif

 

 

Referências
1. Xue, S. and M. Barna, Specialized ribosomes: a new frontier in gene regulation and organismal biology. Nat Rev Mol Cell Biol, 2012. 13(6): p. 355-69.2.

2. Shi, Z. and M. Barna, Translating the genome in time and space: specialized ribosomes, RNA regulons, and RNA-binding proteins. Annu Rev Cell Dev Biol, 2015. 31: p. 31-54.3.

3. Shi, Z., et al., Heterogeneous Ribosomes Preferentially Translate Distinct Subpools of mRNAs Genome-wide. Mol Cell, 2017. 67(1): p. 71-83 e7.

Imagens

Figura 2. A – (Traduzido de : http://www.shareyouressays.com/112733/comprehensive-essay-on-the-ribosomes-of-cell)
Figura 2.B – (Traduzido de: https://heimanlab.mit.edu/blog/it%E2%80%99s-trap).

Figura 2.C – (Modificada de: https://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/a/translation/polysome_em.html).

Figura 3  – Adaptada de Shi, Z. and M. Barna, Translating the genome in time and space: specialized ribosomes, RNA regulons, and RNA-binding proteins. Annu Rev Cell Dev Biol, 2015. 31: p. 31-54.3.

GIF  – http://www.amoebasisters.com/gifs.html

1

Células-tronco geneticamente modificadas: um novo tratamento para doenças inflamatórias?

Quem nunca sentiu dor, vermelhidão e aumento de temperatura após fazer um piercing, ralar os joelhos, ou até mesmo se cortar com uma folha de papel? Esses e outros danos aos nossos tecidos desencadeiam o que é chamado de inflamação. A inflamação é um processo natural e muitas vezes necessário para reestabelecer o bom funcionamento de órgãos e tecidos. Em alguns casos, ainda não muito bem compreendidos, devido a um mal funcionamento de nosso organismo, ocorre uma resposta inflamatória descontrolada e prolongada, denominada de inflamação crônica (explicação mais completa sobre inflamação nesse link). Esse processo pode ser acompanhado pela destruição dos tecidos e órgãos afetados, causando doenças severas como câncer, artrite e diabetes.

A artrite reumatoide é uma doença inflamatória crônica caracterizada por inflamações nas articulações. Seus sintomas variam de inchaço até extrema dor e perda de movimentos. Dependendo do avanço da doença, até mesmo cirurgias podem ser necessárias para substituição de articulações! Apesar de atingir cerca de 9,7 milhões de pessoas no mundo (dados de 2010), não há, ainda, uma cura para artrite reumatoide; apenas métodos de combate a seus sintomas.

Uma das dificuldades na criação de tratamentos para doenças crônicas está no fato de que nem todos os fatores envolvidos no desenvolvimento dessas doenças são conhecidos. Entretanto, sabe-se que moléculas chamadas citocinas  como IL-1 e TNF-α estão desreguladas nesse processo. Citocinas são moléculas produzidas por células específicas (por exemplo macrófagos e linfócitos) em reposta a organismos invasores como vírus e bactérias. Essas moléculas têm funções diversas incluindo: estimular macrófagos e células NK no combate a infecções; ativar a células produtoras de anticorpos; atrair células inflamatórias para zonas de infecção, entre outros. Em resumo, citocinas são produzidas durante processos infecciosos para auxiliar o organismo a retornar ao seu equilíbrio. A produção de citocinas normalmente dura de poucas horas a alguns dias, enquanto houver um estímulo, porém em doenças inflamatórias crônicas essa produção é desregulada e prolongada, levando a níveis inflamatórios exacerbados.

Tratamentos baseados na inibição de citocinas, visando diminuir processos inflamatórios tem sido utilizado em pacientes com artrite. Porém, apesar de serem efetivos em diminuir a resposta inflamatória, esses tratamentos não são efetivos para todos os pacientes, tem efeitos colaterais muitas vezes não conhecidos e são aplicados de forma sistêmica (através de injeções intravenosas e subcutâneas e não apenas nas articulações). A aplicação sistêmica de inibidores de citocinas inflamatórias tende a interferir com o sistema imune dos pacientes deixando-os susceptíveis a infecções, e até mesmo a outras doenças autoimunes.

Em busca de novos tratamentos para doenças inflamatórias crônicas como a artrite reumatoide, um estudo recente publicado no jornal Stem Cell Reports modificou geneticamente células tronco retiradas de camundongos para que elas produzissem moléculas anti-inflamatórias (Brunger et al. 2017). Mais especificamente, os cientistas envolvidos nessa publicação retiraram células adultas da pele de camundongos e as transformaram em células tronco pluripotentes induzidas – iPSCs (a descoberta de como gerar essas células rendeu um prêmio nobel para John B. Gurdon e Shinya Yamanaka em 2012!!). As iPSCs foram então modificadas geneticamente utilizando-se um sistema  de manipulação altamente eficiente e específico chamado de CRISPR/Cas9  (já descrito aqui na nossa seção de biociências do blog).

Após modificadas, as iPSCs passaram a produzir moléculas anti-inflamatórias em resposta a citocinas inflamatórias (IL-1 e TNF-α), o mesmo efeito esperado dod medicamentos utilizados de forma sistêmica. Essas células-tronco geneticamente modificadas e que respondem aos estímulos externos foram denominadas de células inteligentes ou “SMART” (Sigla em inglês para “células-tronco modificadas para terapias regenerativas autônomas”). Um vídeo explicativo (em inglês) sobre a criação e funcionamento dessas células pode ser encontrado clicando aqui.

Esse tipo de tratamento se mostra bastante inovador, uma vez que as “SMART” têm a capacidade de perceber a quantidade de citocinas inflamatórias no meio extracelular e produzir moléculas anti-inflamatórias em quantidades proporcionais aos níveis de inflamação. O combate à inflamação de uma maneira regulada é extremamente importante, pois a inflamação é um evento essencial para processos biológicos básicos como combate a infecções e reparo tecidual.

Após demonstrarem que as “SMART” possuem ação anti-inflamatória, os autores ainda diferenciaram essas células-tronco em tecido cartilaginoso in vitro. Quando tratada com citocinas inflamatórias, a cartilagem derivada de células normais (não modificadas para produção de anti-inflamatórios) apresentou alto grau de inflamação e degradação. A cartilagem criada a partir das “SMART” (produtoras de moléculas anti-inflamatórias), quando tratada com citocinas inflamatórias apresentou baixos níveis de inflamação e degradação tecidual. Isso sugere que as células-tronco modificadas, poderiam ser diferenciadas em cartilagem e aplicadas em pacientes com artrite, substituindo regiões degradas pela doença e conferindo proteção contra novas degradações causadas pela inflamação crônica.

Apesar de ser um tratamento inovador e promissor, essas injeções estão ainda na fase de testes em camundongos. A aplicação de células-tronco em humanos passa por várias discussões éticas, e necessita de teste pré-clínicos e clínicos para sua utilização como um real medicamento. Também é importante ressaltar que as células-tronco, quando injetadas sistematicamente, podem parar em locais não esperados, como pulmões, fígado e baço além de apresentarem baixa sobrevida in vivo. Ainda não há total compreensão de quais efeitos colaterais podem surgir com o acúmulo de células-tronco nos órgãos citados, porém, alguns experimentos com camundongos sugerem que a presença dessas células nos pulmões pode causar embolia pulmonar, enquanto que células-tronco acumuladas no fígado e baço poderiam contribuir para a diminuição da resposta inflamatória (uma revisão mais completa sobre esses pontos pode ser encontrada em diversos artigos científicos em inglês como em Eggenhofer e colaboradores e Kurtz) Desse modo, é de extrema importância ter um conhecimento mais profundo sobre a sobrevivência, migração e diferenciação das células SMART antes de sua aplicação clínica.

Referência

Brunger JM, Zutshi A, Willard VP, Gersbach CA, Guilak F. 2017. Genome Engineering of Stem Cells for Autonomously Regulated, Closed-Loop Delivery of Biologic Drugs. Stem cell reports 8:1202–1213.