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

Um gene antigo com um papel em mudança no desenvolvimento cerebral

Uma única letra de ADN numa sequência reguladora ajudou a aumentar a atividade de um gene antigo em experiências que investigaram como os cérebros dos primatas se tornaram maiores e mais pregueados. Investigadores 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 este processo, relacionando alterações na regulação genética com o crescimento mais rápido das células que produzem neurónios.

A equipa, que trabalhou com colaboradores internacionais, descobriu que a expressão de CCNB1IP1 era mais elevada nos macacos do que nos musaranhos-arborícolas e nos saguis, e atingia o nível máximo nos humanos. As experiências permitiram depois traçar uma possível cadeia causal: uma atividade reguladora mais forte aumentou a expressão do gene, o gene acelerou uma parte do ciclo de divisão celular e as células progenitoras neurais multiplicaram-se mais rapidamente. Alguns ratos geneticamente modificados desenvolveram pregas no córtex cerebral, normalmente liso.

Os resultados, publicados na Nature Genetics, alargam uma explicação da evolução cerebral que se tem centrado frequentemente em genes adquiridos recentemente na linhagem humana. O CCNB1IP1 é um gene mais antigo, conservado entre os mamíferos. A investigação sugere que alterar quando e com que intensidade esse tipo de gene funciona também pode contribuir para a expansão gradual do neocórtex dos primatas.

Esta distinção é importante. Um gene não tem de surgir pela primeira vez para assumir um papel maior no desenvolvimento. Alterações no ADN próximo que controla a sua atividade podem mudar a quantidade da proteína que uma célula produz, com consequências para o número e os tipos de células produzidas durante o desenvolvimento cerebral.

Comparação de cérebros em desenvolvimento de cinco espécies

Os investigadores compararam dados transcriptómicos de diferentes camadas do córtex cerebral embrionário de ratos, musaranhos-arborícolas, saguis, macacos e humanos. A análise transcriptómica mede o ARN produzido por genes ativos, permitindo comparar padrões de expressão genética entre tecidos e espécies.

Os musaranhos-arborícolas serviram de grupo externo: são parentes próximos, mas não pertencem ao grupo dos primatas, o que ajuda os investigadores a estudar quais as características que poderão anteceder a evolução dos primatas. O CCNB1IP1 já era ativo no cérebro dos musaranhos-arborícolas, apoiando a conclusão de que a sua expressão cerebral não surgiu exclusivamente nos humanos, nem sequer nos primatas.

O padrão não revelou um aumento uniforme entre todas as espécies. Os saguis, que têm córtices em grande parte lisos, apresentaram níveis de expressão semelhantes aos dos musaranhos-arborícolas. A expressão era mais elevada nos macacos, cujos córtices têm pregas, e atingia o nível máximo nos humanos. Os investigadores também encontraram associações positivas entre a expressão, o peso do cérebro e o grau de pregueamento cortical.

Shi Lei, o investigador que liderou a equipa no Instituto de Zoologia de Kunming, descreveu a relação entre a atividade genética e a estrutura cerebral:

O nível de expressão deste gene antigo está estreitamente relacionado com o grau de pregueamento cortical,

Estas comparações estabelecem um padrão evolutivo, mas uma correlação, por si só, não demonstra que uma atividade genética mais elevada cause um córtex maior ou mais pregueado. Por isso, o estudo passou da comparação entre espécies à alteração do ADN regulador e à análise do gene em células em desenvolvimento e em ratos.

A importância das células que produzem neurónios

O estudo centrou-se na população de progenitores neurais, células imaturas que se dividem e produzem neurónios. No córtex do rato, que normalmente permanece liso, os neurónios têm origem sobretudo em progenitores apicais da zona ventricular, uma região do desenvolvimento situada junto às cavidades cheias de líquido do cérebro.

Nos primatas, outra região, chamada zona subventricular, é muito maior. Contém progenitores basais, células capazes de aumentar a própria população e de gerar neurónios adicionais. O aumento desta população é uma das formas de fazer crescer o córtex em desenvolvimento.

O estudo relacionou uma expressão mais elevada de CCNB1IP1 com uma maior proliferação de progenitores basais e uma produção acrescida de neurónios. Isto oferece uma explicação celular para a associação observada entre espécies: uma alteração na atividade do gene pode mudar a quantidade de células disponíveis para formar o córtex.

A expansão e o pregueamento estão relacionados, mas não são medidas equivalentes. As pregas permitem acomodar uma superfície cortical maior dentro do crânio. O estudo analisou como uma alteração molecular poderia contribuir tanto para o crescimento dos tecidos como para o pregueamento, sem demonstrar que este gene, por si só, determina qualquer uma destas características.

O CRE1 funciona como interruptor regulador

Os investigadores identificaram uma sequência reguladora chamada CRE1, que ajuda a aumentar a expressão de CCNB1IP1. Trata-se de um elemento regulador em cis, ou seja, um segmento de ADN que influencia a atividade de um gene na mesma molécula de ADN, em vez de codificar a própria proteína.

As comparações de um segmento central desta sequência revelaram uma atividade reguladora progressivamente mais forte, dos musaranhos-arborícolas aos macacos e grandes símios, e destes aos humanos. Este padrão correspondia ao aumento geral da expressão de CCNB1IP1, levando os investigadores a focarem-se nos mecanismos de regulação do gene, e não apenas na sua existência.

Uma posição na sequência central revelou-se particularmente informativa. A sequência humana continha a base de ADN G, enquanto os chimpanzés e outros primatas tinham A. A substituição de G por A na sequência humana reduziu a sua atividade reguladora. A substituição inversa na sequência do chimpanzé aumentou a atividade.

Estas experiências recíprocas forneceram provas de que a diferença numa única base afetava a função da sequência. As previsões e experiências de validação indicaram que a alteração modificava a ligação de dois fatores de transcrição, proteínas que se ligam ao ADN e ajudam a controlar a atividade genética.

A eliminação de toda a sequência reguladora através de edição genética também reduziu a expressão de CCNB1IP1. Em conjunto, as experiências de substituição e eliminação sustentam o papel do CRE1 no controlo da intensidade de expressão do gene. Não demonstram que uma única alteração no ADN 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 liga marcadores de ubiquitina a proteínas-alvo. Esses marcadores podem encaminhar uma proteína para ser destruída pelo sistema de eliminação da célula. Neste caso, os investigadores descobriram que o CCNB1IP1 promovia a degradação de um fator de transcrição envolvido na regulação do ciclo celular.

O resultado foi o encurtamento da fase G1 nos progenitores neurais. A G1 é o intervalo em que a célula cresce e se prepara antes de copiar o ADN. Encurtar esse intervalo pode permitir que as células progenitoras percorram mais rapidamente o ciclo de divisão.

O preprint do estudo sobre o CCNB1IP1, publicado a 9 de dezembro de 2024, descreve especificamente o aumento do número de progenitores neurais através do encurtamento da fase G1. O resumo relaciona este mecanismo com o aumento evolutivo da expressão do gene e com características de aprendizagem e memória no modelo de rato.

A sequência proposta é, assim, 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 fase preparatória da divisão e aumenta a proliferação de progenitores. Mais progenitores podem, por sua vez, produzir mais neurónios, proporcionando um possível mecanismo para a expansão cortical.

Alguns ratos modificados desenvolveram pregas corticais

Para testar se o gene poderia alterar o desenvolvimento cerebral num animal, a equipa criou ratos que expressavam a versão humana de CCNB1IP1 em células progenitoras neurais, recorrendo a uma abordagem de inserção condicional. Esta introduz um gene no genoma e permite controlar em que células se torna ativo.

Alguns destes ratos desenvolveram estruturas de pregueamento cortical, apesar de o córtex do rato ser normalmente liso. Os investigadores também observaram um aumento do índice local de girificação, uma medida do pregueamento, e mais neurónios nas camadas superiores do córtex.

É importante distinguir alguns animais de todos os animais. Os resultados demonstram que a intervenção pode produzir pregas nas condições experimentais, não que todos os ratos modificados tenham desenvolvido a mesma anatomia ou que o seu cérebro se tenha tornado equivalente ao de um primata.

O aumento de neurónios nas camadas superiores também acrescenta informação para além das pregas visíveis. Relaciona o resultado anatómico com alterações na produção de neurónios, em consonância com as experiências anteriores sobre a proliferação de progenitores. Em conjunto, estes resultados reforçam a hipótese de que o CCNB1IP1 pode influenciar o desenvolvimento cortical, em vez de apenas assinalar diferenças entre espécies.

Os resultados sobre aprendizagem e memória exigem uma interpretação cautelosa

Foi referido que os ratos modificados tiveram melhores resultados em testes de aprendizagem e memória. O preprint usa uma descrição mais cautelosa, afirmando que o modelo apresentou características associadas a capacidades de aprendizagem e memória reforçadas. O relato mais abrangente das experiências descreve diferenças em determinadas tarefas cognitivas e defende que são necessários mais estudos.

Estas descrições apontam para um efeito comportamental, mas diferem na forma como o apresentam. Sem valores numéricos, dimensões das amostras ou uma descrição pormenorizada de cada tarefa, não é possível avaliar a dimensão e o alcance da melhoria relatada. Um melhor desempenho em testes específicos com ratos não demonstra que os animais tenham adquirido capacidades cognitivas humanas.

O pregueamento cortical, por si só, não determina a inteligência. O estudo relaciona regulação genética, proliferação celular, anatomia e comportamento, mas não permite determinar qual das alterações do desenvolvimento causou as diferenças comportamentais. Para o estabelecer, serão necessários mais estudos sobre as ligações neuronais e o funcionamento dos circuitos alterados.

Uma explicação em evolução e o percurso da publicação

A investigação acrescenta um gene antigo ao conjunto de mecanismos considerados na evolução cortical dos primatas. Não invalida os resultados relativos a genes específicos dos humanos. Em vez disso, sustenta uma explicação segundo a qual tanto genes recém-evoluídos como alterações na regulação de genes mais antigos podem contribuir para o processo.

Esta distinção é compatível com os resultados comparativos. A expansão cortical ocorreu ao longo de diferentes linhagens de primatas, e não apenas após o aparecimento da linhagem humana. Um sistema regulador cuja atividade difere entre musaranhos-arborícolas, macacos, grandes símios e humanos oferece uma forma de investigar esse padrão mais abrangente.

O historial de publicação distingue também o manuscrito inicial da sua publicação posterior numa revista científica:

• 9 de dezembro de 2024: O preprint foi publicado com o DOI 10.1101/2024.12.08.627376. Ainda não tinha sido submetido a revisão por pares.
• Publicação posterior: A página do preprint regista que uma versão revista por pares foi posteriormente publicada na Nature Genetics.

O estado do preprint quando foi publicado não deve ser confundido com o estatuto do artigo posteriormente publicado na revista. A sua principal afirmação é que alterações na expressão de CCNB1IP1 poderão ter contribuído para a evolução gradual do cérebro dos primatas, uma conclusão mais restrita do que atribuir uma causa única à inteligência humana.

O que falta estabelecer

Continuam por esclarecer várias questões. Os papéis causais dos fatores de transcrição associados ao CRE1 precisam de ser testados mais a fundo durante o desenvolvimento cortical dos primatas. Os efeitos de CCNB1IP1 nas ligações neuronais e em funções cognitivas específicas também exigem uma investigação mais aprofundada.

Os resultados poderão oferecer pistas para a investigação de perturbações do desenvolvimento neural, pois identificam um mecanismo que afeta a divisão de progenitores e a produção de neurónios. Trata-se de uma linha de investigação, não de provas de um tratamento, de um teste de diagnóstico ou de um papel demonstrado numa perturbação específica.

Estes relatos não anunciaram uma data para a próxima experiência nem um calendário clínico. O contributo imediato consiste numa cadeia de provas que relaciona o ADN regulador, a expressão genética, a divisão celular e a anatomia cortical. Falta estabelecer em que medida este mecanismo contribuiu para as diferenças entre determinadas espécies de primatas.

Principais conclusões

• Investigadores liderados por Shi Lei relacionaram o gene antigo CCNB1IP1 com a expansão e o pregueamento cortical dos primatas.
• A expressão era semelhante nos musaranhos-arborícolas e nos saguis, mais elevada nos macacos e atingia o nível máximo nos humanos.
• A sequência reguladora CRE1 controla a expressão, e uma diferença entre A e G afetou a sua atividade nas experiências.
• O CCNB1IP1 encurtou a fase G1 dos progenitores neurais e aumentou a sua proliferação.
• Alguns ratos modificados desenvolveram pregas corticais e produziram mais neurónios nas camadas superiores.
• Foram relatados efeitos na aprendizagem e na memória, mas o pregueamento, por si só, não determina a inteligência.
• Um preprint publicado em dezembro de 2024 antecedeu a publicação na Nature Genetics.