La ricerca per scoprire se le mutazioni del nostro cervello influiscono sulla salute mentale

Per anni gli scienziati hanno cercato di trovare un gene per condizioni come la schizofrenia, l'Alzheimer e l'autismo. Ma la vera fonte potrebbe risiedere in un puzzle genetico molto più complesso.

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• Roxanne Khamsi pagina di archivio

25 agosto 2021

Tony Luong

Quando Mike McConnell ha deciso su cosa avrebbe voluto dedicare la sua carriera a lavorare, aveva 29 anni, ispirato a iniziare il suo dottorato di ricerca e ha fallito. Aveva imparato dai suoi corsi di biologia che le cellule immunitarie del corpo riorganizzano costantemente il proprio DNA: è ciò che permette loro di proteggerci creando recettori nelle giuste forme per legarsi ai patogeni invasivi. Quando ha concluso un master in immunologia in Virginia alla fine degli anni '90, ne era ossessionato dalle birre con i suoi coinquilini. Improvvisamente questa idea è scattata in un certo senso, ricorda McConnell. Se il riarrangiamento genico aiutasse il funzionamento del sistema immunitario, dove altro potrebbe accadere? E il cervello? Non sarebbe bello se anche i neuroni facessero qualcosa del genere? pensò.

A quel tempo, la maggior parte degli scienziati presumeva che le cellule del sistema nervoso normale avessero genomi identici. Ma McConnell ha esaminato la letteratura scientifica e ha scoperto di non essere l'unico sulle tracce di questa domanda: un neuroscienziato di nome Gerold Chun all'Università della California, a San Diego, ci stava già lavorando. Scrisse a Chun e lo convinse a lasciarlo entrare nel suo laboratorio sulla costa occidentale. C'era solo un problema: McConnell non poteva permettersi di arrivarci.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2021

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Era già uno studente laureato affamato, senza soldi per riparare la sua Mustang della marina del 1966 e, essendo la prima persona della sua famiglia ad andare al college, non aveva accesso a molte risorse. Non avevo nessuno che mi avrebbe lasciato in grembo alcune spese di trasloco o cose del genere, spiega. Chun gli ha dato $ 1.000 per riparare l'auto rotta e attraversare il paese in modo che potesse iniziare a testare la sua ipotesi.

Usando coloranti speciali per colorare i cromosomi dei neuroni di embrioni di topo e topi adulti, McConnell sperava di scoprire che i neuroni avevano subito lo stesso tipo di riarrangiamento genetico visto nelle cellule immunitarie, producendo diversità piuttosto che le copie perfette che la maggior parte dei ricercatori si sarebbe aspettata. Invece, continuava a trovare cellule cerebrali che avevano il numero sbagliato di cromosomi.

Mike McConnell ha trascorso la sua carriera imparando a conoscere il mosaico del cervello: abbiamo preso sul serio questa pazza idea.

NOAH WILLMAN

Questa è stata una sorpresa. Quando le cellule si dividono, replicano il loro DNA per le loro cellule figlie. A volte copie di geni vengono aggiunte o perse accidentalmente, cosa che, a differenza del rimescolamento all'interno dei cromosomi che è benefico per il sistema immunitario, è stato ritenuto un errore estremamente dannoso. Non aveva senso che i neuroni potessero sopravvivere a un cambiamento così gigantesco nel loro materiale genetico. Ma McConnell continuava a trovare neuroni aberranti con cromosomi extra o mancanti. Infine ha dovuto riconsiderare le ipotesi scientifiche. Abbiamo preso sul serio questa pazza idea, dice. Un borsista post-dottorato in laboratorio di nome Stevens Rehen aveva esperienza nella coltura dei neuroni per lo studio, il che ha permesso di analizzare i dati.

Gli esperimenti del team dell'UCSD, pubblicati nel 2001, hanno dimostrato che il sistema nervoso centrale degli embrioni di topo in via di sviluppo non conteneva copie genetiche perfette . Invece, i ricercatori hanno suggerito che circa un terzo dei neuroni di ciascun embrione di topo, in media, aveva perso un cromosoma o ne aveva acquisito uno in più. Il risultato è stato quello che è noto come un mosaico genetico. Sebbene molte di quelle cellule non siano sopravvissute, alcune sono entrate nel cervello di topi adulti. McConnell, Chun e i loro coautori si sono chiesti cosa potesse significare un tale mosaico genetico. Forse negli esseri umani potrebbe essere un fattore che contribuisce a disturbi neurologici o persino a malattie psichiatriche. In ogni caso, è stato un primo indizio che la nozione convenzionale di cellule cerebrali geneticamente identiche era sbagliata.

A quel tempo, gli scienziati che cercavano di comprendere la biologia della malattia mentale stavano principalmente cercando mutazioni genetiche che si erano verificate vicino al momento del concepimento e quindi si riflettevano in tutte le cellule di una persona. Erano emersi indizi allettanti sul fatto che un singolo gene potesse essere responsabile di determinate condizioni. Nel 1970, ad esempio, si scoprì che un adolescente scozzese con un comportamento irregolare aveva una regione genetica rotta e si scoprì che i suoi parenti con malattie mentali mostravano la stessa anomalia. Ci sono voluti tre decenni per isolare l'errore, che i ricercatori hanno chiamato DISC1 (per la schizofrenia interrotta). Nonostante circa 1.000 articoli di ricerca pubblicati, la questione se il DISC1, o qualsiasi altro singolo gene, sia coinvolto nella schizofrenia rimane molto dibattuta . Una manciata di altri geni sono stati anche esaminati come possibili colpevoli e uno studio sull'intero genoma umano ha indicato più di 120 luoghi diversi dove le mutazioni sembravano aumentare il rischio della malattia. Ma dopo questa vasta ricerca di un gene della schizofrenia, nessun singolo gene o mutazione studiato finora sembra esercitare un'influenza abbastanza grande da essere vista come una causa definitiva, nemmeno DISC1.

In effetti, gli scienziati hanno lottato nella loro ricerca di geni specifici dietro la maggior parte dei disturbi cerebrali, inclusi l'autismo e il morbo di Alzheimer. A differenza dei problemi con alcune altre parti del nostro corpo, la stragrande maggioranza delle presentazioni di disturbi cerebrali non è collegata a un gene identificabile, afferma Chun, che ora è al Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute di La Jolla, in California.

Ma lo studio dell'UCSD ha suggerito un percorso diverso. E se non fosse un singolo gene difettoso, o anche una serie di geni, a causare sempre problemi cognitivi? E se potessero essere le differenze genetiche tra le cellule?

La spiegazione era sembrata inverosimile, ma più ricercatori hanno iniziato a prenderla sul serio. Gli scienziati sapevano già che gli 85-100 miliardi di neuroni nel cervello funzionano in una certa misura di concerto, ma quello che vogliono sapere è se c'è un rischio quando alcune di quelle cellule potrebbero cantare una melodia genetica diversa.

Abbandonare il dogma

McConnell, che ora ha 51 anni, ha trascorso gran parte della sua carriera cercando di rispondere a questa domanda. All'inizio sembra rilassato, con la sua corta barba da professore, gli occhiali squadrati e la leggera cadenza da surfista. Ma c'è anche un'intensità: sembra un po' una versione più giovane della star di Hollywood Liam Neeson, con occhi cupi e vivaci e una fronte corrugata. Dopo aver conseguito il dottorato, McConnell fece di nuovo le valigie e si trasferì a Boston per iniziare una posizione post-dottorato presso la Harvard Medical School. Ma era irrequieto. Non gli piaceva il clima più freddo e desiderava tornare in California e rivisitare i dati che aveva trovato lì sulle differenze genetiche nel cervello. Pensavo che il mosaicismo fosse la cosa più interessante su cui potevo lavorare, ricorda, spazzandosi le punte dei capelli castani dietro le orecchie, e un inverno di Boston mi ha fatto davvero mancare San Diego.

Ha iniziato a corrispondere con Rusty Gage, neuroscienziato presso il Salk Institute for Biological Studies di San Diego. Gage era anche interessato alla diversità genetica, ma era meglio conosciuto per aver spinto contro un altro dogma scientifico. La gente da tempo credeva che gli adulti non avessero mai creato nuovi neuroni, ma Gage aveva guidato un gruppo che alla fine degli anni '90 aveva pubblicato un articolo che descriveva in dettaglio le prove di cellule appena nate in una regione del cervello chiamata ippocampo.

La pubblicazione, che stabilisce le prove di quella che viene chiamata neurogenesi adulta, gli ha dato la reputazione di un anticonformista che non aveva paura di sostenere idee provocatorie.

Non molto tempo dopo che il team dell'UCSD ha pubblicato il suo articolo sul mosaicismo nel cervello, Gage si è imbattuto in un altro fenomeno che potrebbe spiegare come si forma la diversità genetica nel sistema nervoso.

Era già noto che le cellule avevano frammenti di DNA chiamati elementi nucleari lunghi intervallati, o LINE, che saltano attorno al genoma. Gage e i suoi colleghi hanno dimostrato che questi potrebbero anche far emergere i mosaici. In un esperimento, i topi progettati per trasportare elementi del DNA umano noti come LINE-1 hanno sviluppato cellule geneticamente diverse nei loro cervelli come risultato.

Proprio come con il suo lavoro sulla neurogenesi, Gage inizialmente ha incontrato scetticismo. L'idea che le LINEE, che molti consideravano DNA spazzatura, potessero causare diversità genetica nelle cellule cerebrali andava contro la saggezza prevalente. Sapevamo che saremmo finiti in una segheria, ricorda.

Ma Gage e i suoi collaboratori hanno continuato ad andare avanti per ulteriori prove. Dopo lo studio sui roditori, lui ei suoi compagni di squadra hanno esaminato il cervello umano. Quattro anni dopo, pubblicarono un'analisi dei campioni post mortem, che lo trovò I LINE-1 sembravano particolarmente attivi nei tessuti cerebrali umani .

McConnell era stato in corrispondenza con Gage su tutto questo, inclusa la variazione cromosomica che aveva trovato nei neuroni del topo mentre lavorava nel laboratorio di Chun. All'inizio del 2009, aveva ottenuto una borsa di studio con Gage al Salk Institute. Lì, hanno cercato prove dello stesso fenomeno nei neuroni umani e, dopo pochi anni, l'hanno trovata.

Come parte dell'esperimento, apparso su Science nel 2013, hanno utilizzato una nuova tecnologia chiamata sequenziamento del genoma unicellulare. La tecnica potrebbe isolare e leggere il DNA da individuale cellule; fino ad allora, gli scienziati erano stati in grado di analizzare il materiale genetico estratto solo da campioni cellulari riuniti.

Utilizzando i campioni di corteccia frontale post mortem di tre individui sani, hanno applicato il metodo a dozzine di neuroni e hanno stabilito che fino al 41% delle cellule aveva copie geniche mancanti o extra. Questa variazione era abbondante, hanno concluso e ha contribuito al mosaico delle differenze genetiche nel cervello.

Invece di essere geneticamente uniforme, si scopre che i nostri cervelli sono pieni di cambiamenti genetici. Abbiamo superato la storia sul fatto che si verifichi o meno, dice Gage. Questi eventi a mosaico si stanno verificando. Questo ricorda molto dov'ero con la neurogenesi adulta. Quando alla fine tutti hanno convenuto che fosse successo, abbiamo dovuto capire cosa faceva.

Ampliare la ricerca

Dopo aver pubblicato dati dal cervello umano, McConnell non sentiva di voler tornare a studiare i topi. Così, quando è arrivato il momento per lui di aprire il proprio laboratorio all'Università della Virginia, si è subito messo alla ricerca di campioni umani. Ho passato i primi tre anni come assistente professore cercando di trovare cervelli, ricorda.

Un paio d'anni dopo il suo sbarco in Virginia, la missione per comprendere la costellazione delle mutazioni nel cervello ha ricevuto un importante impulso. Il National Institute of Mental Health ha donato 30 milioni di dollari a un consorzio che includeva Gage, McConnell e altri in modo che potessero continuare a indagare sul mosaicismo somatico. (Somatico, dal greco per corpo, si riferisce alle mutazioni che sorgono durante la vita di una persona, piuttosto che negli spermatozoi o negli ovuli dei genitori dell'individuo.)

La rete conteneva gruppi di ricerca che esaminavano i diversi effetti dei mosaici genetici. Gage e McConnell facevano parte di un sottogruppo incentrato sul legame con la malattia psichiatrica. Hanno ideato un piano per cercare diversi meccanismi per il mosaicismo utilizzando lo stesso set di campioni cerebrali.

Fondamentalmente, hanno ottenuto umano campioni. Biopsie tissutali di cervelli post mortem di individui con schizofrenia sono state spedite da un deposito a Baltimora, il Lieber Institute for Brain Development, a ciascuna delle tre squadre.

Una parte di ciascuno è stata inviata al gruppo di Gage in California per essere esaminata alla ricerca di LINE-1 che potrebbero aver causato variazioni genetiche a mosaico. Un'altra parte è stata inviata al team di McConnell in Virginia per cercare i mosaici genetici causati dal DNA cancellato o duplicato nel genoma.

Il restante terzo di ogni campione è andato a un altro laboratorio, guidato da John Moran presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor, che stava studiando se le cellule che acquisiscono piccoli errori di sequenza del DNA molto presto nello sviluppo potessero seminare la formazione di grandi regioni cerebrali con il stessa mutazione.

C'è un elenco crescente di condizioni cerebrali in cui il mosaicismo sembra davvero avere un ruolo. Ha 'raggiunto la prova per autismo, epilessia e disturbi della crescita eccessiva del cervello', afferma McConnell.

Questo gennaio, un folto gruppo di scienziati, inclusi i membri del consorzio, ha pubblicato un articolo su Nature Neuroscience in cui descriveva come utilizzavano l'apprendimento automatico per analizzare i dati sulle cellule cerebrali post mortem da diverse persone che avevano avuto la schizofrenia. I ricercatori hanno suggerito che le LINE iniziano a mutare attivamente il DNA cerebrale all'inizio dello sviluppo fetale e hanno trovato casi in cui le LINE-1 avevano bombardato almeno due regioni geniche legate a disturbi neuropsichiatrici.

McConnell si aspetta che questo tipo di scoperte acceleri. Dice che i grandi miglioramenti nel sequenziamento genetico negli ultimi anni ora consentono agli scienziati di rilevare gli errori del DNA a livello di singola cellula molto più rapidamente. Un paio di anni fa quattro membri del laboratorio del team di McConnell impiegavano due settimane per sequenziare individualmente 300 cellule cerebrali. Oggi, un membro del team che lavora da solo può eseguire il sequenziamento a cella singola su 2.000 celle in tre giorni. È stato un punto di svolta, dice.

Ma trovare le mutazioni non è lo stesso che stabilire un nesso causale tra esse e la malattia. La natura sporadica e variabile delle mutazioni del mosaico rende il collegarle definitivamente alla malattia un'impresa complicata. I colleghi lo hanno messo in guardia dall'inseguire i mulini a vento in una ricerca descritta dallo stesso McConnell come un po' donchisciottesco.

Acque inesplorate

La ricerca per capire come le mutazioni genetiche a mosaico potrebbero influenzare le malattie psichiatriche risale a molto più indietro rispetto al lavoro di scienziati come McConnell. Osserva che decenni fa le persone trovavano strane anomalie cromosomiche nelle malattie psichiatriche, in gran parte nei prelievi di sangue.

Ma se guardi a quella storia, vedrai che coloro che indagano sul ruolo dei pattern genetici a mosaico nella salute mentale hanno avuto false partenze. Uno dei primi casi clinici è emerso decenni fa: nella primavera del 1959, una donna di 19 anni nel sud dell'Inghilterra iniziò a togliere la carta dalle pareti della sua stanza appena decorata. Un mese dopo, ha bruciato tutti i suoi vestiti ed è scappata nella cittadina balneare di Brighton. Il suo comportamento irregolare si è intensificato al punto che è stata ricoverata in un ospedale psichiatrico, dove i medici le hanno diagnosticato la schizofrenia. Hanno esaminato il suo sangue e cercato i 46 fasci di cromosomi avvolti all'interno di ciascuna cellula. Ciò che hanno trovato li ha sorpresi: a circa un quinto delle sue cellule mancava uno dei due cromosomi X che le donne normalmente portano. I medici della donna non erano sicuri se il suo mosaicismo fosse un fattore nel suo disturbo psichiatrico. Ci sono una manciata di altri casi di donne a cui, come la paziente britannica, mancava la seconda X in alcune cellule e che avevano anche la schizofrenia. Ma il collegamento rimane pura speculazione.

Anche se è ancora troppo presto per dire in che modo le mutazioni genetiche a mosaico nel cervello potrebbero influenzare la schizofrenia, c'è un elenco crescente di condizioni cerebrali in cui il mosaicismo sembra davvero avere un ruolo. Ad esempio, uno studio fondamentale del 2012 del genetista di Harvard Christopher Walsh e dei suoi colleghi ha scoperto prove che le mutazioni somatiche erano la causa principale di alcune forme di epilessia.

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Forse la maggior quantità di dati sui mosaici genici, e quindi l'area di sviluppo più promettente, viene generata dagli studi sull'autismo. Vari gruppi di ricerca, incluso quello di Walsh, hanno trovato prove che ben il 5% dei bambini con disturbo dello spettro autistico ha una mutazione del mosaico potenzialmente dannosa. Più recentemente, a gennaio, Walsh, insieme a membri del consorzio come Rusty Gage, ha pubblicato uno studio scoprire le prove che alcuni tipi di mutazioni insorgono più comunemente nelle persone con autismo. Hanno esaminato i campioni di cervello post mortem di 59 persone con autismo e 15 individui neurotipici per il confronto e hanno scoperto che quelli del primo gruppo avevano un numero inaspettatamente alto di mutazioni somatiche nelle regioni genetiche chiamate potenziatori. Queste regioni aiutano a stimolare la produzione di geni, il che ha portato i ricercatori a ipotizzare che le mutazioni del mosaico potrebbero aumentare il rischio di una persona di sviluppare l'autismo.

E anche se non si pensa che le cellule cerebrali si dividano attivamente come le cellule di altri tessuti, sembrano svilupparsi in più di un mosaico genetico con l'età. Nel 2018, il team guidato da Walsh ha analizzato i neuroni prelevati dal cervello di 15 persone di età compresa tra quattro mesi e 82 anni, oltre a nove persone con disturbi legati all'invecchiamento precoce. Hanno concluso che i cambiamenti somatici nel DNA che creano un mosaico si accumulano lentamente ma inesorabilmente con l'età nel cervello umano normale . Un nuovo studio del gruppo di Walsh, ancora in fase di revisione tra pari, suggerisce che mentre i neuroni umani iniziano con centinaia di tali mutazioni in ogni genoma, le mutazioni continuano a svilupparsi a una velocità fino a 25 all'anno per tutta la vita. Su questa base, lui e i suoi compagni di squadra hanno calcolato che i neuroni negli individui anziani contengono tra le 1.500 e le 2.500 mutazioni per cellula. Pensiamo che questo sia un nuovo modo chiave di guardare all'invecchiamento e alle forme comuni di neurodegenerazione come il morbo di Alzheimer, dice Walsh.

Scienziati britannici alla ricerca specifica di varianti somatiche nei geni associati a disturbi neurodegenerativi come il Parkinson e l'Alzheimer suggeriscono che l'adulto medio ne abbia da 100.000 a 1 milione cellule cerebrali con geni patologicamente mutati . Il passo successivo è capire se e come queste mutazioni esercitano effettivamente un'influenza.

Identificare il legame tra i mosaici nel cervello e le varie condizioni mediche non significa solo spiegare come si verificano queste malattie, tuttavia. Una delle speranze più grandi è che possa aiutare a inaugurare nuovi approcci terapeutici. Questo sta già accadendo con una condizione, una forma spesso non curabile di epilessia nota come displasia corticale focale. Il cervello delle persone con questo disturbo ha punti rivelatori di strati di tessuto disorganizzati e i pazienti a volte vengono sottoposti a un intervento chirurgico per rimuovere queste aree cerebrali nella speranza di ridurre le loro convulsioni.

Uno studio pubblicato nel 2018 dai ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology ha scoperto mutazioni a mosaico in queste macchie cerebrali anormali che sovrastimolavano alcune vie di segnalazione cellulare. Farmaci che frenano questa iperattività, chiamati inibitori di mTOR, valgono un colpo , secondo gli scienziati.

Penso che siano acque in gran parte inesplorate, dice Orrin Devinsky, chi sta conducendo una prova pilota per un farmaco per il trattamento della displasia corticale focale presso il Langone Medical Center della New York University. Ci sono alcune aree in cui abbiamo fatto veri progressi... ma penso che con un campo più ampio il terreno sia stato appena toccato.

Sull'orlo

A vent'anni dal suo inizio, Mike McConnell rimane affascinato come sempre dalla domanda su come le mutazioni genetiche acquisite dopo il concepimento o la nascita possano modellare il nostro comportamento. Il mio interesse è diventato davvero: cosa rende i valori anomali? dice, con il tono californiano che ha portato con sé sulla costa orientale. Cosa rende due gemelli identici persone totalmente diverse?

In tutto questo tempo, molto è cambiato. Si è sposato e si è sistemato, ha vinto premi da artisti del calibro della National Academy of Medicine degli Stati Uniti e non è più uno studente laureato indigente. Di recente ha cambiato di nuovo costa, trasferendo il suo laboratorio al Lieber Institute, che ospita oltre 3.000 cervelli, uno dei collezioni più grandi .

E pensa che siamo sull'orlo di una svolta.

Anche se i legami tra mutazioni e condizioni mentali non sono conclusivi, gli scienziati del settore ora sentono di aver accumulato una miniera di dati per dimostrare che avere cellule geneticamente diverse può sicuramente influenzare la nostra salute. Il mosaicismo somatico cerebrale ha raggiunto la prova per autismo, epilessia e disturbi della crescita eccessiva del cervello, dice McConnell.

L'evidenza, nel frattempo, continua ad accumularsi che molte persone hanno un cervello significativamente mosaico. Un'analisi del 2018 suggerisce che circa 1 persona su 100 ha deleteria differenza genetica a mosaico che colpisce vaste regioni del cervello. In altre parole, hanno una sezione di cellule cerebrali che possiede una mutazione che non si vede nelle cellule circostanti. Tuttavia, mentre ci sono prove sempre più solide che i modelli genetici a mosaico nel cervello contribuiscano all'epilessia e all'autismo, non ci sono ancora dati sufficienti per implicarli nella schizofrenia.

McConnell ha mantenuto la fede che lo studio del cervello umano rivelerà se qualche sapore di mutazioni del mosaico contribuisce anche a quella malattia, mutazioni che potrebbero indicare nuove cure. O avrò un momento eureka, o questo è solo qualcosa che accade e non c'è un chiaro collegamento con la malattia, dice. Sempre ottimista, spera di riuscire dove altri hanno fallito smistando la marea di dati genetici che si riversano sulle cellule cerebrali che sta analizzando. Se c'è un segnale lì, dice, penso che ne vedrò un accenno nel prossimo anno.

Roxanne Khamsi è un giornalista scientifico con sede a Montreal. Questa storia è stata supportata da una sovvenzione di segnalazione attraverso il Borsa di studio di giornalismo di genetica e agenzia umana .

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