Badanie Uniwersytetu w Tel Awiwie ujawnia krytyczne spostrzeżenia na temat autyzmu spowodowanego mutacjami SHANK3 i wykazuje skuteczną naprawę genetyczną u chorych myszy, co sugeruje nowe możliwości leczenia ludzi.
Nowe badanie przeprowadzone na Uniwersytecie w Tel Awiwie dostarczyło nowego wglądu w mechanizm biologiczny leżący u podstaw autyzmu uwarunkowanego genetycznie, w szczególności mutacje w genach Trzon3 gen, który jest odpowiedzialny za prawie milion przypadków autyzmu na całym świecie. Wykorzystując te odkrycia, zespół badawczy zastosował terapię genetyczną, która poprawiła funkcję komórek dotkniętych mutacją, tworząc podstawę dla przyszłych terapii ukierunkowanych na autyzm związany z SHANK3.
Badanie, opublikowane niedawno w Postęp naukiprowadzone było przez laboratorium prof. Boaza Baraka i doktoranta Inbara Fischera z Sagol School of Neuroscience i School of Psychological Sciences na Uniwersytecie w Tel Awiwie, we współpracy z laboratoriami prof. Bena Maoza z Wydziału Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu w Tel Awiwie. Fleischmana z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu w Tel Awiwie oraz prof. Shani Stern z Katedry Neurobiologii Uniwersytetu w Hajfie.
Zbadanie genetycznych podstaw autyzmu
Prof. Barak: „Autyzm jest stosunkowo powszechnym zaburzeniem neurorozwojowym. Według aktualnych danych u 1-2% światowej populacji i u jednego na 36 chłopców w USA diagnozuje się zaburzenie ze spektrum autyzmu (ASD), a liczba ta z czasem rośnie. Autyzm jest spowodowany wieloma czynnikami – środowiskowymi, genetycznymi, a nawet społecznymi i kulturowymi (takimi jak wzrost wieku rodziców w chwili poczęcia).
„W moim laboratorium badamy genetyczne przyczyny autyzmu. Wśród nich mutacje w genie tzw Trzon3. Wpływ tych mutacji na funkcjonowanie neuronów mózgowych był szeroko badany i wiemy, że białko kodowane przez Trzon3 odgrywa centralną rolę w wiązaniu receptorów w neuronie, niezbędnych do odbierania sygnałów chemicznych (neuroprzekaźników i innych), za pomocą których neurony się komunikują. Zatem uszkodzenie tego genu może zakłócać przekazywanie wiadomości między neuronami, upośledzając rozwój i funkcjonowanie mózgu. W tym badaniu staraliśmy się rzucić światło na inne, nieznane wcześniej mechanizmy, dzięki którym mutacje w Trzon3 gen zakłóca rozwój mózgu, prowadząc do zaburzeń objawiających się autyzmem.”
W szczególności zespół badawczy skupił się na dwóch składnikach mózgu, które nie zostały jeszcze szczegółowo zbadane w tym kontekście: nieneuronalnych komórkach mózgowych (gleju), zwanych oligodendrocytami, oraz wytwarzanej przez nie mielinie. Tkanka mielinowa to warstwa tłuszczowa izolująca włókna nerwowe (aksony), podobna do warstwy izolacyjnej pokrywającej kable elektryczne. Kiedy mielina jest uszkodzona, sygnały elektryczne przesyłane przez aksony mogą wyciekać, zakłócając przekazywanie wiadomości między obszarami mózgu i upośledzając jego funkcjonowanie.
Spostrzeżenia z genetycznie zmodyfikowanego modelu myszy
Zespół wykorzystał genetycznie zmodyfikowany mysi model autyzmu, wprowadzając mutację w genie Trzon3 gen odzwierciedlający mutację występującą u ludzi chorych na tę formę autyzmu.
Inbar Fischer: „Dzięki temu modelowi odkryliśmy, że mutacja powoduje podwójne upośledzenie rozwoju i prawidłowego funkcjonowania mózgu: po pierwsze, w oligodendrocytach, podobnie jak w neuronach, białko SHANK3 jest niezbędne do wiązania i funkcjonowania receptorów odbierających sygnały chemiczne (neuroprzekaźniki i inne) z sąsiadujących komórek. Oznacza to, że wadliwe białko związane z autyzmem zakłóca przekazywanie wiadomości do tych ważnych komórek pomocniczych. Po drugie, gdy zaburzona jest funkcja i rozwój oligodendrocytów, zaburzona zostaje również ich produkcja mieliny.
„Wadliwa mielina nie izoluje prawidłowo aksonów neuronu, zmniejszając w ten sposób efektywność przekazywania sygnałów elektrycznych pomiędzy komórkami mózgu, a także synchronizację aktywności elektrycznej pomiędzy różnymi częściami mózgu. W naszym modelu znaleźliśmy upośledzenie mieliny w wielu obszarach mózgu i zaobserwowaliśmy, że w rezultacie miało to niekorzystny wpływ na zachowanie zwierząt”.
Postępy w genetycznym leczeniu autyzmu
Następnie badacze poszukiwali metody naprawienia szkód spowodowanych mutacją, mając nadzieję, że ostatecznie uda im się opracować lek dla ludzi.
Inbar Fischer: „Uzyskaliśmy oligodendrocyty z mózgu myszy z a Trzon3 mutację i wstawiony DNA segmenty zawierające normalnego człowieka Trzon3 sekwencja. Naszym celem było umożliwienie normalnego genu kodowania funkcjonalnego i normalnego białka, które zastępując wadliwe białko, spełniałoby swoją zasadniczą rolę w komórce. Ku naszej radości, po leczeniu, w komórkach doszło do ekspresji normalnego białka SHANK3, co umożliwiło budowę funkcjonalnego substratu białkowego wiążącego receptory odbierające sygnały elektryczne. Innymi słowy, opracowane przez nas leczenie genetyczne naprawiło miejsca komunikacji oligodendrocytów, niezbędne dla prawidłowego rozwoju i funkcjonowania komórek jako producentów mieliny”.
Aby potwierdzić wyniki badań na modelu mysim, zespół badawczy wygenerował indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste z komórek skóry dziewczynki chorej na autyzm wywołany Trzon3 mutacja genu identyczna jak u myszy. Z tych komórek macierzystych uzyskano ludzkie oligodendrocyty o tym samym profilu genetycznym. Te oligodendrocyty wykazywały upośledzenia podobne do tych obserwowanych u ich mysich odpowiedników.
Implikacje dla leczenia i zrozumienia autyzmu
Prof. Barak podsumowuje: „W naszym badaniu odkryliśmy dwa nowe mechanizmy mózgowe związane z genetycznie wywołanym autyzmem: uszkodzenie oligodendrocytów i w konsekwencji uszkodzenie wytwarzanej przez nie mieliny. Odkrycia te mają ważne implikacje – zarówno kliniczne, jak i naukowe. Naukowo dowiedzieliśmy się, że wadliwa mielina odgrywa znaczącą rolę w autyzmie i zidentyfikowaliśmy mechanizm powodujący uszkodzenie mieliny.
„Dodatkowo odkryliśmy nową rolę białka SHANK3: budowanie i utrzymywanie funkcjonalnego substratu wiążącego dla receptorów kluczowych dla odbioru komunikatów w oligodendrocytach (nie tylko w neuronach). W rzeczywistości odkryliśmy, że wbrew panującemu poglądowi komórki te odgrywają same w sobie zasadniczą rolę, znacznie wykraczającą poza wsparcie, jakie zapewniają neuronom – często postrzeganym jako główni gracze w mózgu.
„W sferze klinicznej sprawdziliśmy podejście do terapii genowej, które doprowadziło do znacznej poprawy rozwoju i funkcji oligodendrocytów pochodzących z mózgów myszy modelujących autyzm. Odkrycie to daje nadzieję na opracowanie terapii genetycznej dla ludzi, która mogłaby usprawnić proces produkcji mieliny w mózgu.
„Co więcej, uznanie znaczenia upośledzenia mieliny w autyzmie – niezależnie od tego, czy jest ono powiązane z Trzon3 genu, czy nie – otwiera nowe ścieżki zrozumienia mechanizmów mózgowych leżących u podstaw autyzmu i toruje drogę do przyszłego rozwoju terapii”.
Odniesienie: „Mutacja Shank3 upośledza sygnalizację glutaminianu i mielinizację w mysim modelu ASD i ludzkich OPC pochodzących z iPSC” autorstwa Inbar Fischer, Sophie Shohat, Yael Leichtmann-Bardoogo, Ritu Nayak, Gal Wiener, Idan Rosh, Aviram Shemen, Utkarsh Tripathi, May Rokach , Ela Bar, Yara Hussein, Ana Carolina Castro, Gal Chen, Adi Soffer, Sari Schokoroy-Trangle, Galit Elad-Sfadia, Yaniv Assaf, Avi Schroeder, Patricia Monteiro, Shani Stern, Ben M. Maoz i Boaz Barak, 11 października 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adl4573
