Una mappa nel tempo: tracciare la malattia di Huntington dalla nascita nel cervello

Un nuovo studio su modelli murini rivela come la malattia di Huntington (MH) interrompe lo sviluppo del cervello nel tempo, anche molto prima che compaiano i sintomi. Utilizzando strumenti di sequenziamento avanzati e la trascrittomica spaziale, una tecnica che mappa dove i geni vengono attivati nel cervello, i ricercatori hanno scoperto segnali di allarme precoci che potrebbero aiutare a spiegare perché alcune cellule cerebrali sono più vulnerabili di altre nella MH.

Perché è importante

Sappiamo che la MH è causata da una ripetizione di lettere genetiche che compongono C-A-G nel gene dell’huntingtina. Le persone che non svilupperanno la MH hanno 35 o meno CAG, mentre le persone che svilupperanno la MH ne hanno 36 o più.

E mentre ogni cellula porta con sé questo errore di ortografia genetica, alcune cellule cerebrali sono colpite molto più duramente, causando la loro morte precoce. Ciò che ancora non comprendiamo appieno è perché queste cellule sono più vulnerabili, o cosa potrebbe accadere silenziosamente nel cervello molto prima che compaiano i sintomi per renderle più vulnerabili.

In un nuovo studio, guidato dalla Dott.ssa Leslie Thompson e dalla Dott.ssa Mara Burns presso l’Università della California Irvine, il team si è immerso in questo mistero. Hanno utilizzato una potente combinazione di tecniche chiamate “trascrittomica spaziale” e “sequenziamento a singola cellula”.

La trascrittomica spaziale sembra complicata (e lo è!), ma il suo nome ci dà indizi su cosa fa. Mappa spazialmente i trascritti, o i brevi messaggi genetici creati dal DNA prima che si trasformino in proteine, su un campione di cervello. Quindi può essere utilizzata per mostrare dove si trovano i messaggi genetici su un’immagine del cervello. I ricercatori hanno utilizzato questa tecnica per mappare i cambiamenti durante la vita di topi che modellano la MH.

Il sequenziamento a singola cellula esamina i messaggi genetici all’interno di un campione in ogni singola cellula. Entrambe queste tecniche forniscono una grande quantità di dati e aiutano a creare una mappa dettagliata di ciò che sta succedendo all’interno del cervello a causa della MH.

È interessante notare che hanno trovato alcune sorprese! Il loro lavoro suggerisce che i cambiamenti nell’attività genica iniziano dalla nascita e si evolvono in modo specifico per tipo di cellula e regione, colpendo in particolare lo striato (regione centrale del cervello che controlla il movimento, la motivazione e l’emozione) e la corteccia (parte esterna rugosa che controlla cose come la percezione, il movimento e la pianificazione). Queste due regioni del cervello sono fortemente colpite dalla MH. Sapere di più su quando e come avvengono i cambiamenti in queste regioni del cervello può aiutarci a capire il mistero della vulnerabilità selettiva nella MH.

Le zone vulnerabili del cervello con MH: striato e corteccia

Sappiamo che la MH non colpisce tutte le cellule cerebrali allo stesso modo. Alcuni tipi di cellule, come le cellule gliali che lavorano per supportare i neuroni, non sono vulnerabili alla morte nello stesso modo in cui lo sono i neuroni.

Ma anche i neuroni stessi sono selettivamente vulnerabili. Alcuni tipi sono particolarmente vulnerabili alla morte, mentre altri rimangono sorprendentemente resistenti, anche nelle fasi avanzate. Tra i più colpiti ci sono i neuroni spinosi medi (MSN), che costituiscono la maggior parte dello striato, una regione del cervello fondamentale per il coordinamento del movimento, della motivazione e dell’apprendimento.

Gli MSN sono “stazioni di collegamento” critiche nel circuito del cervello, che trasmettono segnali di dopamina e regolano con precisione il controllo motorio. Nella MH, questi neuroni sono tra i primi a mostrare alterazioni della funzione e alla fine muoiono. Il nuovo studio mostra che anche nei topi neonati con MH, gli MSN iniziano a mostrare un’attivazione genica anomala, compresi livelli aumentati di geni di identità come Drd1 e Tac1, che in seguito diminuiscono. Ciò suggerisce che le cellule potrebbero “ipercompensare” all’inizio prima di crollare.

Nel frattempo, nella corteccia, un’altra regione del cervello che governa il pensiero superiore e il processo decisionale, i ricercatori hanno trovato una ridotta espressione di Tcf4, un hub genetico chiave importante per lo sviluppo dei neuroni. Questi cambiamenti corticali iniziano precocemente e persistono durante la progressione della malattia, suggerendo che la MH possa anche interrompere sottilmente il modo in cui la corteccia matura.

Una nuova era della mappatura del cervello

Fino a poco tempo fa, se volevamo sapere quali geni venivano attivati in modo diverso dalla MH, la maggior parte degli studi si basava su un metodo chiamato “sequenziamento dell’RNA in blocco”. Questa tecnica è potente, ma ha un grande svantaggio: per misurare quali geni sono accesi, gli scienziati devono prima macinare il tessuto cerebrale. Ciò significa che i messaggi genetici di tutti i tipi di cellule nel campione – neuroni vulnerabili e resistenti, glia e persino cellule dei vasi sanguigni – vengono mescolati insieme.

Il sequenziamento dell’RNA in blocco è un po’ come prendere tutte le conversazioni in una città, registrarle contemporaneamente e mescolarle in un’unica traccia audio. Sentirai il rumore generale, ma non puoi dire se proviene da un insegnante in una classe, da un artista di strada o da un bambino in un parco giochi. Per aggirare questo problema, i ricercatori in questo studio hanno utilizzato due nuovi approcci:

• Trascrittomica spaziale: Questo metodo è un grande passo avanti perché misura l’attività genica mantenendo intatte le fette di tessuto. È come scattare una foto a volo d’uccello del cervello con macchie colorate che mostrano quali quartieri sono “rumorosi” o “silenziosi” nella loro attività genetica. La risoluzione non cattura i segnali da ogni singola cellula, ma può farlo da gruppi di dozzine di cellule. Fondamentalmente, preserva le informazioni sul “dove” che i metodi in blocco cancellano.
• Sequenziamento dell’RNA a singolo nucleo (aka, snRNA-seq): Qui, gli scienziati ingrandiscono molto più da vicino. Invece di lavorare con intere fette di cervello, isolano le singole cellule e leggono la loro attività genetica una per una. Questo rivela chi sta parlando nella città del cervello – neuroni, astrociti, microglia o oligodendrociti – e cosa sta dicendo ogni tipo di cellula. Ma lo svantaggio è che questo metodo perde il contesto spaziale: sai chi sta parlando, ma non dove si trova nella città.

Combinando questi due metodi su una linea temporale della vita del topo con MH, il team ha ottenuto il meglio di entrambi i mondi: il “dove” dalla trascrittomica spaziale e il “chi” dal sequenziamento a singola cellula. Ciò ha permesso loro di costruire una mappa spaziale nel tempo di come si sviluppa la MH. Con essa, hanno collegato i cambiamenti genici a specifici tipi di cellule e regioni del cervello in tre fasi: nascita, sintomi precoci e malattia avanzata. Questo approccio offre più sfumature rispetto alle tecniche precedenti e apre nuove possibilità per la comprensione di malattie complesse, come la MH.

Risultati chiave

• Riorganizzazione fin dall’inizio: Anche alla nascita, i topi con MH mostrano già un’attività genica alterata. Nello striato, i geni mitocondriali (quelli che controllano la produzione di energia) sono stati interrotti. Nella corteccia, un gene chiamato Tcf4, cruciale per lo sviluppo del cervello, è stato ridotto. Questo può influenzare il modo in cui i neuroni corticali si organizzano e si connettono.
• Cambiamenti nel tempo: Gli MSN hanno mostrato aumenti precoci nei geni di identità che aiutano a definire questo specifico tipo di neurone. Nel tempo, questa tendenza sembra cambiare e i livelli dei geni di identità diminuiscono. I ricercatori hanno identificato altri cambiamenti che potrebbero contribuire alla compromissione degli MSN, come i deficit mitocondriali, che sembrano avere origine nello striato prima dell’insorgenza dei sintomi evidenti e diffondersi ad altre regioni del cervello.
• Interruzione della comunicazione: Esaminando le vie di segnalazione cellula-cellula, il team ha trovato cambiamenti dipendenti dal tempo nella segnalazione del neuropeptide Y (NPY), che può essere coinvolto nel bilanciamento dell’uso di energia e della salute dei neuroni.

Guardando avanti: nuovi percorsi per la comprensione e l’intervento

Questo studio non fornisce solo un’istantanea del cervello con MH, offre una mappa time-lapse di come le cose cambiano con l’avanzare della MH. Combinando i dati spaziali e a singola cellula, mostra la prima influenza di Huntington, forse iniziando già alla nascita e costruendo lentamente nel tempo.

È importante notare, tuttavia, che anche i cambiamenti identificati alla nascita non significano che il cervello non possa compensare. Chiaramente può! Le persone con il gene per la MH generalmente vivono vite completamente sane per decenni. Ciò che potrebbe significare è che questi primi, sottili cambiamenti possono predisporre queste cellule alla sensibilità in seguito, rendendole più vulnerabili alla morte. Quindi, mentre possono respingere gli insulti molecolari nel corso di quei decenni, nel tempo diventa troppo.

Queste intuizioni offrono diversi spunti per la comunità MH:

• Tempistica terapeutica: Se i primi cambiamenti genici contribuiscono alla vulnerabilità, i trattamenti volti a stabilizzare lo sviluppo del cervello potrebbero essere preziosi, anche prima che compaiano i sintomi.
• Strategie mirate: Comprendere quali cellule cambiano per prime e come, potrebbe aiutare a sviluppare terapie più precise. Alcuni cambiamenti possono iniziare precocemente, ma sono bilanciati dai meccanismi di compensazione del cervello stesso. Studiare queste difese naturali potrebbe rivelare nuovi modi per reagire fin dall’inizio.
• Sviluppo di biomarcatori: Schemi come lo stress mitocondriale o la sottoregolazione di Tcf4 possono un giorno aiutare a identificare l’insorgenza della malattia in modo più accurato.

Ancora più importante, questo lavoro evidenzia la crescente importanza degli strumenti di mappatura del cervello big-data, aiutando i ricercatori a superare le medie di massa per comprendere veramente cosa sta succedendo nelle singole cellule, nel tessuto reale, nel tempo. Mentre questo studio è stato fatto in un modello murino, pone le basi cruciali per la comprensione delle prime increspature molecolari della MH nel cervello umano e come potremmo un giorno intervenire prima che la mappa cambi.

Riepilogo

• Strumenti di mappatura avanzati: La combinazione di trascrittomica spaziale e sequenziamento a singola cellula rivela sia dove che quali cellule sono alterate nella MH.
• Inizi precoci: I cambiamenti nell’attività genica iniziano dalla nascita nei topi con MH, in particolare nello striato e nella corteccia, le regioni più colpite del cervello.
• Cambiamenti dinamici nel tempo: I neuroni nelle regioni vulnerabili mostrano una sovra-attivazione precoce dei geni di identità che in seguito diminuiscono con il progredire della malattia.
• Errori di energia e comunicazione: Le vie di segnalazione mitocondriale e del neuropeptide sono interrotte, influenzando la salute dei neuroni.
• Un progetto per l’intervento precoce: Questi risultati evidenziano che i cambiamenti sottili e precoci nella vita possono plasmare la successiva vulnerabilità, guidando le future strategie di prevenzione e terapia.

Per saperne di più

Articolo di ricerca originale, “Distinct molecular patterns in R6/2 HD mouse brain: Insights from spatiotemporal transcriptomics” (accesso aperto).