[autismo-biologia] R: dal gene alla funzione

[Cristina Panisi]

Gentilissimi,

di seguito riporto il commento di Ernesto Burgio su questo argomento
cp



"A questo proposito, segnalo che alcuni mesi fa è stato pubblicato un
intero numero monografico di Biological Psychiatry
*Novel Neurodevelopmental Disturbances and Autism Risk *[Volume 89, Issue
5, Pages A1-A10, e21-e30, 415-532 (1 March 2021)..
https://www.sciencedirect.com/journal/biological-psychiatry/vol/89/issue/5
] che mostra molto chiaramente che più che di genetica si dovrebbe parlare
(anche in questo ambito) di EPIGENETICA: cioè di alterazioni (dis-reattive)
precoci (prime fasi dello sviluppo embrio-fetale ma in parte connesse ad
alterazioni genomiche nei gameti in particolare paterni: CNVs ecc. )
dell’espressione genica a carico di specifici geni fondamentali nella
modulazione della differenziazione neuronale (in specifiche aree del
cervello: in questo caso essenzialmente aree frontali/prefrontali)..
l’intero numero monografico è di grande rilievo e non può che essere
interpretato in questo senso.

In particolare: Adhya D, Swarup V, Nagy R, et al. *Atypical Neurogenesis in
Induced Pluripotent Stem Cells From Autistic Individuals. *Biol Psychiatry.
2021;89(5):486-496. doi:10.1016/j.biopsych.2020.06.014
nel quale si mostra chiaramente come le iPSC di soggetti autistici mostrino
una neurogenesi atipica rispetto alle iPSC di controllo. Nello specifico,
gli autori hanno osservato differenze nell'organizzazione delle cellule
neurali e nella velocità di differenziazione/commitment (ma solo quando le
cellule erano destinate a diventare neuroni corticali). Questi risultati
suggeriscono che le differenze cellulari associate all'autismo emergano
durante il primo sviluppo prenatale, facendo progredire la comprensione
delle origini dell'autismo. Provo a riassumerne alcuni punti
essenziali L'autismo
è un insieme eterogeneo di disturbi con un complesso fondamento
molecolare. Prove da studi sul cervello *post mortem* hanno indicato che lo
sviluppo prenatale precoce può essere alterato nell'autismo. Le cellule
staminali pluripotenti indotte (iPSC) generate da individui con autismo con
macrocefalia indicano anche lo sviluppo prenatale come un periodo critico
per questa condizione.
Ma *poco si sa sugli **eventi cellulari alterati precoci durante le fasi
prenatali dell'autismo**…. Prove crescenti indicano **che la perturbazione
durante i periodi critici dello sviluppo prenatale può essere la chiave per
l'emergere dell'autismo*
 D. Schubert, G.J. Martens, S.M. Kolk  *Molecular underpinnings of
prefrontal cortex development in rodents provide insights into the etiology
of neurodevelopmental disorders* Mol Psychiatry, 20 (2015), pp. 795-809
Coerentemente con questa idea, *gli studi sul cervello post-mortem
sull'autismo hanno identificato la disregolazione di presunti percorsi di
espressione genica prenatale* Pertanto, *lo sviluppo prenatale precoce può
essere un periodo critico per l'emergere della fisiopatologia cellulare
associata all'autismo*

N.N. Parikshak, R. Luo, A. Zhang, H. Won, J.K. Lowe, V. Chandran, et
al. *Integrative
functional genomic analyses implicate specific molecular pathways and
circuits in autism *Cell, 155 (2013), pp. 1008-1021


*L'uso di cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC)** permette di
studiare il comportamento cellulare prenatale nell'autismo*
 S. Fedele, G. Collo, K. Behr, J. Bischofberger, S. Muller, T. Kunath, et
al. *Expansion of human midbrain floor plate progenitors from induced
pluripotent stem cells increases dopaminergic neuron differentiation
potential *Sci Rep, 7 (2017), p. 6036

Kriks, J.W. Shim, J. Piao, Y.M. Ganat, D.R. Wakeman, Z. Xie, et al. *Dopamine
neurons derived from human ES cells efficiently engraft in animal models of
Parkinson's disease *Nature, 480 (2011), pp. 547-551
S.P. Pasca, T. Portmann, I. Voineagu, M. Yazawa, A. Shcheglovitov, A.M.
Pasca, et al. *Using iPSC-derived neurons to uncover cellular phenotypes
associated with Timothy syndrome *Nat Med, 17 (2011), pp. 1657-1662

Shi, P. Kirwan, F.J. Livesey *Directed differentiation of human pluripotent
stem cells to cerebral cortex neurons and neural networks *Nat Protoc, 7
(2012), pp. 1836-1846
M.A. Lancaster, M. Renner, C.A. Martin, D. Wenzel, L.S. Bicknell, M.E.
Hurles, et al. *Cerebral organoids model human brain development and
microcephaly *Nature, 501 (2013), pp. 373-379

 *(molti) studi evidenziano che i fenotipi cellulari e molecolari associati
all'autismo possono iniziare durante lo sviluppo cerebrale prenatale*.
Un *aspetto critico di questi studi è che la differenziazione neurale
atipica è associata a una maggiore proliferazione cellulare*. *Tuttavia*,
poiché i partecipanti autistici a questi studi *avevano anche macrocefalia*,
*non è chiaro se lo sviluppo anormale osservato fosse in parte dovuto a
questa comorbidità.* Inoltre, poiché *la macrocefalia è presente solo in un
sottoinsieme di individui con autismo, non è noto se lo sviluppo atipico
possa essere generalizzato a individui autistici senza macrocefalia.* Infine,
poiché *la maggior parte degli studi si è concentrata principalmente sullo
sviluppo dei neuroni proencefalo/corticali, è ancora da verificare se lo
sviluppo atipico può essere osservato anche nei precursori neurali
corticali destinati a un lignaggio diverso*.

In questo studio, *abbiamo quindi generato iPSC da individui autistici
senza macrocefalia da 3 coorti di partecipanti indipendenti per esaminare
una popolazione più ampia di individui con autismo*.

*Gli studi iniziali sul sequenziamento dell'RNA hanno indicato che lo
sviluppo neurologico precoce può essere influenzato*. Per *indagare
ulteriormente sulla fonte dell'espressione genica atipica, abbiamo
intrapreso ampi esperimenti di fenotipizzazione cellulare*.

*Firme dell'espressione genica dello sviluppo neurologico nei neuroni
derivati dall'autismo-iPSC*

*Le cellule iPSC sono state generate da 9 individui con autismo e 6
individui di controllo tipici da 3 coorti indipendenti..*

Ci siamo concentrati su 3 distinte fasi di sviluppo

1) *giorno 9, stadio precoce dei precursori neurali, quando le cellule
staminali formano nuove cellule precursori che si auto-organizzano in
strutture simili a tubi neurali note come rosette neurali con una
disposizione direzionale apicale-basale;*
2) *giorno 21, stadio tardivo del precursore neurale, un periodo durante il
quale le cellule progenitrici neurali iniziano a formare strati dalla
superficie apicale e sono preparate per la differenziazione in neuroni
mentre si spostano verso l'esterno*; e
3) *giorno 35, neuroni corticali immaturi, uno stadio in cui i precursori
diventano postmitotici e adottano un'identità neuronale  *


*L'analisi dell'espressione genica differenziale  ha confermato profili
trascrittomici distinti di iPSC di controllo e autismo e un elevato
arricchimento per i geni identificati negli studi sul cervello post-mortem
dell'autismo, ma non la schizofrenia o il cancro*

*La divergenza dallo sviluppo tipico nell'autismo si verifica negli stadi
precoci della differenziazione corticale*

Innanzitutto, *abbiamo valutato l'espressione di PAX6 e Tuj1 in iPSC di
controllo e autismo* (Sia *PAX6 *che* Tuj1 sono marcatori dei
precursori neuronali.*

M.J. Ziller, R. Edri, Y. Yaffe, J. Donaghey, R. Pop, W. Mallard, et
al. *Dissecting
neural differentiation regulatory networks through epigenetic footprinting*
Nature, 518 (2015), pp. 355-359

M.A. Tischfield, H.N. Baris, C. Wu, G. Rudolph, L. Van Maldergem, W. He, et
al. *Human TUBB3 mutations perturb microtubule dynamics, kinesin
interactions, and axon guidance* Cell, 140 (2010), pp. 74-87

 *…… i precursori derivati dal controllo-iPSC hanno espresso PAX6 e Tuj1
all'inizio della differenziazione, mentre le iPSC autistiche hanno mostrato
un'espressione PAX6 e Tuj1 inferiore nella fase equivalente.*

*Dopo questa fase iniziale, il tasso di espressione di PAX6 e Tuj1 era più
alto nelle iPSC con autismo e la differenza tra iPSC di controllo e iPSC
era sostanzialmente ridotta al giorno 21.*


*Sviluppo alterato di lignaggi precursori del proencefalo in autismo-iPSCs
indipendente dalla proliferazione cellulare*

*Precedenti studi iPSC hanno collegato uno squilibrio nelle cellule
progenitrici GABA (acido gamma-aminobutirrico)-glutamatergico e nella
funzione neuronale con un fenotipo di proliferazione cellulare associato
alla macrocefalia*. Pertanto, eravamo interessati a stabilire se uno
squilibrio simile in presenza di cellule progenitrici GABA-glutamatergiche
potesse essere osservato nelle nostre iPSC autistiche.

*Abbiamo quindi studiato lo sviluppo di precursori che esprimono EMX1, noto
per essere espresso nei neuroni e precursori del proencefalo dorsale
(glutamatergico) e GAD67, l'enzima limitante della velocità nella via di
sintesi del GABA e noto per essere espresso in cellule GABAergiche*.


   - *Al giorno 9, l'espressione di EMX1 era significativamente più alta
   nel controllo rispetto ai precursori neurali dell'autismo*
   - Al *giorno 21,** l'espressione di EMX1 in entrambi i gruppi sembrava
   rimanere stabile, con solo una riduzione minore dei precursori di controllo
   (dCTA = -41 cellule/giorno), al contrario di un aumento minore (dCTA = +10
   cellule/giorno) nel gruppo autistico. *In questa fase, *i progenitori
   neurali di controllo hanno espresso EMX1 significativamente più alto dei
   progenitori neurali dell'autismo*
   - *Nei neuroni immaturi del giorno 35, l'espressione di EMX1 sia nei
   neuroni di controllo che in quelli autistici era ridotta rispetto
   all'espressione nei precursori del giorno 9 e -21; tuttavia, la riduzione
   era significativamente più acuta nel gruppo con autismo *(


*L'espressione di GAD67 nelle iPSC autistiche e di controllo ha seguito una
traiettoria opposta. *


   - *Al giorno 9, l'espressione di GAD67 era significativamente più alta
   nei precursori di controllo, mentre i precursori dell'autismo mostravano
   un'espressione trascurabile*
   - Al giorno 21, l'espressione di GAD67 era ridotta nei progenitori di
   controllo (dCTA = -68 cellule/giorno) ma era significativamente aumentata
   nei progenitori neurali dell'autismo (dCTA = +185 cellule/giorno) ... I
   progenitori del controllo e dell'autismo avevano un'espressione GAD67
   simile in questa fase
   - *Tuttavia, al giorno 35, l'espressione di GAD67 nei neuroni autistici
   era superiore a quella nei neuroni di controllo* .. *Similmente a quello
   che abbiamo osservato con le cellule che esprimono PAX6 e Tuj1, anche
   l'espressione di EMX1 e GAD67 ha mostrato una notevole variabilità*. Di
   nuovo, l'analisi della varianza ha rivelato una *maggiore variabilità
   nella maggior parte dei parametri nelle linee di autismo*..



*……………………………………………….……………………………………………….*


IN SINTESI
In questo studio, abbiamo utilizzato iPSC generati da coorti indipendenti e
da individui con autismo ma senza macrocefalia…* e abbiamo accertato che la
differenziazione delle iPSC autistiche verso un destino corticale, ma non
mesencefalico, determina una neurogenesi atipica caratterizzata da
maturazione prematura e specificazione anormale delle cellule progenitrici
neurali*. Questi effetti si verificano *in assenza di attività
proliferativa alterata tra iPSC di controllo e autismo*. L'identificazione
di questi fenotipi cellulari/molecolari ci ha permesso di trovare percorsi
cellulari *comuni in una coorte con background genetico eterogeneo*.


Il giorno mer 28 lug 2021 alle ore 17:04 Valentino Romano <
valentino.romano a unipa.it> ha scritto:

> Cara Daniela
>
> Davvero molto interessante !!!
> Non avevo ancora visto l'articolo
> Grazie per la segnalazione
> Cordiali saluti
>
> Valentino Romano
>
> -----Messaggio originale-----
> Da: autismo-biologia <autismo-biologia-bounces a autismo33.it> Per conto di
> daniela
> Inviato: mercoledì 28 luglio 2021 15:58
> A: autismo-biologia a autismo33.it
> Oggetto: [autismo-biologia] dal gene alla funzione
>
> Per arrivare a terapie che agiscano in profondità nell’alleviare i sintomi
> dell’autismo ad alto fabbisogno di sostegno è prioritario fare dei
> sottogruppi omogenei dal punto di vista biologico.
>
> La scoperta di nuove condizioni genetiche (mutazioni e CNV) che
> accrescono  la percentuale degli autismi da causa nota consente di fare dei
> sottogruppi omogenei, almeno tra gli autismi da causa genetica nota.
>
> Il guaio è che, mentre ci cercava il gene dell’autismo, si sono trovate
> centinaia di geni dell’autismo e questo rende difficile la ricerca del
> legame patogenetico tra gene e sintomi.
>
> Cederquist e colleghi hanno affrontato questo difficile tema accorpando
> diverse cellule staminali indotte tratte da 30 linee isogeniche di autismi
> monogenici
>
> https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7376579/
>
> Le hanno mescolate in un unico disco e le hanno fatte differenziare in
> cellule della corteccia prefrontale per testare le diverse ipotesi dello
> sviluppo precoce. In questo modo hanno potuto classificare le diverse linee
> cellulari in due classi.
> Le mutazioni di classe 1 (8/27) inibiscono, mentre le mutazioni di classe
> 2 (5/27) aumentano la neurogenesi della corteccia prefrontale.
> Dallo studio emerge che vi sono delle vie molecolari e di sviluppo
> convergenti di diverse mutazioni associate all’autismo.
>
> Questo dovrebbe essere un primo passo verso la ricerca di target per
> terapie innovative basate non più sui sintomi, ma su disfunzioni biologiche
> omogenee comuni a diverse mutazioni geniche.
>
> La strada è lunga per arrivare a terapie efficaci nell’uomo, ma questa
> metodica, che riproduce in vitro ciò che è impossibile osservare in vivo,
> ovvero l’organogenesi embrionale,  e mostra diverse vie disfunzionali che
> accomunano gruppi di mutazioni  diverse, mi sembra uno strumento di ricerca
> promettente da incentivare e da finanziare.
>    Daniela Mariani Cerati
>
>
> _______________________________________________
> Lista di discussione autismo-biologia
> autismo-biologia a autismo33.it
> ANGSA (Associazione Nazionale Genitori Persone con Autismo dell'Emilia
> Romagna.
> Per cancellarsi dalla lista inviare un messaggio a:
> valerio.mezzogori a autismo33.it
>
> _______________________________________________
> Lista di discussione autismo-biologia
> autismo-biologia a autismo33.it
> ANGSA (Associazione Nazionale Genitori Persone con Autismo dell'Emilia
> Romagna.
> Per cancellarsi dalla lista inviare un messaggio a:
> valerio.mezzogori a autismo33.it
-------------- parte successiva --------------
Un allegato HTML è stato rimosso...
URL: <http://autismo33.it/pipermail/autismo-biologia/attachments/20210730/ef9cae00/attachment-0001.html>