Saiba mais: O que são os modelos de Caenorhabditis elegans?

O que é C. elegans?

Se você leu o título deste artigo e não fazia ideia do que é Caenorhabditis elegans, você não está sozinho! Caenorhabditis elegans, mais comumente conhecido como C. elegans, são vermes microscópicos que normalmente crescem até 1 mm de comprimento. C. elegans são naturalmente encontrados em todo o mundo em solos onde há vegetação podre. Se você estiver se sentindo corajoso, tente localizá-los no adubo caseiro da sua casa! Embora esses vermes sejam menos familiares ao público em geral, C. elegans são bem conhecidos pelos cientistas, pois o estudo desses pequenos vermes nos ensinou muito sobre doenças humanas.

Por que C. elegans é usado como modelo?

elegans foi isolado pela primeira vez em 1900 e, desde o final da década de 1960, tem sido usado para “modelar” doenças humanas. Isso ocorre porque C. elegans e humanos compartilham algumas características fisiológicas comuns e têm uma sobreposição significativa em seus códigos genéticos. O SCAsource publicou anteriormente um Saiba Mais em modelos de camundongos, amplamente utilizados na pesquisa de ataxia. Embora C. elegans não seja amplamente utilizado na pesquisa de ataxia, há muitas vantagens em usar C. elegans como modelo:

  • C. elegans é de manutenção barata, permitindo a triagem de milhares de medicamentos a um custo relativamente baixo. Uma vez administrados, os cientistas podem estudar os efeitos das drogas no movimento, desenvolvimento e função do sistema nervoso de C. elegans.
  • C. elegans é fácil de cultivar em laboratório.
  • C. elegans são hermafroditas auto-fertilizantes, o que significa que eles podem se reproduzir sem um parceiro sexual. Um único hermafrodita pode produzir de 300 a 350 filhotes por um período de três dias, permitindo que os cientistas estudem facilmente um grande número de vermes que possuem as mesmas características genéticas.
  • Os cientistas podem manipular facilmente o genoma de C. elegans para estudar muitas doenças humanas.
  • Como C. elegans é transparente, seus órgãos internos, incluindo o sistema nervoso, podem ser visualizados sem dissecção.

Como C. elegans pode ser usado para estudar a neurodegeneração?

O sistema nervoso de um C. elegans é composto de algumas centenas de neurônios, o que é relativamente simples comparado ao cérebro humano (que contém cerca de 86 bilhões de neurônios). Devido a essa simplicidade, os cientistas usaram C. elegans para desenvolver modelos para várias doenças neurodegenerativas, incluindo Alzheimer, Parkinson, ataxia de Friedreich e, mais recentemente, ataxia espinocerebelar do tipo III (SCA3). O modelo SCA3 C. elegans foi desenvolvido por um grupo de pesquisa em Portugal liderado pela Dra. Patrícia Maciel, e é o primeiro do gênero no campo da ataxia espinocerebelar. Esses vermes expressam a proteína humana que causa SCA3 em todos os seus neurônios, resultando em disfunção motora de início adulto que se assemelha ao que vemos em pacientes com SCA3.

uma imagem microscópica de neurônios em dois c. vermes elegans. Um é um neurônio suave e saudável. Um deles tem um neurônio danificado que tem uma ruptura nele.
Uma imagem de microscopia dos neurônios de C. elegans colorida em verde. Imagem cortesia de Kim Pho.

A neurodegeneração (dano / morte de neurônios) em C. elegans é monitorada marcando os neurônios com um marcador que brilha em verde sob um tipo específico de luz. A saúde dos neurônios é então avaliada, possibilitando determinar se a neurodegeneração ocorreu. A imagem acima mostra um neurônio saudável de C. elegans à esquerda, que parece intacto, comparado a um neurônio danificado de C. elegans, à direita, com uma ruptura (seta branca). Ser capaz de distinguir entre neurônios saudáveis ​​e danificados em C. elegans é muito útil, pois os cientistas podem usar essa ferramenta para testar diferentes maneiras de reparar ou proteger os neurônios. Se os cientistas forem capazes de retardar ou impedir a neurodegeneração em C. elegans, existe o potencial de que essa descoberta possa eventualmente ajudar a tratar a neurodegeneração humana também.

Espero que este breve resumo tenha lhe mostrado que existe um enorme potencial científico nesses minúsculos vermes! Compreender a biologia de C. elegans fornece informações sobre a biologia humana, como como ocorre a neurodegeneração e o que podemos fazer para impedi-la.

Se você quiser saber mais sobre os sistemas modelo da C. elegans, dê uma olhada no WormBook, Wormbase e WormAtlas.

Obrigado a Kim Pho, do laboratório do Dr. Lesley MacNeil da Universidade McMaster, por fornecer as imagens fluorescentes dos neurônios da C. elegans.

Saiba mais escrito por Katie Graham, editado pelo Dr. Lesley MacNeil, e traduzido para Português por Guilherme Santos, publicado inicialmente em: 03 de abril de 2020.

Snapshot: What are Preprints?

Scientific research takes a long time: experiments are performed, clinical trials are run, and the data that’s generated has to be analysed and understood before it can be published. Together, this process does not happen quickly. Though people may not realise it, one step that takes a lot of time between generating data and publishing a paper is the publishing process itself.

Publishing a scientific paper can take anywhere from a few months to years. If we look at statistics from 2018 for the journal PLOS ONE, for instance, we see that the median time it took a paper to go through the publication process was 6 months. That means that half of the papers took less than 6 months to process, while the other half took longer. In addition, it often takes multiple submissions to different journals before a paper is accepted, and researcher teams can only submit a paper to one journal at a time. Considering all this, it is no surprise that the process of publishing a scientific article can take a substantial amount of time.

Illustration of a scientist working at a laptop computer, sharing ideas with colleagues
A scientist working on writing a scientific paper. Image courtesy of Piqsels.

However, there are many important things that happen during this process: manuscripts are screened by a journal editor, appropriate experts in the field are asked to perform peer review, and reviews are submitted to the editor. This editor then makes a decision on how to move forward (usually asking the authors to update their work to meet the reviewers’ requests). Papers can be rejected at any of these stages, and this process may occur two or three times at any one journal before a final decision to accept or reject is made.

Due to the time this process takes, there is a delay in getting the results of a study to fellow scientists – information that could drastically influence the experiments being conducted in research laboratories right now. Thankfully, this is where preprints come in.

Preprints are final drafts of papers that research teams share on public servers before/as they start the publication process. This means that other researchers can see the draft manuscripts long before the “official” paper is published. One of the most popular sites for unpublished preprints in the life sciences is bioRxiv (pronounced “bio-archive”), which, as of March 2020, has had over 77,000 preprint papers uploaded to its servers.

What are the benefits of preprint papers?

One of the main benefits of preprints is the rapid spread of information. Instead of the months- or years-long delay to share papers, the scientific community can read preprints to learn about some of the latest findings in the field.

The authors also benefit from uploading a preprint because it acts as a time stamp for when they revealed their results. Establishing a priority of research findings can be important to authors because of the competitive nature of science. Likewise, because of the collaborative nature of science, multiple different research groups may choose to upload preprints on similar results at the same time to ensure priority is not assigned to one study while the other studies are held up in the publishing process.

It is also much easier for researchers to share information on “negative data” through preprints, as well as replication studies. Negative data are the results you get when an experiment reveals that your initial prediction – known as your “hypothesis” – is likely incorrect. Replication studies are repeats of experiments that have previously been published by other groups, and they serve to double-check that the work of those groups was done correctly. Although replication studies and negative data are very important to the scientific process, it can be hard to publish these studies, as some journals do not view such studies as new or interesting. Preprints are an alternative to share this information.

Do we still need traditional publishing?

Despite the extensive time it takes, traditional publishing will always have one advantage over preprints: peer review. Peer review can catch little mistakes and improve the overall quality of papers in many ways, including suggesting additional experiments and/or alterations to the writing style. In rare cases where fraud or plagiarism occurs, peer review can also prevent the publication of such studies.

This difference between preprints and published papers has recently been highlighted by bioRxiv. During the COVID-19 pandemic, bioRxiv published the following statement:

“bioRxiv is receiving many new papers on coronavirus 2019-nCoV. A reminder: these are preliminary reports that have not been peer-reviewed. They should not be regarded as conclusive, guide clinical practice/health-related behavior, or be reported in news media as established information”

This statement is a response to some media outlets not completely understanding the difference between preprints and published papers. As bioRxiv says, they are different and should not be treated the same.

This does not mean, though, that we cannot trust the information we find in preprint papers – it just means that we need to critically analyse the information in preprints. When reading preprints, it is important to understand that they are a preview of a work in progress, not the final product.

If you would like to learn more about preprints, take a look at this article by Science Magazine, this video by iBiology, or this definition by bioRxiv.

Snapshot written by Celeste Suart and edited by Dr. Hannah Shorrock.

Terapia gênica validada em celulas estaminais SCA3 humanas

Escrito por Dr. Marija Cvetanovic, Editado por Dr. Sriram Jayabal, Traduzido para Português por Guilherme Santos, Publicado inicialmente em: 20 de março de 2020.

Grupo de pesquisa em Michigan relata a criação do primeiro modelo de célula humana aprovado pelo NIH que reflete as características da doença SCA3 – defeitos celulares que, após terapia genética, mostram melhora

A ataxia espinocerebelar tipo 3 (SCA3) é uma doença genética de início tardio, de herança dominante, que afeta várias regiões do cérebro. Os indivíduos afetados sofrem de vários sintomas, sendo a coordenação do movimento a mais prejudicada e debilitante. A SCA3 é causada por uma mutação no gene Ataxin-3 (ATXN3). Em indivíduos não afetados, o gene ATXN3 geralmente tem de 12 a 44 repetições do código genético “CAG;” no entanto, no código genético de algumas pessoas, o número de repetições de CAG pode se tornar anormalmente alto. Se essa mutação de “expansão repetida” fizer com que o gene ATXN3 tenha mais de 56 repetições CAG, a pessoa desenvolverá ataxia SCA3. As células usam sequências CAG repetidas em seu genoma para produzir proteínas com longas extensões do aminoácido glutamina. Nas células SCA3, esses tratos de “poliglutamina” (polyQ) são anormalmente longos na proteína ATXN3, o que torna a proteína mais propensa a formar aglomerados (ou “agregados”) na célula. A presença desses aglomerados de proteínas nas células do cérebro é uma das características do SCA3.

Apesar de conhecer a causa genética da SCA3, ainda não se sabe como essa mutação afeta as células no nível molecular. Dito isto, vários modelos celulares e animais foram desenvolvidos nas últimas duas décadas para ajudar a estudar esses mecanismos subjacentes. Os modelos SCA3 não apenas ajudaram a nossa compreensão da progressão da doença em todos os níveis (molecular, celular, tecido e comportamental), mas também nos ajudaram a nos aproximar de intervenções terapêuticas. Por exemplo, estudos recentes usando modelos de camundongo SCA3 estabeleceram que direcionar o ATXN3 com uma forma de terapia genética conhecida como tratamento com oligonucleotídeo antisense (ASO) poderia muito bem ser uma estratégia eficaz para melhorar a vida dos pacientes. Os ASOs direcionados ao ATXN3 fazem com que as células do cérebro produzam menos proteína ATXN3 mutante e, quando administradas a camundongos SCA3, melhoram sua função motora. Esses resultados apoiam fortemente o uso potencial de ASOs no tratamento da SCA3. Ainda assim, é importante verificar se esse achado pode ser repetido em neurônios humanos (um passo necessário para nos aproximar dos ensaios clínicos da ASO).

Female scientist in a while lab coat busy at work, we are looking at her from behind through some glass bottles
Imagem de um cientista pesquisador trabalhando no laboratório. Imagem cortesia de pxfuel.

A experiência anterior de ensaios clínicos malsucedidos destaca a importância de determinar as semelhanças e diferenças entre humanos e camundongos quando se trata de doença. Por exemplo, a mutação SCA3 não ocorre naturalmente em camundongos; portanto, modelar SCA3 em camundongos geralmente requer manipulação genética adicional, o que poderia levar a efeitos inesperados que normalmente não vemos nos humanos. Além disso, podemos perder importantes determinantes da patologia de SCA3 devido às diferenças inerentes entre humanos e camundongos. Por exemplo, proteínas que ajudam a contribuir para a SCA3 em pacientes humanos podem simplesmente não estar presentes nos neurônios do rato (e vice-versa). Devido a essas diferenças de espécies, as intervenções terapêuticas eficazes em camundongos nem sempre são tão eficazes em humanos.

Os neurônios humanos SCA3 podem ajudar a preencher a lacuna entre modelos de roedores e pacientes humanos, atuando como uma ferramenta clinicamente relevante para examinar os mecanismos da doença e testar novas terapias. Como não podemos remover uma parte do cérebro de um paciente com SCA3 para estudar a doença, esses neurônios devem ser criados em laboratório. Os neurônios humanos podem ser gerados a partir de células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) ou de células estiminais embrionárias humanas (hESCs). As células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) são produzidas a partir de células adultas (geralmente células do sangue ou da pele) que são reprogramadas para retornar a uma forma semelhante a um embrião (conhecido como estado “pluripotente”). Assim como durante o desenvolvimento normal, as iPSCs podem criar muitos tipos diferentes de células, incluindo neurônios. Um problema com essa abordagem é que o processo de reprogramação pode potencialmente alterar essas células de maneira a afetar a forma como a doença se apresenta. Para evitar esse problema, os pesquisadores também podem criar neurônios humanos a partir de células estaminais embrionárias humanas (hESCs), derivadas de embriões e, portanto, naturalmente pluripotentes. Como os hESCs não requerem reprogramação, é mais provável que modelem com precisão a doença. No entanto, eles são mais difíceis de obter e trabalhar. Os pesquisadores deste estudo, liderados por Lauren Moore no laboratório do Dr. Hank Paulson na Universidade de Michigan, usaram hESCs para gerar o primeiro modelo SCA3 aprovado pelo Instituto Nacional de Saúde (Americano) – National Institutes of Health (NIH) usando células humanas.

Continue reading “Terapia gênica validada em celulas estaminais SCA3 humanas”

The importance of balancing Sacsin protein levels in ARSACS

Written by Dr. Ambika Tewari Edited by Larissa Nitschke

Tipping the balance of the protein Sacsin alters outcomes in a mouse model of ARSACS

There are many different types of ataxia, each with a unique cause. For several ataxias, the mutated gene that causes the disorder has been identified. This is a great achievement that we owe to recent advancements in genome sequencing. Knowing the gene that is altered in a disorder provides researchers with a solid foundation to understand the mechanisms underlying the disease. In the neurodegenerative disorder Autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS), this alteration occurs in the SACS gene. Currently, over 170 different SACS gene mutations have been identified in human patients. Because each gene is equipped with a specific set of instructions to make a protein, each mutation can cause a change in these instructions. This usually results in the production of very little sacsin protein – or no protein at all. In several disorders, it has been shown that maintaining optimal levels of a variety of proteins is crucial to the proper functioning of the nervous system.

In 2015, a group of researchers wanted to understand why the loss of the protein sacsin produced certain symptoms in ARSACS patients. To study this, they removed the entire SACS gene from a mouse (known as the Sacs-/-  line), which meant that these mice made no sacsin protein. Mice with only one copy of this mutation (Sacs+/-) could produce up to 50% of the protein. In this same study, the researchers also wanted to make a more disease-relevant mouse model, so they made a mouse with a mutation known as “R272C.” R272C was a SACS gene mutation that was initially identified in a patient with ARSACS. Mice with two copies of the mutated gene (SacsR262C/R262C) had sacsin levels reduced to 21%, whereas mice with one copy (SacsR262C/+) had 65% of sacsin levels. Together, these mouse models provided the researchers with a group of mice that had a range of sacsin protein levels. These mice could then be used to understand how changes in the levels of sacsin affect behavior, especially in the ways that we might observe in ARSACS.

brown laboratory mouse being held by rsearcher with blue gloved hands
Stock image of a laboratory research mouse, similar to the R272C ARSACS mouse. Image courtesy of Rama on Wikimedia Commons.

ARSACS patients have a childhood onset of ataxia that worsens over time. This is due to the loss of Purkinje cells in the cerebellum, the area of the brain that controls motor coordination. Without Purkinje cells, the cerebellum cannot properly function, resulting in the uncoordinated gait that we call “ataxia.” The researchers found that mice with less than 50% sacsin protein also displayed progressive motor abnormalities (measured using three well-established mouse coordination tests). These mice also showed degeneration of Purkinje cells, which became more apparent with increasing age. Moreover, as protein levels decreased, motor performance and Purkinje cell loss became more pronounced.

Continue reading “The importance of balancing Sacsin protein levels in ARSACS”

Les yeux, des fenêtres pour voir la fonction cérébrale dans les ataxies spinocérébelleuses

Écrit par Dr Sriram Jayabal, Édité par Dr David Bushart, Traduction française par: L’Association Alatax, Publication initiale: 20 décembre 2019 

Les déficits de mouvement oculaire se produisent de manière omniprésente dans les ataxies spinocérébelleuses, même aux premiers stades de la maladie, soulignant leur importance clinique.

Imaginez les différents mouvements moteurs que vous effectuez dans votre vie quotidienne. Beaucoup de gens pensent aux actions que nous effectuons en utilisant nos mains et nos jambes, comme atteindre des objets ou marcher. Zoomons sur une autre tâche : attraper une balle de baseball. Vous devez savoir où la balle va atterrir pour pouvoir courir jusqu’à cet endroit, puis guider vos bras pendant la plongée, si nécessaire, pour attraper la balle. Pour que cela fonctionne parfaitement, vous devez voir et suivre la balle. Vos yeux vous permettent de suivre la balle pendant qu’elle se déplace. Comment vos yeux peuvent-ils garder le ballon au point pendant que vous courez à pleine vitesse vers l’endroit où vous vous attendez à ce que le ballon atterrisse ? Vos yeux sont équipés de muscles qui permettent aux yeux de bouger afin de garder la scène visuelle au point. Ces mouvements oculaires, comme l’exigent les besoins du scénario actuel, dans ce cas, attraper une balle de baseball, nous sont indispensables pour voir le monde sans aucune entrave.

Woman with hand in a "C" shape in front of her face. She's focusing in on her eye.
Les yeux peuvent fournir une fenêtre sur l’ataxie spinocérébelleuse, avant même que d’autres symptômes n’apparaissent. Photo de fotografierende sur Pexels.com

Quelle région du cerveau nous donne le pouvoir de le faire?

C’est le cervelet qui permet de bouger les bras et les jambes avec précision, contrôle également la façon dont nous bougeons nos yeux. Par conséquent, il est logique d’affirmer que lorsque le cervelet tourne mal, cela peut entraîner des anomalies des mouvements oculaires. Plusieurs études antérieures ont montré que cela était vrai dans de nombreuses ataxies spinocérébelleuses (SCA), où des symptômes non liés à la marche tels que des anomalies des mouvements oculaires se sont avérés accompagner les déficits de la marche aux stades avancés de la maladie. Cependant, des travaux récents de pionniers de la recherche clinique sur l’ataxie à la Harvard Medical School ont montré que les anomalies des mouvements oculaires sont également couramment présentes dans les SCA, même dans les états pré-symptomatiques. Cette étude met l’accent sur la nécessité cruciale de mieux documenter l’historique des déficits des mouvements oculaires et de les suivre tout au long de la progression de la maladie. Cela aidera les chercheurs à développer de meilleures échelles d’évaluation de l’ataxie.

Dans cette étude, une population de patients SCA (134 individus) qui présentaient différents types de SCA (y compris SCA1, SCA2, SCA3, SCA5, SCA6, SCA7, SCA8 et SCA17) ont été évalués pour les anomalies des mouvements oculaires à différents stades de la maladie, du stade pré-symptomatique (sans déficit de marche) au stade avancé (ceux qui utilisent un fauteuil roulant). Premièrement, il a été constaté que ~ 78% de tous les individus pré-symptomatiques présentaient des déficits de mouvement oculaire, et ces déficits sont devenus encore plus courants à mesure que la maladie progressait, où chaque personne à un stade avancé présentait des déficits de mouvement oculaire.

Deuxièmement, lorsque les chercheurs ont examiné de près les mouvements oculaires, ils ont constaté que différents types d’ataxie pouvaient provoquer différents types de déficits des mouvements oculaires.

Cependant, ces résultats ne sont que suggestifs en raison de la faible population d’individus SCA à un stade précoce dans cette étude et des types d’évaluations utilisées. Par conséquent, les études futures nécessiteront une plus grande taille de la population et une analyse quantitative approfondie des types spécifiques de déficits de mouvement oculaire pour aider à caractériser les anomalies du mouvement oculaire dans les SCA. Enfin, la Brief Ataxia Rating Scale (BARS), un test clinique simple récemment conçu pour l’ataxie, a été encore améliorée dans cette étude pour tenir compte des déficits de mouvement oculaire cliniquement observés dans les SCA. Avec une métrique aussi nuancée, un score BARS amélioré s’est révélé corrélé avec le stade, la gravité et la durée de la maladie, quel que soit le type d’ataxie.

Continue reading “Les yeux, des fenêtres pour voir la fonction cérébrale dans les ataxies spinocérébelleuses”