Disregolazione trascrittomica attraverso la corteccia cerebrale nel disturbo dello spettro autistico

Disregolazione trascrittomica attraverso la corteccia cerebrale nel disturbo dello spettro autistico

Un recente studio in Natura dimostrato una disregolazione trascrittomica nella corteccia cerebrale nei disturbi dello spettro autistico (ASD).

Lernen: Bei ASS tritt eine breite Transkriptom-Dysregulation über die Großhirnrinde auf. Bildnachweis: Ukrolenochka/Shutterstock

sfondo

I fattori di rischio per l’ASD includono una componente genetica significativa, con centinaia di geni di rischio coinvolti. Studi di profilazione molecolare hanno osservato modelli coerenti di disregolazione epigenetica e trascrittomica lungo la corteccia temporale e frontale nella maggior parte dei casi di ASD. Questi includono la sovraregolazione dei geni degli astrociti, dei nervi e della microglia, la sottoregolazione dei geni sinaptici e l'attenuazione dei gradienti di espressione genica corticale. Resta sconosciuto se questi rappresentino una patologia molecolare focale, regionale o generalizzata.

Lo studio e i risultati

Il presente studio ha eseguito il sequenziamento dell'RNA (RNA-seq) di 725 campioni di cervello in 11 aree corticali da campioni autoptici di 49 individui con ASD e 54 soggetti neurotipici (controlli). Circa 4.223 geni e 9.474 trascrizioni erano espressi in modo differenziale attraverso la corteccia. I segnali di espressione differenziale erano più chiari e avevano un effetto maggiore nelle trascrizioni che nei geni.

La coerenza regionale di questi modelli è stata valutata calcolando separatamente l'espressione differenziale in ciascuna regione corticale. I cambiamenti nella dimensione dell’effetto regionale sono stati confrontati con la corrispondente firma dell’intera corteccia. Le firme trascrittomiche dell'ASD erano coerenti nelle 11 aree corticali, nonostante una notevole variazione nel numero di geni differenzialmente espressi (DEG) a causa delle differenze nella dimensione del campione.

Il segnale più alto è stato registrato nella corteccia visiva primaria (area 17 di Brodmann, BA17) a più di 3200°. Inoltre, i cambiamenti nella dimensione dell’effetto erano più significativi nel BA17 rispetto all’intero segnale della corteccia. Inoltre, gli autori hanno valutato l’espressione differenziale di geni e trascritti in 83 campioni di pancorteccia di nove individui con sindrome da duplicazione del cromosoma materno 15q11.2-13.1 (sindrome dup15q), una rara malattia genetica e una delle forme più comuni di ASD sindromico.

I cambiamenti trascrittomici tra ASD idiopatico e dup15q si sovrapponevano in modo significativo e dup15q ha mostrato una disregolazione dell'espressione genica significativamente aumentata nel complesso. Questi risultati hanno suggerito che la patologia molecolare dell’ASD idiopatico e della sindrome dup15q era diffusa in diverse aree corticali.

Inoltre, gli autori hanno scoperto che i tipici pattern di trascrizione che distinguono le regioni corticali erano significativamente attenuati nell’ASD, con alcune aree posteriori (BA17 e B39/40) che mostravano forti pattern di attenuazione. Successivamente, i ricercatori hanno classificato i geni di tutti i campioni in moduli (cluster con elevati livelli di coespressione) utilizzando l’analisi della rete di correlazione genetica ponderata e hanno identificato 35 moduli di coespressione genica.

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Quindici e nove moduli erano rispettivamente up- e down-regolati nell'ASD. Questa analisi è stata ripetuta per quantificazioni a livello di trascrizione e sono stati identificati 61 moduli di trascrizione. Di questi, nove e cinque erano sovraregolati e sottoregolati nell’ASD.

In totale, 38 moduli erano sottoregolati o sovraregolati in almeno una regione corticale nell'ASD. Diciotto moduli geni/trascritti hanno mostrato una disregolazione coerente dell'espressione a livello della corteccia; di questi, i moduli IsoformM37 e GeneM5 hanno mostrato un arricchimento significativo per le variazioni genetiche comuni associate all'ASD. Il modulo GeneM5, sottoregolato nell'ASD, è stato significativamente arricchito nei geni che ospitano rare proteine ​​che distruggono mutazioni de novo associate all'ASD.

Al contrario, il modulo IsoformM37, che è sovraregolato nell’ASD, era arricchito per varianti di rischio genetico comuni per l’ASD e conteneva geni coinvolti nel ripiegamento delle proteine ​​e nelle proteine ​​da shock termico. Inoltre, c’erano 13 moduli con modelli di disregolazione diversi a livello regionale nell’ASD. Tuttavia, nessuno di questi è stato arricchito per varianti note di rischio del gene ASD.

Sei di questi moduli erano sottoregolati nell’ASD, mentre erano più espressi nelle aree corticali posteriori che nelle regioni frontali nei soggetti neurotipici. Quattro moduli con più espressione nelle regioni anteriori rispetto alle regioni posteriori nei soggetti neurotipici erano sovraregolati in tutta la corteccia nell'ASD, attenuando il modello.

In alcuni soggetti è stato eseguito un singolo RNA-seq nucleare (snRNA-seq) per esaminare la misura in cui i cambiamenti nell'espressione genica riflettono i cambiamenti nella proporzione cellulare nell'ASD. I ricercatori hanno sequenziato oltre 250.000 nuclei cellulari di sei persone con ASD e sei controlli abbinati e hanno identificato 26 diversi cluster cellulari.

Inoltre, la deconvoluzione del tipo cellulare (CTD) è stata eseguita utilizzando i dati di profilazione della metilazione di massa temporale e frontale provenienti da analisi del metiloma a cellula singola. Le analisi CTD hanno mostrato aumenti e diminuzioni nominali della microglia della corteccia prefrontale (PFC) e degli oligodendrociti del lobo temporale, rispettivamente, nell'ASD; tuttavia, questi cambiamenti nelle proporzioni delle cellule non sono stati mantenuti dopo la correzione del tasso di false scoperte (FDR).

Infine, gli autori hanno esaminato le firme DEG specifiche del tipo di cellula nell'ASD nei lobi occipitali, parietali e temporali. I tipi di cellule occipitali e parietali hanno mostrato da tre a quattro volte più DEG rispetto a PFC. La maggior parte dei segnali DEG provenivano da neuroni eccitatori, con quelli del lobo occipitale che mostravano il segnale DEG più alto.

Conclusioni

In conclusione, i ricercatori hanno identificato cambiamenti nell’espressione genetica e trascritta in tutta la corteccia che influenzano più tipi di cellule neurali e processi biologici nell’ASD. I più notevoli sono stati i cambiamenti osservati nell’ASD nella corteccia visiva primaria (BA17).

I geni sottoregolati del percorso energetico neuronale e i geni reattivi della microglia e della risposta immunitaria sovraregolati sono stati colpiti a livello della corteccia nell’ASD e hanno mostrato anche gradienti regionali. Nel complesso, questi risultati hanno evidenziato i cambiamenti molecolari nella corteccia nell’ASD che vanno oltre le categorie funzionali dei neuroni immuno/gliali sovraregolati e sottoregolati precedentemente stabilite.

Riferimento:

• Gandal MJ, Haney JR, Wamsley B, et al. (2022). Bei ASS tritt eine breite Transkriptom-Dysregulation über die Großhirnrinde auf. Natur. doi: 10.1038/s41586-022-05377-7 https://www.nature.com/articles/s41586-022-05377-7

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