À medida que o cérebro se desenvolve, os neurônios recém-formados devem viajar através de tecidos densamente compactados para chegar ao seu destino final no córtex cerebral, onde se tornam parte da rede de comunicação do cérebro. Essa jornada força as células a passarem pelos espaços estreitos entre as fibras e as células vizinhas.
Um novo estudo publicado em Natureza revelou uma consequência inesperada deste processo. Pesquisadores do Instituto de Ciência Integrada de Materiais Celulares da Universidade de Kyoto (WPI-iCeMS) e instituições colaboradoras descobriram que os neurônios em migração normalmente sofrem danos significativos no DNA. Especificamente, as células desenvolvem quebras na cadeia dupla, uma forma grave de dano ao DNA em que ambas as cadeias da dupla hélice do DNA são cortadas.
Embora as quebras de cadeia dupla sejam comumente associadas a mutações, disfunções celulares e até morte celular, os pesquisadores descobriram que elas são uma parte normal do desenvolvimento cortical. Num cérebro saudável, os danos são rapidamente reparados antes que possam causar problemas duradouros.
“Parece que o cérebro em desenvolvimento evoluiu para tolerar e reparar eficientemente os danos neuronais”, diz a professora Mineka Kengaku do WPI-iCeMS, que liderou o estudo. “Mas compreender os limites desta tolerância – e o que acontece quando a reparação é incompleta – aproxima-nos da compreensão de uma série de doenças neurológicas”.
Danos no DNA durante a migração neuronal
Para investigar como ocorre esse dano, os pesquisadores recriaram os desafios físicos enfrentados pelo desenvolvimento dos neurônios. Eles guiaram os neurônios através de minúsculos microcanais projetados para imitar os espaços confinados encontrados no tecido cerebral em crescimento.
Usando marcadores fluorescentes, a equipe observou quebras de DNA de fita dupla que apareciam à medida que os neurônios se moviam através dos canais. Assim que as células apareceram do outro lado, o dano desapareceu gradualmente. A maioria das rupturas foi reparada em 24 horas e os neurônios continuaram a funcionar normalmente.
Os pesquisadores identificaram a fonte do dano como topoisomerase IIβ, uma enzima que normalmente ajuda as células a controlar o estresse no DNA. Em condições normais, a enzima corta temporariamente os filamentos de DNA para aliviar a torção e a tensão resultantes da atividade celular normal antes de juntá-los novamente.
O processo pode ser comparado a cortar um cabo emaranhado para remover as torções e depois reconectá-lo. No entanto, quando os neurônios são submetidos a estresse mecânico enquanto se comprimem em espaços apertados, a enzima pode ficar presa no meio do processo, causando a ruptura de trechos de DNA. A célula então depende de um mecanismo de reparo denominado união de extremidades não homólogas para reunir as extremidades danificadas do DNA.
Por que os neurônios se regeneram enquanto outras células não
A equipe descobriu que os danos ao DNA neuronal diferem dos danos em algumas células cancerígenas que viajam ao longo dos mesmos microcanais. Nas células cancerígenas, os danos no ADN tendem a ocorrer de uma forma mais aleatória e podem perturbar a actividade celular normal ou causar a morte celular.
Em contraste, as quebras de DNA nos neurônios concentraram-se principalmente em regiões do genoma que não estão ativamente envolvidas em funções genéticas críticas. Como os genes essenciais são amplamente preservados, as células são capazes de manter a função normal apesar dos danos temporários.
Se o reparo do DNA falhar
Para examinar as consequências de uma reparação falhada, os investigadores criaram ratos cujos neurónios cerebelares recém-formados não possuíam ligase 4, uma enzima necessária para reparar quebras no ADN.
Os ratos desenvolveram-se normalmente e não apresentaram anormalidades iniciais óbvias. No entanto, à medida que atingiram a idade adulta, começaram a ter problemas de equilíbrio leves, mas que pioraram gradualmente. Estes sintomas assemelham-se aos observados em algumas doenças humanas associadas à instabilidade genómica que afectam o cerebelo.
Pistas sobre a diversidade cerebral e doenças
As descobertas sugerem que o dano e o reparo do DNA podem desempenhar um papel maior na biologia do cérebro do que se pensava anteriormente. Os investigadores querem agora compreender se estas alterações precoces no ADN contribuem para diferenças entre neurónios individuais e se afectam doenças do neurodesenvolvimento ou neurodegenerativas mais tarde na vida.
“Isso muda a forma como pensamos sobre o genoma dos neurônios”, diz o professor Kengaku. “Todos os neurônios vêm do mesmo DNA, mas danos e reparos no DNA podem introduzir pequenas diferenças genéticas entre neurônios individuais através de uma pequena jornada mecânica. Parte dessa história pode estar escrita no próprio genoma.”
A pesquisa foi conduzida em colaboração com a Universidade de Kyoto, a Universidade de Tóquio, a Universidade de Osaka, a Universidade Nacional de Cingapura e o Instituto Metropolitano de Ciências Médicas de Tóquio.
