Quando una mutazione genetica altera lo sviluppo del cervello

RICERCANDO ALL’ESTERO – “Identificare i geni e i meccanismi responsabili delle anomalie morfologiche tipiche di alcuni disordini dello sviluppo neurologico offre la possibilità di sviluppare terapie sempre più mirate. Potremmo immaginare di intervenire sui neuroni mutati e accelerare o rallentare il loro sviluppo in aree circoscritte”.

Nome: Massimiliano Aceti
Età: 42 anni
Nato a: Roma
Vivo a: Jupiter (Florida, Stati Uniti)
Dottorato in: psicologia cognitiva e psicofisiologia (Roma)
Ricerca: Anomalie morfologiche nello sviluppo del cervello in presenza di SynGAP 1
Istituto: The Scripps Research Institute (Florida, USA) dipartimento di neuroscienze
Interessi: fare sport, ciclismo, nuoto, viaggiare
Di Jupiter mi piace: la parte naturalistica, non serve preoccuparsi di chiudere la macchina o la porta di casa
Di Jupiter non mi piace: ci sono poche cose da fare, mi manca il clima della città in termini culturali
Pensiero: The noblest pleasure is the joy of understanding. (Leonardo da Vinci)

Esistono diverse anomalie genetiche in grado di influenzare lo sviluppo del cervello. Molte delle mutazioni responsabili di comportamenti autistici, disabilità intellettive ed epilessia sono a carico di geni che codificano per proteine coinvolte nelle sinapsi neuronali. Tra queste c’è la proteina SynGAP 1.

Qual è il ruolo di SynGAP 1 a livello della sinapsi neuronale?

Fa parte del circuito RAS delle vie di segnalazione intracellulare, infatti l’acronimo sta per Synaptic Ras GTPase Activating Protein 1. È espressa selettivamente nel cervello e si localizza esclusivamente nel comparto post-sinaptico, in particolare nella testa della spina dendritica: qui regola i segnali cellulari post-sinaptici e agisce bloccando l’inserimento dei recettori AMPA sulla superficie della membrana post-sinaptica. In esperimenti condotti sui topi si è visto che mutazioni a livello di entrambi gli alleli del gene SYNGAP 1 sono letali, mentre se avvengono in eterozigosi [cioè se solo una delle due copie è mutata] portano a una riduzione quasi del 50% dell’espressione proteica. Il controllo inibitorio su AMPA risulta così più debole e i recettori riescono a posizionarsi in maggiore quantità sulla membrana plasmatica.

La cosa sorprendente è che le mutazioni non interferiscono solo con la trasmissione del segnale intracellulare ma alterano la struttura stessa del neurone: a livello morfologico, infatti, le spine dendritiche sono più larghe del normale. Questo sembra essere dovuto in parte alla maggiore presenza dei recettori AMPA sulla superficie cellulare e in parte a differenze di espressione in altre proteine della spina, di cui ancora non sappiamo molto.
Queste evidenze sono state confermate dal fatto che i topi con la mutazione manifestano un difetto neurologico già dopo 8 giorni di vita, quando i neuroni non hanno ancora sviluppato connessioni cellulari e quindi non si sono ancora sviluppate le vie di segnalazione cellulare.

Che tipo di patologie sono connesse a mutazioni di SYNGAP 1?

Si tratta principalmente di comportamenti autistici, ritardo mentale ed epilessia. Una delle caratteristiche morfologiche del cervello dei bambini affetti da autismo è un cambiamento nelle caratteristiche e nella proporzione tra materia grigia e bianca. In qualche modo sembra esserci una connettività differente rispetto a un cervello normale.

Per studiare queste variazioni anatomiche, siamo andati a vedere cosa succede in diverse aree del cervello di un modello animale che presenta la mutazione. Abbiamo osservato che in alcuni strati i neuroni mutati maturano più velocemente mentre in altri maturano più lentamente. Prendendo, per esempio, la zona della corteccia somatosensoriale, deputata al controllo dei baffi degli animali, le cellule dello strato 5 maturano più velocemente e le cellule dello strato 2 maturano più lentamente. Abbiamo anche notato che lo stesso strato neuronale si comporta diversamente in regioni del cervello diverse: mentre nello strato 2 della corteccia somatosensoriale c’è un rallentamento, nello strato 2 della corteccia prefrontale il fenotipo è opposto, ovvero i neuroni maturano più velocemente.
Facendo uno screening di diverse regioni, è emerso che la mutazione interferisce con la maturazione delle cellule cerebrali, in modo specifico per i diversi tipi cellulare e per le varie aree cerebrali.

A cosa è dovuto questo sbilanciamento?

Non sappiamo come un gene possa influire in modo così specifico in diverse aree del cervello. È una sorta di distorsione della connettività: evidentemente se durante lo sviluppo i neuroni non seguono tutte le fasi in modo normale, si possono creare alterazioni morfologiche in tutta la struttura e connessioni che non sono proprie.

Usando la microscopia multifotone, ho analizzato le spine dendritiche dell’albero apicale delle cellule dello strato 5 della corteccia somatosensoriale degli animali con mutazione: ho visto che il rapporto tra nuove spine formate e spine eliminate è a favore dell’eliminazione. Questo significa che i neuroni hanno già superato il periodo critico di acquisizione del numero di spine massimo. Dalla letteratura sappiamo che lo sviluppo neuronale delle spine ha un picco attorno al trentesimo giorno di vita (nel topo), poi inizia la fase di pruning in cui molte spine vengono eliminate per riaggiustamento della struttura e ottimizzazione delle risorse. Nelle cellule mutate dello strato 5, il pruning avviene dieci giorni prima rispetto al normale: questa è un’ulteriore evidenza del fatto che la morfologia di queste cellule è alterata.

Quali sono gli effetti sul comportamento degli animali?

Abbiamo fatto degli studi utilizzando il modello SynFlox, un topo ingegnerizzato in cui è possibile accendere e spegnere la mutazione in aree specifiche. Abbiamo visto che quando la mutazione viene spenta subito dopo la nascita, giorno 1, la performance nei test comportamentali appare essere comparabile ai controlli, cioè ai topi senza la mutazione. Se invece la mutazione viene spenta dopo 21 giorni, quindi superato il periodo critico dello sviluppo, alcuni comportamenti vengono recuperati mentre altri rimangono alterati. Parliamo di comportamenti di base, cioè mobilità (distanza percorsa nell’arena vuota) e livelli di ansia.

Facciamo anche degli screening sui comportamenti simil-cognitivi, per vedere se la mutazione interferisce con la capacità di apprendere un determinato compito. Abbiamo sempre osservato che i topi con il gene SYNGAP 1 mutato presentano iperattività, ridotti livelli di ansia e deficit nei test di apprendimento e memoria, specificatamente nella memoria di lavoro e in quella a lungo termine.

Possiamo quindi affermare che quando la mutazione avviene nelle prime fasi di sviluppo, nella finestra critica, che corrisponde ai primi quattordici giorni nel topo e ai primi mesi fino ai due anni di vita nel neonato, la proteina SynGAP ha l’impatto maggiore. Ottimisticamente parlando, è qui che si dovrebbe intervenire per cercare di ripristinare uno sviluppo normale dell’anatomia del cervello.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Ora mi sto occupando degli aspetti anatomici del cervello e nello specifico sto analizzando il peso della massa cerebrale a differenti età: è stato visto, infatti, che un discreto numero di pazienti con mutazione in SYNGAP 1 presentano microcefalia. Inoltre, in collaborazione con il mio collega Thomas Vaissiere stiamo analizzando la connettività tra regioni cerebrali, tentando di correlare la morfologia dei neuroni con la connettività generale.

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