Mini cervelli artificiali hanno permesso di rivelare le origini genetiche del disturbo dello spettro autistico (ASD) nascoste nel nostro cervello. Questa nuova tecnica, chiamata CHOOSE (che sta per CRISPR-human organoids-single-cell RNA sequencing), combina genetica elaborata e bioinformatica quantitativa per studiare le mutazioni di geni noti per essere ad alto rischio di autismo e come tali mutazioni portano a specifici cambiamenti cellulari nel cervello fetale.

Rispetto ad altre specie animali, il cervello umano, per svilupparsi, fa affidamento su processi unici per l’uomo, che consentono di costruire una corteccia stratificata e connessa in modo intricato. Questi processi rendono anche più probabili i disturbi dello sviluppo neurologico. Ad esempio, molti geni che conferiscono un alto rischio di sviluppare disturbi dello spettro autistico (ASD) sono cruciali per lo sviluppo della corteccia.

Sebbene gli studi clinici abbiano dimostrato la causalità tra molteplici mutazioni genetiche e l’autismo, i ricercatori ancora non capiscono come queste mutazioni portino a difetti dello sviluppo cerebrale – e a causa dell’unicità dello sviluppo del cervello umano, i modelli animali sono di utilità limitata.

"Solo un modello umano del cervello può ricapitolare la complessità e le particolarità del cervello umano", afferma il direttore scientifico dell'IMBA Jürgen Knoblich, uno degli autori corrispondenti dello studio.

Per aiutare ad aprire questa scatola nera, i ricercatori Jürgen Knoblich e Barbara Treutlein dell'IMBA e dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato una tecnica per esaminare un set completo di geni regolatori trascrizionali chiave legati all'autismo.

Questo lavoro ha un impatto particolarmente significativo poiché i geni di interesse possono essere esaminati simultaneamente all’interno di un singolo organoide a mosaico, segnando l’inizio di un’era di screening genetico intricato, efficiente e opportuno nei tessuti umani.

Nel sistema appena sviluppato, chiamato “CHOOSE”, ogni cellula dell’organoide porta al massimo una mutazione in uno specifico gene ASD. I ricercatori hanno potuto tracciare l'effetto di ciascuna mutazione a livello di singola cellula e mappare la traiettoria di sviluppo di ciascuna cellula.

"Possiamo vedere le conseguenze di ogni mutazione in un esperimento, riducendo così drasticamente i tempi 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 trarre vantaggio da un centinaio di anni di letteratura scientifica sui geni che causano malattie”.

Utilizzando il sistema CHOOSE, i ricercatori hanno evidenziato le mutazioni di 36 geni, noti per mettere i portatori ad alto rischio di autismo. Hanno identificato cambiamenti trascrizionali critici regolati attraverso reti comuni, chiamate “reti di regolamentazione genetica” o GRN. Una GRN è un insieme di regolatori molecolari che interagiscono tra loro per controllare una specifica funzione cellulare.

"Abbiamo dimostrato che alcuni tipi di cellule sono più suscettibili di altri durante lo sviluppo del cervello e identificato le reti più vulnerabili alle mutazioni dell'autismo", aggiunge. "Con questo approccio, abbiamo appreso che i geni che causano l'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. Ciò è vero al punto che la patologia dell'autismo potrebbe emergere già precocemente durante lo sviluppo del cervello. Ciò indica che alcuni tipi di cellule richiederanno maggiore attenzione in futuro quando si studieranno i geni dell’autismo”, afferma il primo e co-corrispondente autore dello studio Chong Li, un ricercatore post-dottorato nel gruppo Knoblich.

Per confermare se questi risultati sono rilevanti per i disturbi umani, i ricercatori hanno collaborato con medici dell’Università di Medicina di Vienna e hanno generato organoidi cerebrali da campioni di cellule staminali di due pazienti. Entrambi i pazienti avevano mutazioni nello stesso gene che causava l'autismo.

Fonte | Single-cell brain organoid screening identifies developmental defects in autism pubblicato su Nature il 13 settembre 2023