Studiando il gene ANK2, gli scienziati dell’Università della Carolina del Nord presso la Chapel Hill School of Medicine e colleghi hanno dimostrato che sue rare varianti, costantemente presenti in individui con disturbo dello spettro autistico (ASD), possono alterare l’architettura e l’organizzazione dei neuroni, contribuendo potenzialmente all’autismo e comorbidità del neurosviluppo.
I risultati della scoperta sono stati pubblicati sulla rivista scientifica eLife.
Gene ANK2: ecco cosa dice la ricerca
La scoperta è stata guidata da Damaris Lorenzo, Ph.D., assistente professore presso il Dipartimento di biologia cellulare e fisiologia dell’UNC e membro dell’UNC Neuroscience Center e dell’UNC Intellectual and Developmental Disabilities Research Center.
ANK2 istruisce i neuroni e altri tipi di cellule come produrre l’anchirina-B, una proteina con molteplici funzioni nel sistema nervoso. ANK2 codifica per varie versioni (isoforme) di ankyrin-B attraverso un processo noto come splicing alternativo, per cui porzioni della proteina sono escluse nelle molecole finali.
I mammiferi, come i topi e gli esseri umani, esprimono l’isoforma anchirina-B a grandezza naturale (gigante) solo nei neuroni; un’altra isoforma molto abbondante la metà delle sue dimensioni si trova praticamente in ogni tipo di cellula e organo. Diversi studi genetici hanno costantemente identificato varianti rare in ANK2 in individui con ASD, rendendolo uno dei geni ad alto rischio associati alla condizione.
A seconda del tipo e della posizione nel gene, le varianti di ANK2 possono influenzare esclusivamente l’anchirina-B gigante o entrambe le isoforme contemporaneamente.
“Insieme alla sua alta prevalenza e alla sorprendente presentazione clinica, la causa incerta dell’ASD è un importante passo limitante nel progresso delle opzioni terapeutiche”, ha detto Lorenzo. “La prova dell’origine genetica dell’ASD è forte ma anche complessa, con almeno altri 100 geni ad alto rischio collegati al disturbo”.
Rivelare la causa dell’ASD è reso ancora più complicato perché singoli geni come ANK2 e le isoforme che codificano possono avere più funzioni cellulari. Tuttavia, in base al modo in cui i sottogruppi di questi geni si sovrappongono funzionalmente o lavorano insieme per attivare percorsi biologici, gli scienziati hanno proposto meccanismi convergenti che possono essere prevalentemente colpiti negli individui con ASD.
Uno di questi meccanismi comuni è la comunicazione neuronale, che è determinata in parte dalle alterazioni degli assoni, le lunghe estensioni che trasportano i segnali dai neuroni ad altri neuroni.
Alla base di questi processi all’interno di un singolo neurone c’è il citoscheletro assonale, una complessa rete di proteine simili a filamenti che svolge ruoli fondamentali nella crescita, nella forma e nella plasticità di ciascun neurone. Si pensa che il citoscheletro assonale sia un altro importante asse funzionale interessato nell’ASD.(2)
Il lavoro precedente di Lorenzo pubblicato su JCB ha mostrato che la perdita simultanea di entrambe le principali isoforme di ankyrin-B nel cervello dei topi ha provocato profondi difetti anatomici che coinvolgono il cablaggio assonale, sottolineando l’importanza dell’ankyrin-B nell’architettura e nella funzione del cervello.
In uno studio successivo pubblicato su PNAS , Lorenzo e colleghi della Duke University hanno osservato che l’eliminazione solo dell’isoforma gigante anchirina-B nei neuroni coltivati in laboratorio ha portato a più rami di assoni, che hanno implicato deficit nella dinamica dei microtubuli, un componente essenziale del citoscheletro.
In questo nuovo studio, il laboratorio di Lorenzo ha mostrato che la perdita selettiva dell’isoforma gigante anchirina-B porta a più rami assonici nel cervello dei topi e ad aumenti volumetrici di più fasci assonali compreso il corpo calloso. In collaborazione con Eva Anton, Ph.D., presso l’UNC Neuroscience Center e co-autore dell’articolo, gli esperti hanno scoperto che l’isoforma gigante ankyrin-B è necessaria per mantenere l’ordine topografico degli assoni callosi derivanti dalla corteccia somatosensoriale durante sviluppo del cervello e per garantire il targeting specifico e il perfezionamento delle proiezioni callose sul lato opposto del cervello.
Il team non ha osservato aumenti nei rami degli assoni in un nuovo modello murino che hanno progettato che manca solo dell’isoforma anchirina-B più corta: “Questi risultati confermano i ruoli divergenti delle isoforme dell’anchirina-B e supportano i ruoli critici e specializzati dell’anchirina-B gigante nella formazione, nel targeting e nel perfezionamento dei rami collaterali degli assoni”, ha affermato Lorenzo.
In collaborazione con un team guidato da Meng Meng Fu, Ph.D., presso il National Institute of Neurological Disorders and Stroke e co-autori dell’articolo eLife , i ricercatori hanno verificato che le anomalie del corpo calloso osservate non comportavano cambiamenti nella mielinizzazione e nel numero e nella maturazione degli oligodendrociti, un tipo di cellule cerebrali non neuronali implicate in patologie simili.
“Le regioni corticali del cervello sono state le più direttamente collegate alla patologia dell’ASD. I cambiamenti che abbiamo osservato nella connettività strutturale corticale probabilmente derivano da difetti combinati nell’inizio del ramo assone, nella guida e nella potatura di proiezioni errate o sovrabbondanti durante lo sviluppo a causa della gigantesca carenza di anchirina-B ,” ha specificato Lorenzo.
I segnali al di fuori delle cellule modulano questi processi per innescare cambiamenti nei neuroni attraverso effetti attrattivi e repulsivi. Il team di ricerca di Lorenzo ha mostrato che i neuroni corticali richiedono l’isoforma gigante anchirina-B per rendere possibili gli effetti repulsivi della semaforina 3A, una molecola che interagisce con e fa collassare le punte degli assoni e dei loro rami.
Il team ha anche dimostrato che le varianti di ANK2 che colpiscono esclusivamente l’anchirina-B gigante hanno una perdita di risposta simile alla molecola Semaphorin 3A, rivelando un possibile contributo meccanicistico all’ASD.
“Le nostre nuove intuizioni insieme ai nostri strumenti e metodi ci aiuteranno ad assegnare la patogenicità ad altre varianti di ANK2. Siamo certi che ci sia una biologia sconosciuta rilevante per la funzione cerebrale e l’ASD che coinvolge questo gene e lo stiamo perseguendo”, ha detto Lorenzo.
“Il nostro approccio dal basso verso l’alto di scoperta e convalida funzionale contribuisce al database di conoscenze sottosviluppato dell’eziologia funzionale dell’ASD. Questo è fondamentale perché questo disturbo eterogeneo e complesso richiede probabilmente strategie personalizzate per l’intervento clinico”, ha concluso l’esperto.