• Tony Luong

Quanto le mutazioni genetiche del cervello cambiano la salute mentale?

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

di Roxanne Khamsi 08-09-21
Quando Mike McConnell ha deciso quale sarebbe dovuta essere la sua carriera, aveva 29 anni e era al verde. Aveva imparato durante le lezioni di biologia che le cellule immunitarie nel corpo riorganizzano costantemente il proprio DNA in modo da proteggerci, creando recettori adatti a legarsi agli agenti patogeni invasivi. 

Dopo aver conseguito un master in immunologia in Virginia alla fine degli anni 1990, si trovava spesso a pensare al comportamento del DNA. “Improvvisamente mi scattò un’idea", ricorda McConnell. “Se il riarrangiamento genico aiuta le difese del sistema immunitario, questa situazione potrebbe verificarsi anche in altri casi? E il cervello? "Non sarebbe bello se anche i neuroni facessero qualcosa del genere?".

All'epoca, la maggior parte degli scienziati presumeva che le cellule del normale sistema nervoso avessero genomi identici. Ma McConnell, esaminando la letteratura scientifica, scoprì di non essere l'unico a farsi questa domanda: un neuroscienziato di nome Jerold Chun dell'Università della California, a San Diego, ci stava già lavorando. Scrisse a Chun e ricevette un invito nel suo laboratorio sulla costa occidentale. C'era solo un problema: McConnell non poteva permettersi di arrivarci. Non avevo nessuno che poteva aiutarmi", spiega. Chun gli diede 1.000 dollari per riparare l'automobile rotta e raggiungerlo. 

Usando speciali coloranti per colorare i cromosomi dei neuroni di embrioni di topo e topi adulti, McConnell sperava di scoprire se i neuroni subivano lo stesso tipo di riarrangiamento genetico visto nelle cellule immunitarie, introducendo diversità invece di produrre le copie perfette che la maggior parte dei ricercatori si sarebbe aspettata. Sorprendentemente, si trovò davanti cellule cerebrali con il numero sbagliato di cromosomi.

Di norma, quando le cellule si dividono, replicano il loro DNA per le loro cellule figlie. A volte le copie dei geni vengono aggiunte o perse accidentalmente, il che, a differenza del rimescolamento all'interno dei cromosomi che è benefico nel sistema immunitario, si pensava fosse un errore estremamente dannoso. Non aveva senso che i neuroni potessero sopravvivere a un cambiamento così importante nel loro materiale genetico. 

Ma McConnell continuava a trovare neuroni anomali con cromosomi in più o mancanti. Alla fine dovette riconsiderare i presupposti scientifici. Gli esperimenti del team dell'UCSD, pubblicati nel 2001, hanno mostrato che il sistema nervoso centrale degli embrioni di topo in via di sviluppo non conteneva copie genetiche perfette. Invece, hanno suggerito i ricercatori, circa un terzo dei neuroni di ciascun embrione di topo, in media, aveva perso un cromosoma o ne aveva guadagnato uno. Il risultato è stato quello che è noto come un "mosaico genetico". 

Mentre molte di quelle cellule non sono sopravvissute, alcune sono arrivate 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, era un primo indizio che la nozione convenzionale di cellule cerebrali geneticamente identiche fosse sbagliata.

A quel tempo, gli scienziati che cercavano di capire la biologia della malattia mentale erano principalmente alla ricerca di mutazioni genetiche che si erano verificate vicino al momento in cui si erano originate e quindi si erano riflesse in tutte le cellule di una persona. Erano emersi indizi allettanti che un singolo gene avrebbe potuto essere responsabile di determinate condizioni. Nel 1970, per esempio, si scoprì che un adolescente scozzese con un comportamento anomalo aveva una regione genetica danneggiata e ci si rese conto 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 (una proteina di ancoraggio). Nonostante circa 1.000 articoli di ricerca pubblicati, la questione se 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 in cui le mutazioni sembravano aumentare il rischio della malattia. Ma dopo questa vasta ricerca di un "gene della schizofrenia", nessun singolo gene o mutazione finora presi in considerazione sembrano esercitare un'influenza abbastanza grande da essere vista come una causa definitiva. 

In effetti, gli scienziati hanno lottato nella loro ricerca di geni specifici dietro la maggior parte dei disturbi cerebrali, tra cui l'autismo e il morbo di Alzheimer. A differenza dei problemi con altre parti del nostro corpo, "la stragrande maggioranza delle presentazioni di disturbi cerebrali non è collegata a un gene identificabile", afferma Chun, che ora si trova 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 stato 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 lavorano in una certa misura di concerto, ma quello che volevano sapere è se c'è un rischio quando alcune di quelle cellule presentano una melodia genetica diversa.

Il dogma viene messo in crisi

McConnell, che ora ha 51 anni, ha trascorso la maggior parte della sua carriera cercando di rispondere a questa domanda. Sembra rilassato, all'inizio, con la sua corta barba professorale, gli occhiali quadrati e la leggera cadenza da surfista. Ma l’espressione è intensa: assomiglia in parte a una versione più giovane della star di Hollywood Liam Neeson, con occhi cupi e vivaci e una fronte corrugata. Dopo aver conseguito il dottorato di ricerca, McConnell fece di nuovo le valigie e si trasferì a Boston per cominciare un post-dottorato presso la Harvard Medical School. 

Ma era irrequieto. Non gli piaceva il clima più freddo e desiderava tornare in California e rielaborare i dati che aveva trovato sulle differenze genetiche nel cervello. "Pensavo che il mosaicismo fosse la cosa più interessante su cui potevo lavorare", ricorda. Iniziò una corrispondenza con Rusty Gage, un neuroscienziato del Salk Institute for Biological Studies di San Diego. 

Anche Gage era interessato alla diversità genetica, ma era meglio conosciuto per aver messo in discussione un altro dogma scientifico. La gente pensava da tempo che gli adulti non producessero mai nuovi neuroni, ma Gage aveva pubblicato un documento alla fine degli anni 1990 che descriveva in dettaglio le prove di cellule appena nate in una regione del cervello chiamata ippocampo. 

La pubblicazione, che fornisce le prove di quella che viene chiamata neurogenesi adulta, gli ha fatto acquisire la reputazione di un anticonformista che non aveva paura di stare dietro a 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 avrebbe potuto spiegare come nasce la diversità genetica nel sistema nervoso. 

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

Proprio come con il suo lavoro sulla neurogenesi, Gage inizialmente incontrò lo scetticismo. L'idea che i LINE - che molti consideravano DNA "spazzatura" - potessero causare diversità genetica nelle cellule cerebrali andava contro il credo prevalente. Ma Gage e i suoi collaboratori continuarono ad andare avanti per ulteriori prove. Dopo lo studio sui roditori, lui e il suo team hanno esaminato il cervello umano. Quattro anni dopo, hanno pubblicato un'analisi dei campioni post mortem, in cui si è scoperto che i LINE-1 sembravano particolarmente attivi nei tessuti cerebrali umani.
 
McConnell era stato costantemente in corrispondenza con Gage e si erano confrontati anche sulla variazione cromosomica che aveva trovato nei neuroni di topo mentre lavorava nel laboratorio di Chun. All'inizio del 2009, si era assicurato una borsa di studio con Gage al Salk Institute. In quella sede, cercarono prove dello stesso fenomeno nei neuroni umani e dopo pochi anni la trovarono. 

Come parte dell'esperimento, apparso su “Science” nel 2013, utilizzarono una nuova tecnologia chiamata sequenziamento del genoma a cellula singola. La tecnica poteva isolare e leggere il DNA dalle singole cellule; fino ad allora, gli scienziati erano stati in grado di analizzare solo il materiale genetico estratto da campioni di cellule in pool.  Usando i campioni di corteccia frontale postmortem di tre individui sani, applicarono il metodo a decine di neuroni e stabilirono che fino al 41 per cento delle cellule aveva copie del gene mancanti o extra. A loro parere, questa variazione era “abbondante” e contribuiva al mosaico delle differenze genetiche nel cervello. 

Invece di essere geneticamente uniformi, appariva evidente che il nostro cervello è pieno di cambiamenti genetici. "Abbiamo superato le incertezze sul fatto che si verifichi o meno", afferma Gage. “Questi eventi mosaico sono reali. La situazione mi ricordava molto il punto in cui mi ero trovato con la neurogenesi adulta. Quando tutti alla fine hanno concordato che era vera e si doveva scoprire come funzionava".

La ricerca si allarga sempre più

Dopo aver pubblicato i dati sul cervello umano, McConnell non voleva tornare a studiare i topi. Quindi, quando arrivò il momento per lui di creare il suo laboratorio presso l'Università della Virginia, si mise subito alla ricerca di campioni umani. Due anni dopo, la sua ricerca ebbe un importante impulso dal National Institute of Mental Health che donò 30 milioni di dollari a un consorzio che includeva Gage, McConnell e altri in modo che potessero continuare a indagare sul mosaicismo somatico (con riferimento a mutazioni che insorgono durante la vita di una persona, piuttosto che negli spermatozoi o nelle cellule uovo dei genitori dell'individuo).

Il consorzio conteneva gruppi di ricerca che esaminavano i diversi effetti dei mosaici genetici. Gage e McConnell facevano parte di un sottoinsieme incentrato sul legame con la malattia psichiatrica. Idearono un piano per cercare diversi meccanismi per il mosaicismo, utilizzando lo stesso set di campioni di cervello. Fondamentalmente, ottennero campioni umani. Biopsie tissutali di cervelli post mortem di individui con schizofrenia vennero spedite da un deposito a Baltimora, il Lieber Institute for Brain Development, a ciascuna delle tre squadre. 

Una parte venne inviata al gruppo di Gage in California per essere esaminata alla ricerca di LINE-1 che avrebbero potuto causare variazioni genetiche a mosaico. Un'altra parte venne recapitata al team di McConnell in Virginia per cercare mosaici genetici causati da DNA cancellato o duplicato nel genoma.  Il restante terzo venne destinato a un altro laboratorio, guidato da John Moran dell'Università del Michigan, ad Ann Arbor, che stava studiando se le cellule che acquisiscono piccoli errori di sequenza del DNA molto presto nello sviluppo avrebbero potuto dare origine alla formazione di grandi aree del cervello con la stessa mutazione. 

Questo gennaio, un folto gruppo di scienziati, inclusi i membri del consorzio, ha pubblicato un articolo su “Nature Neuroscience” in cui si descrive come hanno utilizzato l'apprendimento automatico per analizzare i dati sulle cellule cerebrali postmortem di diverse persone che avevano avuto la schizofrenia. I ricercatori hanno suggerito che i LINE iniziano a mutare attivamente il DNA cerebrale all'inizio dello sviluppo fetale e hanno trovato casi in cui i LINE-1 hanno 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 di una singola cellula su 2.000 cellule in tre giorni.

Ma trovare mutazioni non è lo stesso che stabilire un nesso causale tra loro e la malattia. La natura sporadica e variabile delle mutazioni a mosaico rende il collegamento definitivo alla malattia un'impresa complicata. I colleghi lo hanno messo in guardia contro i mulini a vento in una ricerca che lo stesso McConnell descrive come "un po' donchisciottesca".  

Acque inesplorate

La ricerca per capire come le mutazioni genetiche del mosaico potrebbero influenzare la malattia psichiatrica si estende molto più indietro rispetto al lavoro di scienziati come McConnell. Decenni fa "le persone trovavano strane anomalie cromosomiche nelle malattie psichiatriche, in gran parte nei prelievi di sangue". Ma se si guarda alla storia, si vedrà che coloro che indagano sul ruolo dei modelli genetici a mosaico nella salute mentale hanno avuto false partenze. Uno dei primi casi clinici emerse 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, bruciò tutti i suoi vestiti e scappò nella città balneare di Brighton. 

Il suo comportamento irregolare si intensificò al punto che venne ricoverata in un ospedale psichiatrico, dove i medici le diagnosticarono la schizofrenia. Esaminarono il suo sangue e cercarono i 46 fasci di cromosomi avvolti all'interno di ogni cellula. Quello che scoprirono li sorprese: a circa un quinto delle sue cellule mancava uno dei due cromosomi X che normalmente le donne possiedono. I medici della donna non erano sicuri che il suo mosaicismo giocasse un ruolo 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 a loro volta la schizofrenia. Ma il collegamento rimane pura speculazione.

Anche se è ancora troppo presto per dire come le mutazioni del gene del mosaico nel cervello possano influenzare la schizofrenia, c'è un elenco crescente di condizioni cerebrali in cui il mosaicismo sembra davvero avere un ruolo. Per 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.

Forse la maggior quantità di dati sui mosaici genici, e quindi l'area di sviluppo più promettente, è legata agli studi sull'autismo. Vari gruppi di ricerca, incluso quello di Walsh, hanno trovato prove che fino al 5 per cento dei bambini con disturbo dello spettro autistico hanno una mutazione del mosaico potenzialmente dannosa. Più di recente, a gennaio, Walsh, insieme a membri del consorzio come Rusty Gage, ha pubblicato uno studio contenente prove che certi tipi di mutazioni si presentano più comunemente nelle persone con autismo. 

Il team ha esaminato campioni di cervello post mortem di 59 persone con autismo e 15 individui neurotipici per il confronto, e ha 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 a mosaico potrebbero aumentare il rischio di una persona di sviluppare l'autismo. 

Inoltre, anche se non si pensa che le cellule cerebrali si dividano attivamente come le cellule in altri tessuti, sembrano formare più di un mosaico genetico con l'avanzare dell'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, nonché 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 i neuroni umani iniziano con centinaia di tali mutazioni in ogni genoma per poi continuare a svilupparsi a un ritmo fino a 25 all'anno per tutta la vita. Su questa base, lui e il suo team 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 considerare l'invecchiamento e le forme comuni di neurodegenerazione come il morbo di Alzheimer", afferma Walsh.

Scienziati britannici che cercano specificamente varianti somatiche nei geni associati a disturbi neurodegenerativi come il Parkinson e l'Alzheimer sostengono che l'adulto medio ha da 100.000 a 1 milione di cellule cerebrali con geni patologicamente mutati. Il passo successivo è capire se e come tali mutazioni esercitano effettivamente un'influenza. 

Tuttavia, identificare il legame tra i mosaici cerebrali e le varie condizioni mediche non significa solo spiegare come insorgono queste malattie. Una delle più grandi speranze è che possa aiutare a inaugurare nuovi approcci terapeutici. Questo sta già accadendo con una condizione, una forma spesso incurabile di epilessia nota come displasia corticale focale. Il cervello degli individui con questo disturbo ha macchie rivelatrici di strati di tessuto disorganizzato e i pazienti a volte si sottopongono a un intervento chirurgico per rimuovere queste aree del cervello nella speranza di ridurre le loro convulsioni.

Uno studio pubblicato nel 2018 dai ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology ha trovato mutazioni a mosaico in queste macchie cerebrali anormali che hanno sovrastimolato determinati percorsi di segnalazione cellulare. Secondo gli scienziati, i farmaci che frenano questa iperattività, chiamati inibitori di mTOR, hanno una loro efficacia

"Penso che siano acque in gran parte inesplorate", afferma Orrin Devinsky, che sta conducendo una sperimentazione 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 dei veri progressi... ma penso che siamo appena agli inizi".

Sull'orlo di una svolta

Venti anni dopo aver iniziato, Mike McConnell è ancora affascinato dalla domanda su come le mutazioni genetiche acquisite dopo il concepimento o la nascita possano modellare il nostro comportamento. "Il mio interesse è ora: cosa rende i valori anomali?" dice, con il tono californiano che ha portato con sé dalla East Coast. "Cosa rende due gemelli identici persone totalmente diverse?" 

In tutto questo tempo, molto è cambiato. È sposato e si è sistemato, ha avuto riconoscimenti dalla National Academy of Medicine degli Stati Uniti. Recentemente ha cambiato nuovamente costa, spostando il suo laboratorio al Lieber Institute, che ospita nei suoi laboratori più di 3.000 cervelli, una delle più grandi collezioni al mondo. A suo parere, siamo sull'orlo di una svolta. 

Anche se i collegamenti tra mutazioni e condizioni mentali non sono conclusivi, gli scienziati del settore ora sentono di aver accumulato una quantità di dati per dimostrare che avere cellule geneticamente diverse può influenzare la nostra salute. "Il mosaicismo somatico del cervello è stato provato per l'autismo, l'epilessia e i disturbi della crescita eccessiva del cervello", afferma McConnell.

Uno studio del 2018 indica che circa 1 persona su 100 ha una deleteria differenza genetica a mosaico che colpisce "aree considerevoli del cervello". In altre parole, hanno una sezione di cellule cerebrali che possiedono una mutazione non osservata nelle cellule circostanti. Tuttavia, mentre ci sono prove sempre più solide che i modelli di geni a mosaico nel cervello contribuiscono all'epilessia e all'autismo, non ci sono ancora dati sufficienti per implicarli nella schizofrenia. 

McConnell è convinto che lo studio del cervello umano rivelerà se qualche tipo di mutazioni a mosaico contribuisce anche a quella malattia, mutazioni che potrebbero indicare nuovi trattamenti. Sempre ottimista, spera di riuscire dove altri hanno fallito ordinando il flusso di dati genetici che si riversano sulle cellule cerebrali che sta analizzando. "Se ho qualcosa in mano”, conclude, “penso che me ne renderò conto il prossimo anno". 

Roxanne Khamsi è una giornalista scientifica di Montreal. Questa storia è stata supportata da una borsa di studio della Genetics and Human Agency Journalism Fellowship.

(rp)

  • Mike McConnell. Noah Willman