Contrassegni genetici di funzione nel cervello umano
DIANE RICHMOND
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 21 novembre 2015.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
L’individualità umana e la capacità di ciascuno di noi di essere unico e irripetibile ha una base biologica intrinseca nei processi e nei meccanismi di sviluppo tipici del sistema nervoso centrale dei mammiferi, così che nemmeno i cervelli di gemelli inbred e di due animali clonati siano uguali. Eppure, come si può evincere dall’anatomia e dalla fisiologia comune, la struttura e la funzione di base del nostro cervello sono altamente stereotipate: una tale evidenza implica l’esistenza di un programma molecolare ben definito e conservato, responsabile dello sviluppo, dell’architettura cellulare e degli schemi neurofisiologici di base.
All’inizio di questo millennio Paul G. Allen, filantropo e co-fondatore della Microsoft, raccolse intorno a sé alcuni fra i maggiori esperti di neuroscienze, genomica e biologia molecolare, perché definissero un progetto finalizzato ad ottenere dati precisi sulle basi molecolari della fisiologia e della patologia dell’encefalo. Per giungere al risultato sperato si tennero, a partire dal 2001, degli incontri per esaminare varie proposte. Un’entusiastica convergenza di opinioni fu raccolta dall’idea di realizzare una mappa tridimensionale dell’attività dei geni conosciuti nelle varie regioni del cervello. Nasce così il progetto dell’Allen Human Brain Atlas che, nella primavera del 2010, fornì i dati derivanti da circa 50 milioni di misurazioni dell’espressione genica. Esattamente cinque anni fa l’autrice di questa nota, basandosi su un report di Allan Jones e colleghi, diede conto dei dati ottenuti e di quanto era stato realizzato a partire dall’idea iniziale, in una relazione sintetizzata per questo sito, alla quale si rimanda e più avanti si farà riferimento con un’ampia citazione[1].
A fondamento di tutto il progetto vi è l’idea dell’esistenza di un programma molecolare decodificabile, mediante il quale il genoma dei mammiferi, e conseguentemente il nostro, controlla sviluppo, citoarchitettura e schemi funzionali del cervello. Un team molto numeroso, che ha per primo nome Michael Hawrylycz e include neuroscienziati del calibro e della fama di Christof Koch, è andato alla ricerca di questo programma molecolare, riconoscendo precisi riferimenti di espressione genica in 132 strutture studiate in 6 cervelli.
L’importanza di questi dati per la neurobiologia non ha bisogno di sottolineature e questa recensione è un invito alla lettura del testo integrale dell’articolo (Hawrylycz M., et al., Canonical genetic signatures of the adult human brain. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi: 10.1038/nn.4171, 2015).
La provenienza degli autori è
prevalentemente la seguente: The Allen Institute for Brain Science, Seattle,
Washington (USA); Division of Biomedical Informatics, Cincinnati Children’s
Hospital and Meical Center, Cincinnati, Ohio (USA); Department of Anatomy and
Neurobiology, Washington University, St. Louis, Missouri (USA); Department of
Neuroscience, Georgetown University, Washington DC (USA); Center for Network
Science, Central European University, Budapest (Ungheria).
Prima di esporre i risultati dello studio qui recensito, si propone un inquadramento della ricerca nella cornice del grande lavoro dell’istituto neuroscientifico di Seattle.
Come più sopra accennato, nelle intenzioni di Paul
Allen gli esperti da lui convocati avrebbero dovuto definire un progetto in
grado di incidere su tutto il campo delle scienze del cervello a partire dalla
neurobiologia. Qui di seguito si riporta quanto esposto il 13 novembre 2010:
“L’idea che
raccolse i maggiori consensi fu la realizzazione di una mappa tridimensionale dell’attività di tutti i geni
conosciuti in tutte le aree dell’encefalo. Se resa accessibile online, tale mappa avrebbe consentito a
tutti i ricercatori interessati al ruolo di un particolare gene o gruppo di
geni di disporre di un quadro completo di attivazione e co-attivazione in
rapporto con la topografia funzionale. In tal modo, ogni ricerca genetica su
una funzione dell’encefalo o sulle cause di un disturbo mentale, si sarebbe
potuta subito orientare, ragionando in base ad uno straordinario repertorio tridimensionale
di tavole di correlazione localizzazione/espressione, costantemente aggiornato
ed arricchito di particolari.
L’idea apparve subito straordinaria: un progetto
scientifico che, partendo dall’impresa biotecnologica che aveva appena ultimato
la decodifica della mappa dei loci genici umani (Human Genome Project), sarebbe
andato oltre le possibilità di tutti i maggiori laboratori, fornendo una solida
cornice di riferimento ad ogni ipotesi neurogenetica, così accelerando in
maniera decisiva il ritmo delle scoperte e la profondità della loro
interpretazione.
Nel 2003, con il generoso finanziamento di 100
milioni di dollari, Paul Allen vara l’impresa fondando a Seattle l’Allen
Institute for Brain Science che avrebbe consentito di realizzare l’Allen Human Brain Atlas.
Concordemente, i ricercatori decisero che il primo
grande passo per questa titanica impresa sarebbe stata la realizzazione di un Mouse Brain Atlas che avrebbe consentito
di definire il metodo di lavoro, valutare tutte le difficoltà, standardizzare
le procedure e, soprattutto, fornire alla comunità neuroscientifica un primo
straordinario strumento di verifica del proprio lavoro. La maggior parte delle
ricerche sulla fisiologia e la patologia dell’encefalo, da quelle volte a
comprendere meccanismi molecolari a quelle che sperimentano farmaci, sono
infatti condotte su cervelli murini, perché il topo condivide con gli altri
mammiferi, uomo compreso, l’organizzazione funzionale del sistema nervoso
centrale, e il 90% dei suoi geni ha un corrispettivo nel nostro patrimonio. In
proposito si può fare un’osservazione, utile soprattutto a coloro che hanno
un’idea ingenuamente deterministica del genoma: il topo presenta
approssimativamente 20.000 geni come l’uomo, pertanto la complessità del nostro
cervello e le dimensioni della sua corteccia sono conseguenza più della qualità
dei processi epigenetici di sviluppo che della quantità degli ingredienti
genetici di base.
Quanto sarebbe durato questo primo fondamentale
passo per giungere all’atlante umano?
Nel 2003 un genetista, impegnato a pieno ritmo in un
laboratorio di ricerca all’avanguardia, avrebbe impiegato circa cinque anni per
realizzare la mappa delle attività di 10 geni, dunque per 20.000 geni sarebbero
occorsi teoricamente 10.000 anni di lavoro di un solo ricercatore o 1000 anni
di un gruppo di dieci. Uno dei meriti della fondazione di Paul Allen è stato
l’acquisto e l’impiego di nuovi strumenti tecnologici in grado di eseguire
automaticamente compiti umani funzionando ininterrottamente giorno e notte:
l’uso appropriato secondo il progetto di tutte le migliori apparecchiature ha fornito
un supporto prezioso per la riduzione dei tempi. Per visualizzare l’espressione
genica sono state realizzate sezioni sottili di tessuto cerebrale, fissate su
vetrini e poste in immersione in soluzioni contenenti molecole in grado di
legarsi specificamente all’mRNA di ogni singolo gene. Poi è stata avviata la
reazione chimica in grado di colorare i complessi molecolari in modo da
marcarne la localizzazione all’interno della sezione di tessuto, così da
consentire di riconoscere le cellule esprimenti ciascun gene. Sono poi stati
impiegati microscopi robotici per fotografare un milione di queste sezioni,
ritenute sufficienti per verificare in dettaglio i territori di espressione dei
20.000 geni, ciascuno in media esplorato mediante 500 vetrini.
Dopo aver trasferito tutte le immagini in un
opportuno database del computer di
servizio, è stato realizzata, grazie ad un ottimo software, la ricostruzione digitale in 3-D di tutto il cervello di
topo con i patterns morfologici
dell’espressione dei 20.000 geni, ed è stata posta online a disposizione di tutti i ricercatori.
L’intero lavoro ha richiesto solo tre anni.
Dal 2006, la quantità ma soprattutto la qualità dei
dati che è stato possibile ottenere grazie a questo speciale atlante, è stata
veramente notevole ed ha costituito un incoraggiamento durante gli oltre due
anni di studi e pianificazioni che hanno preceduto l’avvio, nel marzo del 2009,
del progetto relativo all’encefalo dell’uomo.
Era tutto pronto, ma rimaneva un grosso ostacolo da
superare: si aveva bisogno di un cervello umano che fosse intero ed integro,
privo di qualsiasi danno anche di livello subclinico e congelato rapidamente
entro le 24 ore dal decesso per evitare il degradarsi degli mRNA, cruciali per
lo studio dell’espressione genica. E’ noto che è difficile il contemporaneo
verificarsi di tali condizioni, perché se vi sono i requisiti di integrità e il
consenso all’espianto, giustamente si dà la precedenza agli altri organi da
asportare per il trapianto che, in genere, salva vite umane o ne prolunga la
durata migliorandone le condizioni. Per questo motivo, si dovette attendere il
luglio del 2009 per il primo dei cervelli necessari all’impresa.
Allan Jones, Caroline Overly e colleghi dell’Allen Institute for Brain Science hanno realizzato, prima di sacrificare l’organo per le sezioni istologiche, una speciale serie di scansioni mediante risonanza magnetica nucleare (MRI), per creare su quella base una ricostruzione tridimensionale del cervello, completa in ogni dettaglio e ad alta fedeltà di risoluzione. I dati genetici ottenuti mediante microarray e quelli sull’architettura cellulare provenienti dai preparati istologici, sono stati mappati nella ricostruzione MRI del cervello in un tempo straordinariamente breve.”[2].
Torniamo allo studio presente, firmato da 30 autori che includono Ed Lein, Christof Koch e David C. Van Essen.
I ricercatori hanno applicato un sistema di misurazione basato sulla correlazione, chiamato differential stability per valutare la riproducibilità della formazione degli schemi (patterning) di espressione genica in 132 strutture in 6 diversi cervelli. In tal modo hanno rivelato un’organizzazione genetica in mesoscala. I geni con la più alta stabilità differenziale sono biologicamente rilevanti, in particolare per annotazioni legate al cervello, per l’associazione alla patologia, come bersaglio di farmaci o per numero di citazioni in articoli scientifici.
Impiegando geni con alta stabilità differenziale, i ricercatori hanno identificato 32 contrassegni di espressione genica anatomicamente diversi e riproducibili. Tali segni distintivi di espressione genica rappresentano differenti tipi cellulari, diversi costituenti intracellulari e/o associazioni con disturbi neuroevolutivi e neurodegenerativi. I geni nei neuroni associati, comparati con quelli delle cellule nervose non appartenenti a reti definite presentavano una più alta conservazione, in chiave evoluzionistica, nel confronto fra il topo e l’uomo. Tuttavia, molti geni con una diversa configurazione di espressione, presentavano marcati shifts di regolazione fra le due specie.
Infine, forse il dato di più immediato interesse anche per coloro che si occupano di neurofisiologia dei sistemi. Un’architettura trascrizionale altamente coerente nella neocorteccia è correlata con la connettività funzionale tipica dello stato di riposo (resting state), suggerendo un collegamento fra l’espressione genica conservata nel corso dell’evoluzione e i circuiti più importanti per le funzioni di base del cervello.
L’autrice della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE
E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
La Società Nazionale di Neuroscienze BM&L-Italia, affiliata alla International Society of Neuroscience, è registrata presso l’Agenzia delle Entrate di Firenze, Ufficio Firenze 1, in data 16 gennaio 2003 con codice fiscale 94098840484, come organizzazione scientifica e culturale non-profit.
[1] Note e Notizie 13-11-15 L’Allen
Human Brain Atlas va alla radice della mente e dei suoi disturbi. Nelle “Note e Notizie” si possono trovare
numerose recensioni di lavori che fanno riferimento al progetto dell’Allen Institute for Brain Science (si
veda, ad esempio: Note e Notizie
05-04-14 Modello cellulare dell’espressione genica nel cervello).
[2] V. Nota 1.