Es descobreix com el gen ʻYWHAZʼ és capaç dʼalterar el desenvolupament neuronal

El gen YWHAZ i el desenvolupament neuronal

El gen YWHAZ codifica la proteïna 14-3-3ζ, membre dʼuna família de proteïnes altament conservades que sʼexpressen en el sistema nerviós central. Aquest gen, que en els humans està situat en el cromosoma 8, es relaciona amb els processos de formació, diferenciació i posicionament de neurones durant el neurodesenvolupament, sobretot en estudis fets en models murins.

El punt de partida del nou treball és un estudi de seqüenciació massiva (Molecular Psychiatry, 2013) dirigit pel catedràtic Bru Cormand sobre les bases genètiques de lʼautisme en què sʼidentificava una mutació en el gen YWHAZ en dos germans afectats. El nou treball fa servir com a model el peix zebra (Danio rerio), «un bon model per estudiar alteracions de comportament relacionades amb lʼautisme o altres trastorns psiquiàtrics, ja que el comportament social i la interacció amb el grup són claus en aquesta espècie», indica la professora Noèlia Fernàndez-Castillo, del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística de la UB.

«Les larves de peix zebra són transparents i petites —continua la investigadora— i permeten avaluar lʼactivitat neuronal de tot el cervell in vivo, cosa que no és possible en altres models animals. Disposem dʼuna línia transgènica de peix zebra en què totes les neurones expressen un marcador que es torna fluorescent només quan la neurona sʼactiva. Així podem detectar quan sʼactiven cadascuna de les neurones de tot el cervell i comparar què succeeix en els animals amb deficiències en el gen ywhaz i en els que són grup control».

Els models animals amb el gen desactivat presenten alteracions de la connectivitat neuronal durant els estadis larvaris, a més dʼuna disminució de lʼactivitat neuronal col·lectiva, apunta el treball. «Probablement tot això seria la causa de les deficiències en la neurotransmissió observades en els animals adults i que donen com a resultat alteracions en el comportament envers la novetat. De fet, ja sʼhan descrit alteracions de la neurotransmissió en trastorns com lʼautisme, el TDAH o lʼesquizofrènia», detalla el catedràtic Bru Cormand, cap del Grup de Recerca de Neurogenètica de la UB i investigador ICREA Acadèmia 2021.

A més, estudis previs en models animals van demostrar que lʼactivitat neuronal col·lectiva espontània «és essencial durant el desenvolupament, ja que està implicada en els processos de configuració de les futures xarxes neuronals», precisa Ester Antón-Galindo, primera autora de lʼarticle juntament amb Elisa Dalla Vecchia (Universitat de Leicester). «Lʼalteració de lʼactivitat espontània observada en els animals amb el gen ywhaz desactivat des dels estadis primerencs (larvaris) podria induir a un desenvolupament inadequat de les connexions i xarxes neuronals», afegeix la investigadora.

A la recerca de nous tractaments terapèutics

Lʼequip també ha identificat alteracions de neurotransmissors clau implicats en el comportament, com ara la dopamina i la serotonina. «En subministrar fàrmacs que afecten aquests sistemes de neurotransmissió, el comportament habitual es restableix i és similars al dels peixos normals. Per tant, aquest treball ens ha permès entendre els mecanismes a través dels quals aquest gen provoca canvis i com aquest gen contribueix a lʼautisme, que és un trastorn del neurodesenvolupament», apunta la investigadora Noèlia Fernàndez-Castillo.

En concret, lʼaplicació de dos medicaments moduladors de la neurotransmissió —la fluoxetina i el quinpirol— pot reduir les alteracions del comportament social que presenten els peixos mutants. «És una bona notícia, perquè la fluoxetina ja sʼusa en humans per tractar altres patologies, com ara la depressió, i fins i tot alguns símptomes de lʼautisme, com les conductes repetitives», indica Cormand.

El gen —ubicat en el cromosoma 19 en el peix zebra— sʼexpressa en tot el cervell durant el desenvolupament embrionari (neurogènesi, diferenciació neuronal, etc.). Ara bé, té una expressió restringida a àrees concretes del cervell en els individus adults, en concret, a les cèl·lules de Purkinje, un tipus de neurones del cerebel que estan reduïdes en nombre i dimensions en individus amb autisme. «En ratolins, també sʼha observat que quan aquestes cèl·lules no són completament funcionals apareixen trets autistes. Així doncs, tots els resultats apunten en la mateixa direcció», explica Bru Cormand.

En lʼàmbit de la recerca clínica, el nou treball afegeix un nou gen a les desenes o centenars de gens relacionats amb el trastorn de lʼespectre autista. «Tot i que sabem que és una patologia amb una forta càrrega genètica, que supera el 80 %, encara falta una mica per acabar de definir-ne tot el paisatge genètic, és a dir, tots els gens responsables del trastorn. Quan es completi aquest paisatge, es podran desenvolupar eines diagnòstiques basades en la genètica que complementin el diagnòstic clínic», apunta Cormand.

Peix zebra: diferències entre mascles i femelles

El treball identifica diferències de comportament social pronunciades en femelles amb deficiències pel gen ywhaz en comparació amb femelles dels grups control. Ara bé, quan es comparen els resultats dels mascles amb deficiències similars i els dels mascles dels grups control, aquestes diferències no són significatives.

«Tot i que en els estudis experimentals amb el model del peix zebra se solen emprar ambdós sexes barrejats, aquest treball mostra com és dʼimportant tenir en compte el sexe de lʼanimal. En lʼexperimentació animal, fer estudis en ambdós sexes resulta decisiu: fins fa relativament poc, els estudis —sobretot en models com la rata i el ratolí— no es feien en femelles, ni sʼavaluaven possibles diferències degudes al sexe», subratlla Fernàndez-Castillo.

«Afortunadament —prossegueix—, avui dia les polítiques que inclouen la perspectiva de gènere estan influint per canviar aquestes pràctiques i permetre així que es generi un coneixement més ampli que pugui ser traslladable a la pràctica clínica en homes i dones de manera més àmplia».

Tècniques innovadores per estudiar la genètica de lʼautisme

Aplicar tècniques innovadores combinades amb metodologies de seguiment in vivo de lʼactivitat neuronal ha estat clau per entendre millor els mecanismes implicats en lʼautisme. En aquest context, lʼactivitat neuronal sʼha avaluat mitjançant un microscopi dʼalta resolució gràcies a una col·laboració amb lʼInstitut de Ciències Fotòniques (ICFO).

«Gràcies a la tècnica CRISPR, és possible lʼedició gènica i obtenir de forma relativament ràpida i senzilla peixos amb deficiències per un gen. La innovadora tècnica del whole brain imaging ens permet estudiar in vivo lʼactivitat de totes les neurones del cervell individualment —cosa que no és possible amb altres tècniques o models animals— i millorar el coneixement dels circuits neuronals durant el desenvolupament i la seva afectació en trastorns psiquiàtrics», explica lʼequip investigador.

Des de la perspectiva evolutiva, les anàlisis dirigides pel catedràtic de la UB Jordi Garcia-Fernàndez han confirmat que el gen ywhaz en el peix zebra és lʼortòleg del gen YWHAZ en humans (és a dir, comparteixen un ancestre comú i han divergit per un procés dʼespeciació). El fet que aquest gen no sʼhagi duplicat en el genoma dels teleostis —grup al qual pertany el peix zebra— ha permès utilitzar la deficiència de ywhaz en el peix zebra com a model per estudiar la funció de YWHAZ  i la seva implicació en el neurodesenvolupament.

El nou treball ha rebut finançament del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats i dʼHoritzó 2020 (H2020), el Programa marc de recerca i innovació de la Unió Europea (UE) del període 2014-2020.

Article de referència:

Antón-Galindo, E.; Dalla Vecchia, E.; Orlandi, J. G.; Castro, G.; J. Gualda, E.; Young, A. M. J.; Guasch-Piqueras, M.; Arenas, C.; Herrera-Úbeda, C.; Garcia-Fernàndez, J.; Aguado, F.; Loza-Alvarez, P.; Cormand, B.; Norton, W. J. H.; Fernàndez-Castillo, N. «Deficiency of the YWHAZ gene, involved in neurodevelopmental disorders, alters brain activity and behaviour in zebrafish». Molecular Psychiatry, maig de 2022. DOI: 10.1038/s41380-022-01577-9