Use of cerebellar organoids to disentangle the mechanisms of divergence during the neurodevelopment of humans and non-human primates

Maria Ferreira Matos Gonçalves Coelho

Key information

Authors:

Maria Ferreira Matos Gonçalves Coelho (Maria Ferreira Matos Gonçalves Coelho)

Supervisors:

Tiago Paulo Gonçalves Pinheiro Fernandes (Tiago Paulo Gonçalves Fernandes); Teresa Pereira da Silva (Teresa Maria Pereira da Silva)

Published in

December 6, 2023

Abstract

As espécies evolutivamente mais próximas dos seres humanos são os chimpanzés e ambos compartilharam um ancestral comum há cerca de 5 a 7 milhões de anos. Considera-se que a divergência geral entre os genomas destas duas espécies é de cerca de 4%. Como alternativa aos modelos animais, uma ferramenta promissora para estudar o desenvolvimento neural de primatas in vitro é o uso de organoides neurais. Em todas as espécies de vertebrados, o cerebelo é crucial para manter o equilíbrio e a postura, a coordenação dos movimentos voluntários e o desenvolvimento de habilidades motoras. A zona ventricular e o rhombic lip são as duas zonas de neurogénese no cerebelo em desenvolvimento. A zona ventricular é a fonte de todos os neurónios e interneurónios GABAérgicos cerebelares. Em contraste, os três principais subtipos de neurónios glutamatérgicos que constituem o cerebelo originam-se no rhombic lip. O objetivo deste estudo foi utilizar células estaminais híbridas tetraploides de humanos e chimpanzés para direcionar o desenvolvimento de organoides cerebelares e, num estudo de biologia comparativa, observar as variações genéticas, fenotípicas e funcionais que ocorrem ao longo do desenvolvimento cerebelar destas duas espécies. Com este estudo, foi possível demonstrar que células estaminais pluripotentes induzidas de origem humana (células controlo) foram capazes de gerar neurónios GABAérgicos, nomeadamente células de Purkinje, que aparentam ser maduras e ter sinapses estruturais com liberação de neurotransmissores. Por outro lado, as células estaminais pluripotentes induzidas de origem híbrida apresentaram comprometimento endodérmico (além do comprometimento ectodérmico esperado) e tiveram indução neural até o dia 28 de diferenciação cerebelar. Foi possível concluir que o protocolo utilizado neste trabalho não foi capaz de produzir linhagens neurais cerebelares em células híbridas, o que poderá ser consequência de diferenças entre espécies. Neste sentido, é necessário realizar mais estudos de modo a desvendar os processos envolvidos no neuro desenvolvimento do cerebelo de humanos e de chimpanzés. The evolutionarily closest species to human beings are chimpanzees and they last shared a common ancestor around 5–7 million years ago. As an alternative to animal models, a promising tool for studying primate neural development in vitro is the use of neural organoids. In all vertebrates, the cerebellum is crucial for maintaining balance and posture, coordination of voluntary movements, and development of motor skills. The objective of this study was to use tetraploid hybrid stem cells from humans and chimpanzees to direct the development of cerebellar organoids and, in a comparative biology study, look at the genetic, phenotypic, and functional variations that occur throughout cerebellar development of these two species. Here, we demonstrated that human control-induced pluripotent stem cells were able to generate GABAergic neurons, namely Purkinje cells, that were mature and had structural synapses with neurotransmitter release. Conversely, hybrid-induced pluripotent stem cells exhibited endodermal commitment and appeared to have neural induction until day 28 of cerebellar differentiation. We concluded that the protocol employed in this work was unable to produce cerebellar neural lineages in hybrid cells, which could be due to species differences. In this sense, more work needs to be conducted to unravel the intricate processes involved in the neurodevelopment of the human and chimpanzee cerebellum.