Utilizzando un tipo di sequenziamento genetico che era stato precedentemente impossibile utilizzare nel cervello dei mammiferi, i neuroscienziati del MIT hanno identificato centinaia di geni necessari per la sopravvivenza dei neuroni. Hanno anche usato lo stesso approccio per identificare i geni che proteggono dagli effetti tossici di una proteina mutante che causa la malattia di Huntington.
Questi sforzi hanno prodotto almeno un promettente target farmacologico per la malattia di Huntington: una famiglia di geni che potrebbe normalmente aiutare le cellule a scomporre la proteina mutata huntingtina prima che possa aggregarsi e formare i grumi osservati nel cervello dei pazienti Huntington. “Questi geni non erano mai stati collegati ai processi della malattia di Huntington prima. Non abbiamo trovato solo un gene, ma in realtà diversi della stessa famiglia e abbiamo anche visto che hanno un effetto su due modelli della malattia di Huntington “, afferma Myriam Heiman, Professore associato di neuroscienze nel Dipartimento di Scienze cognitive e autore senior dello studio.
“La nuova tecnica di screening che ha permesso di valutare tutti i circa 22.000 geni trovati nel cervello del topo, potrebbe essere applicata anche ad altri disturbi neurologici, tra cui le malattie di Alzheimer e Parkinson”, afferma Heiman, che è anche membro di Picower del MIT Institute for Learning and Memory e Broad Institute of MIT and Harvard.
Mary Wertz, postdoc del Broad Institute, è l’autore principale dell’articolo che appare oggi su Neuron.
Schermo a tutto il genoma
Per molti decenni, i biologi hanno eseguito approcci di screening in cui hanno sistematicamente eliminato singoli geni in organismi modello come topi, moscerini della frutta e il verme C. elegans, quindi hanno osservato gli effetti sulla sopravvivenza delle cellule. Tuttavia, tali schermate non sono mai state fatte nel cervello del topo. Una delle ragioni principali di ciò è che fornire le macchine molecolari necessarie per queste manipolazioni genetiche è più difficile nel cervello che altrove nel corpo.
“Questi schermi genetici imparziali sono molto potenti, ma la difficoltà tecnica di eseguirli nel sistema nervoso centrale su scala genomica non è mai stata superata“, afferma Heiman.
Negli ultimi anni, i ricercatori del Broad Institute hanno sviluppato diverse strategie che possono essere utilizzate per disattivare l’espressione di ogni gene presente nel genoma del topo. Una di queste si basa sull’RNA a forcella corta (shRNA) che interferisce con l’RNA messaggero che trasporta le informazioni di un particolare gene. Un’ altra strategia fa uso di CRISPR, una tecnica che può interrompere o eliminare geni specifici in una cellula. Queste strategie sono fornite da virus, ognuno dei quali contiene un elemento che prende di mira un singolo gene.
Gli interventi sono stati progettati in modo tale che ciascuno dei circa 22.000 geni del topo sia preso di mira da quattro o cinque shRNA o componenti CRISPR, quindi da 80.000 a 100.000 virus devono entrare nel cervello per garantire che tutti i geni vengano colpiti almeno una volta. Il team del MIT ha escogitato un modo per rendere la propria soluzione di virus altamente concentrata e per iniettarli direttamente nello striato del cervello. Usando questo approccio, i ricercatori sono stati in grado di fornire uno degli elementi shRNA o CRISPR a circa il 25 percento di tutte le cellule dello striato. I ricercatori si sono concentrati sullo striato, che è coinvolto nella regolazione del controllo motorio, cognizione ed emozione, perché è la regione del cervello più colpita dalla malattia di Huntington. È anche coinvolto nella malattia di Parkinson, nell’autismo e nella tossicodipendenza. Circa sette mesi dopo l’iniezione, i ricercatori hanno sequenziato tutto il DNA genomico nei neuroni striatali interessati. Il loro approccio si basa sull’idea che se determinati geni sono necessari per la sopravvivenza dei neuroni, qualsiasi cellula con quei geni eliminati morirà. Quindi, quegli shRNA o elementi CRISPR saranno trovati a tassi più bassi nella popolazione totale di cellule.
Vedi anche, Malattia di Huntington: individuato un nuovo ruolo di una proteina
Lo studio ha rivelato molti geni necessari per la sopravvivenza di qualsiasi cellula, come gli enzimi coinvolti nel metabolismo cellulare o la copia del DNA nell’RNA. I risultati hanno anche rivelato che i geni identificati in precedenti studi su moscerini della frutta e vermi sono importanti per la funzione dei neuroni, come i geni coinvolgono la funzione delle sinapsi (strutture che consentono ai neuroni di comunicare tra loro).
“Tuttavia, una nuova scoperta di questo studio è stata l’identificazione di geni che non erano stati precedentemente collegati alla sopravvivenza dei neuroni,” afferma Heiman. “Molti di questi erano geni che codificano per le proteine metaboliche che sono essenziali nelle cellule che bruciano molta energia. Ciò significa che i neuroni nel cervello dei mammiferi sono molto più attivi dal punto di vista metabolico e hanno una dipendenza molto maggiore da questi processi rispetto ad esempio a un neurone in C. elegans“, aggiunge Heiman.
Obiettivi promettenti
I ricercatori hanno quindi eseguito lo stesso tipo di screening su due diversi modelli di topo della malattia di Huntington. Questi modelli di topo esprimono la forma mutata della proteina huntingtina, che forma grumi nel cervello dei pazienti di Huntington. In questo caso, i ricercatori hanno confrontato i risultati dallo schermo dei topi di Huntington con i topi normali. “Se uno qualsiasi degli elementi shRNA o CRISPR fosse trovato meno frequentemente nei topi di Huntington, ciò suggerirebbe che quegli elementi prendessero di mira i geni che stanno contribuendo a rendere le cellule più resistenti agli effetti tossici della proteina huntingtina“, dice Heiman.
