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Editorial: progenitor diversity and neural cell specification in the central nervous system
(2015-09-09) Rouaux, Caroline; Hedin-Pereira, Cecília; Costa, Marcos Romualdo
The central nervous system (CNS) harbors an enormous diversity of neuronal and glial cell types, which can be identified according to morphological, chemical, and electrical properties. This variety of cell types is generated from progenitor cells located in different germinative niches, where distinct molecular signalings prompt distinctive transcription factors expression. In the last two decades, it has been acknowledged that such progenitor diversity is important for the generation of different subtypes of neurons, astrocytes and oligodendrocytes. Genetic fate-mapping studies have provided direct evidence for the contribution of separate cohorts of progenitor cells to generate individual subtypes of neurons and/or glial cells. Additionally, genetic deletions of single transcription factors and forced expression of ectopic transcription factor genes have pointed out the leading role of such molecules on the specification of different, individual cell types. However, other sources of data indicate that the environment plays important roles in cellular specification during CNS development, eventually overriding the influence of early transcription factors expression. These observations suggest that genetic determinants for both neuronal and glial specification would be changeable. However, the time-window during which neuronal and glial lineage genetic programs could be overwritten by external signals remains to be determined, along with exact signals that could perform such a fate modification. This research topic gathers a number of articles highlighting the role of a wide panel of intrinsic and extrinsic factors that contribute to the generation of such diversity.
Effects of embryonic exposure to valproic acid on behavior and vocal development in Zebra Finch (Taeniopygia Guttata)
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-09-13) Soares, Annara Yve Moura; Velho, Tarciso André Ferreira; http://lattes.cnpq.br/8194534389725093; http://lattes.cnpq.br/6116722003849944; Hedin-Pereira, Cecília; Laplagne, Diego Andres; Silva, Maria Luisa da; Anomal, Renata Figueiredo
O Transtorno do Espectro do Autismo (TEA) é uma condição que afeta a forma como as pessoas se comunicam e interagem com outras pessoas. Essa condição pode incluir dificuldade em compartilhar interesses ou emoções, e iniciar ou responder a interações sociais. Essa condição também pode abranger dificuldade de comunicação não-verbal, como contato visual, expressões faciais ou linguagem corporal. Os roedores são o modelo animal mais utilizado para estudar TEA. No entanto, como a comunicação vocal parece ser inata nesses animais, essa abordagem tradicional não aborda um dos aspectos mais cruciais do TEA, o comprometimento da comunicação vocal aprendida. Os pássaros canoros estão entre os poucos organismos que desenvolveram a aprendizagem vocal com vias cerebrais dedicadas. O aprendizado vocal no mandarim diamante e a aquisição da fala em humanos compartilham muitas características, como por exemplo um período crítico, vocalizações imaturas, assim como audição intacta e contingências sociais para um aprendizado adequado. Aqui, propomos a utilização do mandarim diamante como um modelo para entender melhor as características autistas usando a exposição embrionária ao ácido valpróico (VPA), um dos fatores ambientais associados ao TEA. Nossos resultados mostram que a exposição ao VPA leva a um atraso no desenvolvimento vocal, semelhante ao observado em humanos. Além disso, as aves expostas ao VPA apresentaram uma diminuição das interações sociais, audição hipersensível e locomoção alterada. Esses resultados mostram que o mandarim diamante exposto ao VPA representa um modelo atraente para estudar a neurobiologia do atraso no desenvolvimento vocal relacionado ao autismo.
Evaluation of a new nauronal induction protocol using Single-Cell RNA-Sequencing and machine learning
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-02-26) Carvalho, Lukas Iohan da Cruz; Costa, Marcos Romualdo; http://lattes.cnpq.br/6118493598074445; http://lattes.cnpq.br/2797997375475881; Hedin-Pereira, Cecília; Lourenço, Mychael Vinícius da Costa; Dalmolin, Rodrigo Juliani Siqueira; https://orcid.org/0000-0002-1688-6155; http://lattes.cnpq.br/4065178015615979; Velho, Tarciso André Ferreira
Cell type identification is a critical step in the computational analysis of scRNA-Seq experiments, involving the unsupervised grouping of cells based on gene expression profiles. Traditional methods relying on canonical gene markers exhibit limitations, such as sensitivity to variations and the absence of characteristic genes for certain cell types. To address these challenges, we propose a novel approach combining machine learning algorithms with feature selection. Our methodology involves selecting a dataset suitable for training a model to ensure generalization to new data. We chose a comprehensive dataset encompassing the central and peripheral nervous system from mice at different developmental stages. Subsequently, feature selection was applied using the DUBStepR algorithm, considering gene-gene correlations to identify optimal features for cell classification. The resulting dataset, composed of 28,795 cells and 16,960 genes, was used to train and evaluate models employing k Nearest Neighborhood (kNN), Decision Tree (DT), Naive Bayes (NB), Support Vector Machine (SVM) and Multilayer Perceptron (MLP) algorithms. All models demonstrated F1-scores exceeding 90%, except for NB. Testing on a human brain scRNA-Seq dataset confirmed the robustness of the algorithms, with area under curve (AUC) values indicating accurate cell classification. SVM and MLP were selected for further analysis due to lower false positive and false negative rates. Comparisons with existing tools such as scAnnotatR and ACTINN highlight the versatility of our approach, particularly when dealing with diverse cell types. Next, we applied the SVM and MLP models to classify neurons generated in vitro human-induced neurons (hiNs) generated using distinct protocols, achieving consistent results in identifying glutamatergic and GABAergic neurons. We also attempted to classify hiNs according to cells of different brain regions, revealing challenges in classifying GABAergic neurons by region, possibly due to a limited number of optimal features. Gene expression analysis and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) contributed to identify gene sets associated with the electrophysiological maturation of glutamatergic hiNs generated through an alternative protocol using ASCL1 compared to other protocols. Regulatory network analysis identified master transcription factors with higher activity specifically in this protocol. In conclusion, our integrated approach of feature selection and machine learning algorithms offers an alternative way of identifying cell groups based on gene expression profiles, enhancing the refinement of single-cell analysis in the context of differential gene expression, GSEA, and regulatory gene networks.
Influência da atividade elétrica sobre especificação de progenitores neurais da zona subventricular do camundongo adulto
(2018-08-31) Carvalho, Bruna Santos de; Costa, Marcos Romualdo; ; ; ; Hedin-Pereira, Cecília; ; Leão, Emelie Katarina Svahn;
A zona subventricular (SVZ) é o sítio de geração de novos neurônios da neurogênese adulta para o bulbo olfatório (BO). Os progenitores da SVZ geram principalmente dois tipos de interneurônios que se integram ao BO: granulares e periglomerulares (PG). Estas células também podem ser subdivididas com base na expressão das proteínas Calbindina, Calretinina ou Tirosina Hidroxilase. Os mecanismos que levam à especificação desses tipos neuronais são desconhecidos. Na neurogênese da medula espinhal, a identidade de neurotransmissor é especificada de acordo com a atividade elétrica espontânea inicial nas células progenitoras e precursoras. Este padrão de atividade elétrica leva à expressão de fatores de trancrição e diferenciação em um subtipo particular de neurônio. A manipulação da atividade elétrica pode alterar o destino dos progenitores e neurônios derivados. Nossa hipótese é que a especificação dos interneurônios do sistema SVZ-BO também poderia ser influenciada pela atividade elétrica. Para testar essa hipótese, dois experimentos foram projetados para manipular a eletricidade da célula de maneira farmacológica e genética. No primeiro, camundongos DCX-Cre-ER2 / GFP-lox foram injetados com Ácido Caínico (KA) ou PBS na SVZ anterior (SVZa), onde neuroblastos migram da SVZ para o BO. Tamoxifeno foi injetado 4 dias após a injeção de KA para a marcação de neuroblastos imaturos afetados pelo cainato. A perfusão foi realizada 45 dias após a injeção de KA. Em um segundo conjunto de experimentos, camundongos do tipo selvagem foram injetados com um retrovírus contendo o RNA para a expressão de NaChBac, um canal bacteriano de sódio que aumenta a atividade elétrica da célula. Este canal é fundido com o GFP que identifica as células infectadas. Para controle, foi utilizada uma versão mutada e não funcional do canal chamada EtoK. A identidade celular foi analisada 45 e 28 dias após a injeção. Nossos resultados apontam uma redução de neurônios TH+ na manipulação com KA.
Probing the Alzheimer’s disease risk gene PTK2B using human-derived induced neurons
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-10-20) Farias, Ana Raquel Melo de; Costa, Marcos Romualdo; http://lattes.cnpq.br/6118493598074445; http://lattes.cnpq.br/9402603894122604; Girault, Jean-Antoine; Crozet, Carole; Lambert, Jean-Charles; Hedin-Pereira, Cecília; Leão, Emelie Katarina Svahn
Alzheimer's disease (AD) is the main type of dementia and poses a significant global public health challenge. It is characterized by a progressive decline in cognition, memory, and behavioral functions and affects more than 55 million people worldwide. At the molecular level, AD is defined by the presence of aggregated neurofibrillary tangles (NFTs) within neurons and the accumulation of amyloid-β (Aβ) plaques in the brain. These pathological features are associated with alterations in neuronal activity, synapse loss, gliosis, and neuroinflammation, leading to irreversible neurodegeneration. AD etiology and pathophysiology involves a complex interplay between genetic and environmental factors. Genome-Wide Association Studies (GWAS) have successfully identified more than 75 genetic loci carrying single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with AD risk. Among these loci, the one harboring the Protein Tyrosine Kinase 2β (PTK2B) is highlighted in the present work. This gene encodes a protein tyrosine kinase that is involved in calciuminduced regulation of ion channels and activation of numerous signaling pathways, such as MAP kinase. Non-synonymous genetic variations in the PTK2B locus have been associated with an increased risk of AD and are thought to regulate PTK2B expression. However, both the physiological and pathophysiological roles of PTK2B are not fully understood. In the human brain, PTK2B expression is mainly observed in glutamatergic neurons and this expression declines during AD progression. This reduced PTK2B expression in the brain of patients with AD may contribute to neuronal dysfunctions observed in the disease, such as increased electrical excitability and synaptic alterations. Therefore, understanding the role of PTK2B in human neurons may contribute to reveal the mechanisms of neuronal dysfunctions in AD. Considering that, the aims of this thesis are to uncover the cellular processes and molecular pathways regulated by PTK2B in human neurons. To that, we took advantage of isogenic human induced-pluripotent stem cells (hiPSCs) to generate neurons expressing different levels of PTK2B. Next, we employed functional and molecular assays to probe the consequences of altered PTK2B expression both in a physiological and in an AD-like context. We show that reduced PTK2B expression leads to increased TAU phosphorylation at various epitopes associated with AD pathology, suggesting a central role of PTK2B in regulating TAU aggregation. Using single-cell transcriptomics, we also show that reduced PTK2B expression leads to specific transcriptional alterations related to neuronal electrical activity and synaptic transmission mainly in glutamatergic neurons. Calcium imaging experiments indicate that PTK2B downregulation contributes to increased calcium spikes frequency without affecting synchronization, indicating an elevated neuronal electrical activity. Additionally, results from electrophysiological recordings from multi-electrode array (MEA) show increased electrical activity and disrupted bursting patterns in PTK2B mutant neurons. Overall, this work sheds light on the involvement of PTK2B in AD-related cellular processes, providing insights into the molecular mechanisms and functional alterations associated with PTK2B dysregulation in human iPSC-derived neural cells.
Roles of ZBTB20 in the specification of upper layer neurons and astrocytes in the neocortex
(2019-12-17) Araújo, Jéssica Alves de Medeiros; Costa, Marcos Romualdo; Müller, Ulrich; ; ; ; Leão, Emelie Katarina Svahn; ; Schmidt, Kerstin Erika; ; Hedin-Pereira, Cecília; ; Menezes, João Ricardo;
A organização dos circuitos neocorticais é fundamental para a percepção sensorial, aprendizado e integração multisensorial. Na área somatossensorial primária (S1), os neurônios da camada IV recebem entradas talâmicas e projetam para neurônios da camada II/III. Esses neurônios superficiais podem conectar outros neurônios dentro de S1 e dentro de outras áreas do hemisfério ipsi ou contralateral, cooperando assim para selecionar uma interpretação consistente com suas várias entradas corticais e subcorticais. Neste trabalho, nós mostramos que a expressão do fator de transcrição Zinc Finger And BTB Domain-Containing Protein 20 (Zbtb20) em progenitores neocorticais é necessária e suficiente para regular a geração e a conectividade de neurônios supragranulares. A deleção condicional do gene Zbtb20 nos progenitores leva a um aumento no número e distribuição radial de neurônios RORβ+ (camada IV) à custa dos neurônios BRN2+ (camadas II/III). Essa mudança na organização laminar do neocórtex é acompanhada por uma expansão da arborização axonal talâmica e da área do barril em S1. Além disso, os neurônios da camada superior aumentam suas projeções axonais intra-hemisféricas, enquanto reduzem a inervação contralateral na ausência da expressão de Zbtb20. Essas alterações também são observadas, embora em menor grau, após a deleção do Zbtb20 nos neurônios pós-mitóticos, indicando que o Zbtb20 atua em estágios sequenciais da progressão da linhagem dos progenitores neocorticais, ajustando os destinos neuronais nas camadas corticais superiores e contribuindo para a organização das projeções axonais dos neurônios calosos (CPN - do inglês, “callosal projection neurons”). Além desses efeitos na especificação de CPNs, também mostramos que o ZBTB20 regula a astrogliogênese de maneira temporal específica. A superexpressão de ZBTB20 em E14, mas não em E16, aumenta a astrogliogênese neocortical, enquanto a expressão de um ZBTB20 negativo-dominante (DN) em E16, mas não em E14, reduz a astrogliogênese. Em conjunto, nossos resultados indicam que o ZBTB20 é um importante regulador da especificação de tipos e subtipo celulares no neocórtex em desenvolvimento.

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