Ricercatori del Broad Institute del MIT e di Harvard, della Harvard Medical School e del McLean Hospital hanno scoperto una serie sorprendentemente simile di cambiamenti nell’attività genetica nel tessuto cerebrale di persone con schizofrenia e di anziani. Questi cambiamenti suggeriscono una base biologica comune per il deterioramento cognitivo.
La ricerca è stata pubblicata su Nature.
Schizofrenia e deterioramento cognitivo
In uno studio, il team descrive come hanno analizzato l’espressione genetica in più di un milione di singole cellule del tessuto cerebrale post-mortem di 191 persone. Hanno scoperto che negli individui con schizofrenia e negli anziani senza schizofrenia, due tipi di cellule cerebrali chiamate astrociti e neuroni riducono la loro espressione di geni che supportano le giunzioni tra i neuroni chiamate sinapsi , rispetto alle persone sane o più giovani.
Hanno anche scoperto cambiamenti di espressione genetica strettamente sincronizzati nei due tipi di cellule: quando i neuroni diminuivano l’espressione di alcuni geni legati alle sinapsi, gli astrociti modificavano in modo simile l’espressione di un insieme distinto di geni che supportano le sinapsi.
Il team ha chiamato questo insieme coordinato di cambiamenti Synaptic Neuron and Astrocyte Program (SNAP). Anche nei giovani sani, l’espressione dei geni SNAP aumenta o diminuisce sempre in modo coordinato nei loro neuroni e astrociti.
“La scienza spesso si concentra su quali geni ogni tipo di cellula esprime da solo”, ha affermato Steve McCarroll, co-autore senior dello studio e membro dell’istituto presso il Broad Institute. “Ma il tessuto cerebrale di molte persone e l’analisi di tali dati tramite l’apprendimento automatico ci hanno aiutato a riconoscere un sistema più ampio. Questi tipi di cellule non agiscono come entità indipendenti, ma hanno un coordinamento molto stretto. La forza di queste relazioni ci ha lasciato senza fiato”.
La schizofrenia è nota per causare allucinazioni e delusioni, che possono essere almeno in parte trattate con i farmaci. Ma provoca anche un declino cognitivo debilitante , che non ha trattamenti efficaci ed è comune anche nell’invecchiamento. Le nuove scoperte suggeriscono che i cambiamenti cognitivi in entrambe le condizioni potrebbero comportare alterazioni cellulari e molecolari simili nel cervello.
“Per rilevare la coordinazione tra astrociti e neuroni nella schizofrenia e nell’invecchiamento, avevamo bisogno di studiare campioni di tessuto provenienti da un numero molto elevato di individui”, ha affermato Sabina Berretta, co-autrice senior dello studio, professore associato presso la Harvard Medical School, e un ricercatore nel campo dei disturbi psichiatrici.
“La nostra gratitudine va a tutti i donatori che hanno scelto di donare il proprio cervello alla ricerca per aiutare gli altri che soffrono di disturbi cerebrali e ai quali vorremmo dedicare questo lavoro.”
Il cervello funziona in gran parte perché i neuroni si collegano con altri neuroni nelle sinapsi, dove si scambiano segnali. Il cervello forma costantemente nuove sinapsi e pota quelle vecchie. Gli scienziati pensano che le nuove sinapsi aiutino il nostro cervello a rimanere flessibile, e gli studi – compresi i precedenti sforzi degli scienziati del laboratorio McCarroll e dei consorzi internazionali – hanno dimostrato che molti fattori genetici legati alla schizofrenia coinvolgono geni che contribuiscono alla funzione delle sinapsi.
Nel nuovo studio, McCarroll, Berretta e colleghi hanno utilizzato il sequenziamento dell’RNA a nucleo singolo, che misura l’espressione genica nelle singole cellule, per comprendere meglio come il cervello varia naturalmente da individuo a individuo. Hanno analizzato 1,2 milioni di cellule di 94 persone con schizofrenia e 97 senza.
Hanno scoperto che quando i neuroni potenziavano l’espressione dei geni che codificano parti delle sinapsi, gli astrociti aumentavano l’espressione di un insieme distinto di geni coinvolti nella funzione sinaptica. Questi geni, che costituiscono il programma SNAP, includevano molti fattori di rischio per la schizofrenia precedentemente identificati. Le analisi del team hanno indicato che sia i neuroni che gli astrociti determinano la vulnerabilità genetica alla condizione.
“La scienza sa da tempo che i neuroni e le sinapsi sono importanti nel rischio di schizofrenia, ma inquadrando la questione in un modo diverso – chiedendo quali geni regola dinamicamente ciascun tipo di cellula – abbiamo scoperto che anche gli astrociti sono probabilmente coinvolti”, ha detto Ling.
Con loro sorpresa, i ricercatori hanno anche scoperto che SNAP variava notevolmente anche tra persone non schizofreniche, suggerendo che SNAP potrebbe essere coinvolto nelle differenze cognitive negli esseri umani sani. Gran parte di questa variazione è stata spiegata dall’età; Lo SNAP è diminuito sostanzialmente in molti, ma non in tutti, gli individui più anziani, compresi sia quelli con che quelli senza schizofrenia.
Con una migliore comprensione di SNAP, McCarroll spera che sia possibile identificare i fattori della vita che influenzano positivamente SNAP e sviluppare farmaci che aiutino a stimolare SNAP, come un modo per trattare i disturbi cognitivi della schizofrenia o aiutare le persone a mantenere la loro flessibilità cognitiva mentre età.
Nel frattempo McCarroll, Berretta e il loro team stanno lavorando per capire se questi cambiamenti sono presenti in altre condizioni come il disturbo bipolare e la depressione. Mirano anche a scoprire in che misura lo SNAP appare in altre aree del cervello e in che modo lo SNAP influisce sull’apprendimento e sulla flessibilità cognitiva.
Nuovi indizi sullo sviluppo precoce della schizofrenia
La schizofrenia è una grave malattia neuropsichiatrica ancora poco compresa e trattata. L’esordio della schizofrenia avviene tipicamente nell’adolescenza o nella prima età adulta, ma si ritiene che le sue cause sottostanti coinvolgano anomalie dello sviluppo neurologico. Poiché il tessuto cerebrale umano prenatale e postnatale è estremamente difficile da procurare e quindi studiare, i ricercatori hanno avuto opportunità limitate di identificare i meccanismi precoci della malattia, soprattutto durante il periodo critico prenatale.
Ora, un paio di studi apparsi su Biological Psychiatry utilizzano la nuova tecnologia per studiare la schizofrenia in modelli di sviluppo precoce del cervello umano .
Il primo studio ha utilizzato un approccio unico che coinvolge organoidi cerebrali tridimensionali, noti per ricapitolare lo sviluppo del cervello fetale. I ricercatori, guidati dal primo autore Ibrahim A. Akkouh, Ph.D., e dall’autore senior Srdjan Djurovic, Ph.D., entrambi presso l’Ospedale universitario di Oslo, hanno raccolto cellule cutanee da 14 pazienti con schizofrenia e 14 controlli sani e hanno generato cellule pluripotenti indotte cellule staminali (iPSC), che hanno poi manipolato per svilupparsi in sferoidi corticali simili al cervello.
Gli organoidi coltivati da pazienti e controlli differivano nella loro espressione di migliaia di geni, in linea con la scoperta che le influenze genetiche sulla schizofrenia sono molte e molto piccole. Tuttavia, tra i geni, quelli associati agli assoni neuronali si sono distinti come gruppo.
Il dottor Akkouh ha spiegato: “Abbiamo identificato la persistente disregolazione assonale come un contributo precoce al rischio di malattia “.
È importante sottolineare che i ricercatori hanno valutato la maturazione degli organoidi in diversi momenti, il che ha permesso loro di stabilire la natura persistente dei disturbi durante lo sviluppo.
Il dottor Akkouh ha aggiunto: “I nostri risultati forniscono intuizioni nuove e finora inaccessibili sulle basi molecolari della schizofrenia durante le prime fasi dello sviluppo cerebrale”.
Nel secondo studio , i ricercatori guidati da Roy H. Perlis, Ph.D., presso la Harvard Medical School, si sono concentrati su un particolare locus di rischio genetico. Il locus del rischio di schizofrenia 15q11.2, una particolare regione cromosomica contenente quattro geni, ha una penetranza superiore al 10%, il che si traduce in un raddoppio del rischio di schizofrenia tra le persone portatrici di un numero di copie insolito di questa regione genetica.
Un gene nel locus, CYFIP1, è stato associato alla funzione sinaptica nei neuroni e conferisce un aumento del rischio di disturbi dello sviluppo neurologico tra cui la schizofrenia e l’autismo.
CYFIP1 è altamente espresso nelle microglia, le cellule immunitarie del cervello, ma la sua funzione è sconosciuta. È noto che le microglia effettuano la potatura sinaptica, in cui “mangiano” le strutture sinaptiche in eccesso, un processo fondamentale per un sano sviluppo del cervello.
Il dottor Perlis e colleghi hanno raccolto cellule del sangue da volontari sani e hanno isolato iPSC, che hanno poi manipolato per differenziarsi in cellule simili alla microglia. I ricercatori hanno quindi utilizzato la tecnologia CRISPR per rimuovere il CYFIP1 funzionale dalle cellule.
Il dottor Perlis ha detto del lavoro: “I nostri risultati suggeriscono che i cambiamenti nel comportamento e nella funzione della microglia dovuti alla funzione aberrante di CYFIP1, ad esempio attraverso varianti di codifica o numero di copie, potrebbero influenzare i processi microgliali come la potatura sinaptica, la sorveglianza omeostatica e la regolazione neuronale”. manutenzione, che sono fondamentali per il corretto sviluppo e funzionamento del cervello.”
“Ciò potrebbe contribuire ai disturbi psichiatrici e dello sviluppo neurologico legati al CYFIP1 derivanti in parte dalla disfunzione della microglia. Tra i disturbi specifici legati alla variazione del CYFIP1 ci sono sia l’autismo che la schizofrenia.”
John Krystal, MD, redattore di Biological Psychiatry , ha commentato: “La biologia della schizofrenia è molto complessa e tuttavia due temi rappresentati da questi due studi sembrano essere molto importanti: l’aumento del tasso di eliminazione delle sinapsi glutamatergiche durante lo sviluppo e i disturbi nel proprietà di segnalazione di queste sinapsi del glutammato. Questi due disturbi potrebbero perturbare la funzione del circuito in modi critici per lo sviluppo dei sintomi e dei disturbi cognitivi associati alla schizofrenia.”
Il dottor Perlis ha aggiunto: “Più in generale, i nostri risultati evidenziano l’importanza di guardare oltre i neuroni per comprendere i geni a rischio. Sebbene trovare i loci a rischio possa essere il primo passo per comprendere il ruolo dei geni nelle malattie del cervello, è solo un primo passo; capire il tipo di cellula rilevante e ciò che fanno questi geni sono assolutamente fondamentali nel passaggio dall’associazione a, speriamo, trattamenti effettivi”.
La disregolazione mitocondriale contribuisce allo sviluppo della schizofrenia?
I ricercatori della Rutgers e della Emory University stanno ottenendo informazioni su come si sviluppa la schizofrenia studiando il fattore di rischio genetico più forte conosciuto.
Quando manca una piccola porzione del cromosoma 3, nota come sindrome da delezione 3q29, il rischio di schizofrenia aumenta di circa 40 volte.
I ricercatori hanno ora analizzato modelli sovrapposti di attività genetica alterata in due modelli di sindrome da delezione 3q29, inclusi topi in cui la delezione è stata ingegnerizzata utilizzando CRIPSR e organoidi del cervello umano , o colture di tessuti tridimensionali utilizzate per studiare la malattia. Entrambi questi sistemi mostrano una funzione mitocondriale compromessa . Questa disfunzione può causare carenze energetiche nel cervello e provocare sintomi e disturbi psichiatrici.
“I nostri dati danno un forte sostegno all’ipotesi che la disregolazione mitocondriale contribuisca allo sviluppo della schizofrenia”, ha affermato Jennifer Mulle, professore associato di psichiatria, neuroscienze e biologia cellulare presso la Rutgers Robert Wood Johnson Medical School e co-autrice senior dello studio. studio pubblicato su Science Advances . “L’interazione tra la dinamica mitocondriale e la maturazione neuronale è un’area importante per ulteriori studi dettagliati e rigorosi.”
Mulle, membro del Center for Advanced Biotechnology and Medicine della Rutgers, e colleghi hanno dimostrato per la prima volta nel 2010 che la delezione 3q29 era un fattore di rischio per la schizofrenia. I risultati convergono con il lavoro su un altro fattore di rischio genetico per la schizofrenia, la sindrome da delezione 22q11 (o sindrome di DiGeorge sindrome), che è stato scoperto coinvolgere anche la funzione mitocondriale interrotta.
“Per le varianti genetiche associate alla schizofrenia, vogliamo comprendere la patologia primaria a livello cellulare “, ha affermato Ryan Purcell, assistente professore di biologia cellulare presso la Emory University School of Medicine e co-autore principale dello studio. “Questo ci dà un punto d’appoggio, che può aiutare a superare la complessità poligenica della schizofrenia e a comprenderne meglio la neurobiologia”.
Circa una persona su 30.000 nasce con la sindrome da delezione 3q29. Oltre ad aumentare il rischio di schizofrenia, la delezione 3q29 può includere disabilità intellettiva, disturbi dello spettro autistico e difetti cardiaci congeniti . L’effetto della delezione 3q29 sul rischio di schizofrenia è maggiore di quello di qualsiasi singola variante genetica conosciuta, ma il contributo dei singoli geni all’interno della delezione è ancora da chiarire.
La scoperta che varie delezioni cromosomiche associate alla schizofrenia danneggiano i mitocondri va contro l’aspettativa nel campo secondo cui tali mutazioni dovrebbero alterare le proteine nelle sinapsi che collegano i neuroni. Tuttavia, i mitocondri sono fondamentali per il funzionamento delle sinapsi assetate di energia, quindi questi modelli potrebbero non essere in conflitto.
È stato anche sorprendente che le cellule 3q29 abbiano mitocondri mal funzionanti perché solo uno dei 22 geni nella delezione sembra codificare una proteina situata nei mitocondri. Tuttavia, quel gene o altri all’interno dell’intervallo potrebbero invece regolare la produzione o l’importazione di proteine mitocondriali, hanno detto i ricercatori.
I mitocondri, che si trovano in ogni cellula, producono energia dallo zucchero o dal grasso. A volte questo processo è aerobico (effettuato con ossigeno extra dall’aria inalata) e talvolta anaerobico (effettuato senza ossigeno).
A causa della funzione mitocondriale alterata, le cellule 3q29 mancano di flessibilità metabolica, il che significa che i loro mitocondri hanno difficoltà ad adattarsi ai cambiamenti nelle fonti di energia. Ciò può interferire con lo sviluppo neuronale perché i neuroni in maturazione devono passare alla produzione di energia aerobica mentre si differenziano.
I risultati illustrano come la delezione 3q29 colpisce tutto il corpo, non solo il cervello: gli effetti sui mitocondri sono osservati nelle cellule renali così come in quelle cerebrali. Gli individui con la sindrome da delezione 3q29 tendono anche ad avere dimensioni più piccole, probabilmente a causa dell’alterato metabolismo dei grassi .
“Alla fine, vogliamo capire quali cambiamenti cellulari come questi sono collegati a risultati clinici specifici, che potrebbero aiutare a progettare strategie terapeutiche più efficaci”, ha detto Purcell.