Um Atlas Abrangente do Transcriptoma de Célula Única da Cóclea

O sistema auditivo, um sistema sensorial mamífero distinto, possui propriedades biofísicas notáveis. A surdez hereditária, um distúrbio sensorioneural prevalente, é principalmente uma doença de gene único que apresenta uma heterogeneidade genética substancial, dividida em grupos não sindrómicos (80% dos casos) e sindrómicos (20% dos casos). Atualmente, a pesquisa identificou cerca de 125 genes associados à surdez não sindrómica e aproximadamente 300 genes ligados à surdez sindrómica. Alguns desses genes causadores desempenham papéis cruciais em tipos celulares cocleares específicos.

O órgão coclear compreende um número limitado de células, particularmente células ciliadas auditivas, com menos de 15.000 encontradas na cóclea humana. Esta escassez apresenta desafios na compreensão dos mecanismos moleculares que governam o seu desenvolvimento e fisiologia. Nos últimos anos, os avanços em terapias genéticas e celulares cocleares, juntamente com estudos transcriptómicos aprofundados, levaram à análise de tipos celulares cocleares específicos. No entanto, ainda falta um perfil transcriptómico padronizado abrangente que englobe todo o processo de diferenciação desde a concepção do órgão sensorial até à maturação completa.

Para abordar esta lacuna, o estudo intitulado "Perfilamento transcriptómico de célula única da cóclea do rato: Um atlas para terapias direcionadas" foi publicado em PNASUsando um modelo de rato, a equipa de investigação examinou mais de 120.000 células em três estágios críticos do desenvolvimento coclear: P8 (pré-audição), P12 (durante a audição) e P20 (formação coclear). O objetivo era criar um perfil transcriptómico abrangente de células únicas da cóclea do rato. Ao empregar sequenciação de RNA de células únicas, mononucleares (scRNAseq e snRNAseq) em combinação com extensos ensaios de hibridização in situ de RNA (RNA scope), a transcriptómica de quase todos os tipos celulares cocleares foi meticulosamente caracterizada. Notavelmente, os investigadores também descobriram três tipos celulares previamente desconhecidos, uma descoberta significativa que estabelece as bases para decifrar os mecanismos moleculares que governam a organização única das propriedades biofísicas da membrana basilar.

Caracterização transcriptómica dos tipos de células cocleares. (Jean et al., 2023)

A equipa integrou dados transcriptómicos de célula única de três estágios de diferenciação. Dividiram o conjunto de dados em duas colecções principais: células circulantes, principalmente células sanguíneas, e células não circulantes. As células não circulantes diferenciam-se ainda em células de tecido coclear mole e cartilaginoso/osteocondral. As células circulantes foram caracterizadas manualmente com base na expressão de marcadores típicos.

Os tipos de células não circulantes foram subdivididos em seis grupos principais de acordo com a sua sub-região coclear de origem. Estes grupos incluem o grupo de células da parede lateral, o grupo de células epiteliais neurossensoriais e o grupo de células do gânglio espiral. Os restantes três tipos de células cocleares foram agrupados como o grupo de células da "estrutura periférica".

Na sua pesquisa, a equipa focou-se nas células cocleares que expressam genes relacionados com a função óssea e identificou três diferentes estágios de maturação dos osteoblastos. Estes estágios foram pré-osteoblastos cocleares, osteoblastos e osteócitos. Ao analisar a expressão de Dlx5 e Runx2, que estão envolvidos na diferenciação dos osteoblastos, os investigadores conseguiram identificar com sucesso estes tipos celulares. Entre eles, os osteoblastos representavam aproximadamente 90%-95% da população total de osteoblastos.

Além dos três tipos de células conhecidos, os investigadores descobriram dois agrupamentos celulares previamente não identificados, denominados células das estruturas periféricas 1 e 2 (SS1, SS2). Os genes expressos especificamente em SS1 foram Osr2 e Chrdl1, enquanto os genes expressos especificamente em SS2 foram Bmp6 e Col1a1. A análise da Ontologia Genética (GO) revelou que esses genes desempenham papéis na diferenciação de osteoblastos, ossificação, desenvolvimento de cartilagem, odontogénese e processos biológicos relacionados ao desenvolvimento do sistema esquelético.

Em resumo, além dos três osteoblastos clássicos, a equipa revelou dois tipos celulares distintos localizados em estruturas de osso esponjoso. Estas células demonstraram perfis transcriptómicos semelhantes aos osteoblastos, mas eram diferentes de pré-osteoblastos, osteoblastos e osteócitos.

Caracterização transcriptómica dos tipos celulares ósseos. (Jean et al., 2023)

A equipa de investigação examinou alterações na expressão génica em diferentes tipos celulares cocleares do P8 ao P20 para avaliar os seus processos de maturação distintos e relativos. Os resultados revelaram que, durante este período de desenvolvimento, as células SVB, células RM e osteoblastos apresentaram alterações menores a moderadas na expressão génica. Por outro lado, tipos celulares como fibroblastos, osteoblastos, células SS1 e SS2 demonstraram alterações substanciais, enquanto os fibroblastos exibiram as mudanças mais notáveis na expressão génica.

Padrão de expressão celular coclear de genes de surdez não sindrómica. (Jean et al., 2023)

Este estudo apresenta uma extensa demonstração do mapeamento de células únicas ao longo do processo de desenvolvimento coclear. Revela os genes que exibem as variações mais significativas na expressão dentro das células cocleares em vários momentos durante o desenvolvimento pós-natal. Além disso, a pesquisa oferece dados transcriptómicos detalhados para múltiplos tipos de células cocleares, estabelecendo uma base sólida para compreender as origens da surdez hereditária.

Coletivamente, este abrangente perfil de expressão génica abre o caminho para desvendar a intrincada rede reguladora génica que governa a diferenciação e maturação das células cocleares. Esses insights são fundamentais para conceber terapias direcionadas eficazes com o objetivo de promover o desenvolvimento de potenciais tratamentos.

Referência:

1. Jean, Philippe, et al. "Perfilamento transcriptómico de célula única da cóclea de rato: Um atlas para terapias direcionadas." Atas da Academia Nacional de Ciências 120.26 (2023): e2221744120.