Ponad 70 genów zostało powiązanych z zaburzeniami ze spektrum autyzmu (ASD), stanem rozwojowym, w którym różnice w mózgu prowadzą do wielu zmienionych zachowań, w tym problemów z językiem, komunikacją społeczną, nadpobudliwością i powtarzalnymi ruchami. Naukowcy próbują wyodrębnić te specyficzne powiązania gen po genie, neuron po neuronie.

Jednym z takich genów jest Astrotactin 2 (ASTN2). W 2018 r. naukowcy z Laboratory of Developmental Neurobiology na Rockefeller University odkryli, jak defekty w białku wytwarzanym przez ten gen zaburzają obwody w móżdżku u dzieci z zaburzeniami neurorozwojowymi.

Teraz to samo laboratorium odkryło, że całkowite usunięcie genu prowadzi do kilku charakterystycznych zachowań autyzmu. Jak opisują w nowym artykule w PNASmyszy pozbawione ASTN2 wykazywały wyraźnie inne zachowania od swoich dzikich współtowarzyszy z gniazda na cztery kluczowe sposoby: mniej wokalizowały i mniej się socjalizowały, ale były bardziej nadpobudliwe i powtarzalne w swoim zachowaniu.

„Wszystkie te cechy mają swoje odpowiedniki u osób z ASD” – mówi Michalina Hanzel, pierwsza autorka artykułu. „Oprócz tych zachowań odkryliśmy również zmiany strukturalne i fizjologiczne w móżdżku”.

„To duże odkrycie w dziedzinie neuronauki” — mówi kierowniczka laboratorium Mary E. Hatten, której praca od dziesięcioleci koncentruje się na tym obszarze mózgu. „Podkreśla to również nową historię, że móżdżek ma funkcje poznawcze, które są zupełnie niezależne od jego funkcji motorycznych”.

Nieoczekiwana rola

W 2010 r. laboratorium Hatten odkryło, że białka wytwarzane przez gen ASTN2 pomagają kierować neuronami podczas ich migracji podczas rozwoju móżdżku i tworzą jego strukturę. W badaniu z 2018 r. przebadali rodzinę, w której troje dzieci miało zarówno zaburzenia neurorozwojowe, jak i mutacje ASTN2. Odkryli, że w rozwiniętym mózgu białka pełnią podobną rolę przewodnią: podtrzymują chemiczną konwersację między neuronami, wyprowadzając receptory z powierzchni neuronowych, aby zrobić miejsce nowym receptorom do obrotu.

W zmutowanym genie białka nie działają, a receptory się kumulują, co powoduje zator, który utrudnia połączenia neuronowe i komunikację. Ten wpływ można zaobserwować w schorzeniach dzieci, które obejmowały niepełnosprawność intelektualną, opóźnienia językowe, ADHD i autyzm.

Odkrycie to jest częścią rosnącego zbioru dowodów na to, że móżdżek — najstarsza struktura korowa mózgu — odgrywa ważną rolę nie tylko w kontroli motorycznej, ale także w języku, poznawaniu i zachowaniach społecznych.

W ramach obecnych badań Hanzel chciał sprawdzić, jaki wpływ na strukturę móżdżku i zachowanie może mieć całkowity brak genu ASTN2. Współpracując ze współautorami badania Zachi Horn, byłym postdoktorem w laboratorium Hatten, i przy pomocy Shiaoching Gong z Weill Cornell Medicine, Hanzel spędził dwa lata na tworzeniu myszy knockout pozbawionej ASTN2, a następnie badał mózgi i aktywność zarówno myszy niemowląt, jak i dorosłych.

Paralele behawioralne

Myszki knockout brały udział w kilku nieinwazyjnych eksperymentach behawioralnych, aby sprawdzić, jak wypadają w porównaniu do swoich dzikich towarzyszy gniazdowych. Myszki knockout wykazywały wyraźnie różne cechy u wszystkich z nich.

W jednym z badań naukowcy krótko wyizolowali małe myszy, a następnie zmierzyli, jak często wzywały swoje matki, używając ultradźwiękowych wokalizacji. Dźwięki te są kluczową częścią zachowań społecznych i komunikacji myszy, a także jednym z najlepszych wskaźników, jakie mają badacze do oceny podobieństw do ludzkich umiejętności językowych.

Szczenięta dzikiego typu szybko nawoływały swoje matki, używając złożonych dźwięków o zmiennej wysokości tonu, podczas gdy szczenięta typu knockout wydawały mniej krótkich odgłosów o ograniczonej wysokości tonu.

Podobne problemy z komunikacją są powszechne u osób z ASD, mówi Hanzel. „To jedna z najbardziej wymownych cech, ale występuje w pewnym spektrum”, mówi. „Niektórzy autyści nie rozumieją metafor, podczas gdy inni powtarzają język, który podsłuchali, a jeszcze inni w ogóle nie mówią”.

W innym eksperymencie naukowcy testowali, jak myszy ASTN2 wchodzą w interakcje zarówno ze znanymi, jak i nieznanymi myszami. Wolały wchodzić w interakcje z myszami, które znały, niż z tymi, których nie znały. Natomiast myszy dzikiego typu zawsze wybierają nowość społeczną nowej twarzy.

To również ma swoje odpowiedniki w ludzkim zachowaniu ASD, z niechęcią do nieznanych środowisk i ludzi, którzy są powszechni, dodaje Hanzel. „To bardzo ważny wynik, ponieważ pokazuje, że myszy z mutacją knockout nie lubią nowości społecznych i wolą spędzać czas z myszami, które znają, co odpowiada osobom z ASD, które mają tendencję do lubienia nowych interakcji społecznych mniej niż tych znanych”.

W trzecim eksperymencie oba typy myszy miały swobodę eksploracji otwartej przestrzeni przez godzinę. Myszy ASTN2 pokonały znacznie dłuższy dystans niż inne myszy i angażowały się w powtarzalne zachowania, takie jak krążenie w miejscu, o 40% częściej. Zarówno nadpobudliwość, jak i powtarzalne zachowania są dobrze znanymi cechami charakterystycznymi ASD.

Brak komunikacji między obszarami mózgu

Kiedy analizowali mózgi myszy ASTN2, odkryli kilka małych, ale najwyraźniej silnych zmian strukturalnych i fizjologicznych w móżdżku. Jedną z nich było to, że duże neurony zwane komórkami Purkinjego miały większą gęstość kolców dendrytycznych, struktur, które są usiane synapsami wysyłającymi sygnały nerwowe. Ale wykryli tę zmianę tylko w odrębnych obszarach móżdżku. „Na przykład odkryliśmy największą różnicę w tylnym regionie robaka, gdzie kontrolowane są powtarzające się i nieelastyczne zachowania” — mówi Hanzel.

Naukowcy zaobserwowali również zmniejszenie liczby niedojrzałych kolców dendrytycznych, zwanych filopodiami, oraz objętości włókien glejowych Bergmanna, które pomagają w migracji komórek.

„Różnice są dość subtelne, ale wyraźnie wpływają na zachowanie myszy” – mówi Hatten. „Zmiany te prawdopodobnie zmieniają komunikację między móżdżkiem a resztą mózgu”.

W przyszłości naukowcy planują zbadać ludzkie komórki móżdżkowe, które od kilkunastu lat hodują na komórkach macierzystych, a także komórki z mutacjami ASTN2 przekazane przez rodzinę w badaniu z 2018 roku.

„Chcielibyśmy sprawdzić, czy możemy znaleźć podobne różnice do tych, które znaleźliśmy u myszy w komórkach ludzkich” – mówi Hatten.

Kontynuuje: „Chcemy również przyjrzeć się szczegółowej biologii innych genów, które są powiązane z autyzmem. Jest ich dziesiątki, ale nie ma uzgodnionej wspólnej cechy, która by je łączyła. Jesteśmy bardzo podekscytowani, że udało nam się pokazać szczegółowo, co robi ASTN2, ale jest o wiele więcej genów do zbadania”.