AGI - Una nuova tecnologia, che combina gli organoidi cerebrali e la genetica intricata e sviluppata dai ricercatori del gruppo Knoblich presso l'Istituto di Biotecnologia Molecolare (IMBA) dell'Accademia Austriaca delle Scienze e dal gruppo Treutlein presso l'ETH Zurigo, permette l'identificazione dei tipi di cellule vulnerabili e delle reti di regolazione genica che sottostanno ai disturbi dello spettro autistico.
Questo innovativo metodo offre una visione senza precedenti di uno dei disturbi più complessi che sfidano il cervello umano, con implicazioni che portano alla ricerca clinica sull'autismo una speranza tanto necessaria. I risultati sono stati pubblicati su Nature. Rispetto ad altre specie animali, il cervello umano ha una sua mente.
Per svilupparsi, il cervello umano si affida a processi unici per gli esseri umani, consentendoci di costruire una corteccia intricatamente stratificata e connessa. Questi processi unici rendono anche più probabili i disturbi dello sviluppo neurologico nell'uomo. Ad esempio, molti geni che conferiscono un alto rischio di sviluppare il disturbo dello spettro autistico (ASD) sono cruciali per lo sviluppo della corteccia.
Sebbene gli studi clinici abbiano dimostrato una relazione causale tra molteplici mutazioni genetiche e l'autismo, i ricercatori non comprendono ancora come queste mutazioni portino a difetti nello sviluppo del cervello, e a causa dell'unicità dello sviluppo del cervello umano, i modelli animali sono di limitato utilizzo. "Solo un modello umano del cervello può riprodurre la complessità e le particolarità del cervello umano", afferma il direttore scientifico dell'IMBA, Jurgen Knoblich, uno degli autori corrispondenti dello studio.
Per contribuire a risolvere questo enigma, i ricercatori dei gruppi di ricerca di Jurgen Knoblich e Barbara Treutlein presso l'IMBA e l'ETH Zurigo hanno sviluppato una tecnica per esaminare un insieme completo di geni regolatori trascrizionali chiave legati all'autismo.
Questo sviluppo è particolarmente significativo poiché i geni di interesse possono essere esaminati contemporaneamente all'interno di un singolo organoide, aprendo la strada a un'era di screening genetico intricato, efficiente e rapido nei tessuti umani. Nel sistema di nuova concezione, chiamato "CHOOSE" (CRISPR-organoidi umani-scRNA-seq), ogni cellula nell'organide porta al massimo una mutazione in un gene ASD specifico. I ricercatori hanno potuto tracciare l'effetto di ciascuna mutazione a livello di singola cellula e mappare la traiettoria di sviluppo di ciascuna cellula.
"Con questa metodologia ad alta efficienza, possiamo disattivare sistematicamente una lista di geni causa di malattie. Mentre gli organoidi che portano queste mutazioni crescono, analizziamo l'effetto di ciascuna mutazione sullo sviluppo di ciascun tipo di cellula", afferma il primo autore e co-autore dello studio, Chong Li, un borsista post-dottorato nel gruppo Knoblich.
Con il sistema CHOOSE, i team di IMBA e ETH Zurigo avanzano nella ricerca sui geni causa di malattie di un intero passo, fornendo ai ricercatori un metodo versatile e ad alta efficienza che può essere applicato a qualsiasi malattia e in qualsiasi sistema modello umano. Inoltre, CHOOSE accelera notevolmente l'analisi rispetto agli approcci tradizionali basati sulla perdita di funzione genetica.
"Possiamo vedere la conseguenza di ogni mutazione in un solo esperimento, accorciando così drasticamente il tempo di analisi rispetto ai metodi tradizionali, utilizzando un approccio che per decenni è stato possibile solo in organismi come la mosca della frutta", spiega Knoblich. "Inoltre, possiamo ancora beneficiare di cento anni di letteratura scientifica sui geni causa di malattie".
La mutazione di diversi geni in parallelo e il tracciamento dei loro effetti generano una grande quantita' di dati. Per analizzare questo complesso insieme di dati, la co-autrice Barbara Treutlein e il suo team all'ETH Zurigo hanno utilizzato approcci di bioinformatica quantitativa e di apprendimento automatico. "Utilizzando questi dati di espressione a singola cellula ad alta efficienza, possiamo quantificare se un dato tipo di cellula è più o meno abbondante a causa di una data mutazione, e possiamo anche identificare insiemi di geni che sono comunemente o distintamente influenzati da ciascuna mutazione. Confrontando tutte le mutazioni genetiche, possiamo ricostruire il paesaggio fenotipico di queste perturbazioni genetiche collegate alle malattie", spiega Treutlein.
Utilizzando il sistema CHOOSE, i ricercatori hanno dimostrato che le mutazioni di 36 geni, noti per mettere i portatori a elevato rischio di autismo, portano a specifici cambiamenti nei tipi di cellule nello sviluppo del cervello umano. Hanno identificato cambiamenti trascrizionali critici regolati attraverso reti genetiche comuni, chiamate "reti regolatorie geniche" o GRN. Una GRN e' un insieme di regolatori molecolari che interagiscono tra loro per controllare una specifica funzione cellulare, spiega Li.
"Abbiamo dimostrato che alcuni tipi di cellule sono più suscettibili di altri durante lo sviluppo cerebrale e abbiamo identificato le reti più vulnerabili alle mutazioni legate all'autismo", aggiunge. "Con questo approccio, abbiamo appreso che i geni causa di autismo condividono alcuni meccanismi molecolari comuni", afferma Knoblich.
Tuttavia, questi meccanismi comuni possono portare a effetti marcatamente distinti in diversi tipi di cellule. "Alcuni tipi di cellule sono più vulnerabili alle mutazioni che portano all'autismo, in particolare alcuni progenitori neurali, le cellule fondatrici che generano i neuroni. Questo è vero fino al punto che la patologia dell'autismo potrebbe già emergere precocemente durante lo sviluppo cerebrale. Ciò indica che alcuni tipi di cellule richiederanno più attenzione in futuro nello studio dei geni causa dell'autismo", afferma Li.
Per confermare se questi risultati siano rilevanti per le malattie umane, i ricercatori hanno collaborato con clinici dell'Universita' Medica di Vienna e hanno generato organoidi cerebrali da due campioni di cellule staminali di pazienti. Entrambi i pazienti avevano mutazioni nello stesso gene che causava l'autismo. "Gli organoidi generati da entrambi i pazienti hanno mostrato difetti nello sviluppo evidenti legati a un tipo di cellula specifico. Abbiamo potuto convalidare queste osservazioni in vitro confrontando le strutture degli organoidi con le risonanze magnetiche prenatali del cervello di uno dei pazienti", afferma Knoblich, dimostrando che i dati sugli organoidi corrispondevano strettamente alle osservazioni cliniche.
Oltre a ottenere una conoscenza senza precedenti della patologia dell'autismo, il team sottolinea la versatilità e la trasferibilità del sistema CHOOSE. "Prevediamo che la nostra tecnica sarà ampiamente applicata al di là degli organoidi cerebrali per studiare vari geni associati a malattie", afferma Knoblich. Con questa nuova tecnica, scienziati e clinici ottengono uno strumento di screening ad alta efficienza robusto e precisamente controllato che accorcia notevolmente i tempi di analisi e fornisce preziose conoscenze sui meccanismi delle malattie.
