Influența fundalului genetic asupra rezultatelor în tulburările de deleție a cromozomului 16
Persoanele care împărtășesc aceeași deleție a unei porțiuni din cromozomul 16 se confruntă cu riscul de a dezvolta tulburări neurodezvoltamentale, dar, în timp ce unii experimentează o dizabilitate intelectuală severă sau întârzieri în dezvoltare, alții pot prezenta doar trăsături psihice mai ușoare, cum ar fi depresia sau anxietatea.
Un grup de cercetători de la Penn State a dezvoltat metode pentru a evalua modul în care variantele genetice din alte părți ale genomului unui individ colaborează cu deleția pentru a determina caracteristicile pe care le va manifesta individul. Această cercetare schimbă accentul de la variantele cauzale unice pentru tulburările neurodezvoltamentale la rolul interacțiunilor dintre întreaga arhitectură genetică a unui pacient, ceea ce ar putea informa intervenții medicale personalizate pentru tulburări complexe.
Se știe că multe trăsături au fundamente genetice complexe, ceea ce înseamnă că modul în care acestea se manifestă este influențat de interacțiunile dintre multe gene. De mai bine de un deceniu, cercetătorii studiază o deleție pe cromozomul 16, denumită 16p12.1, care elimină opt gene și este asociată cu rezultate neurodezvoltamentale variabile, inclusiv autism, întârzieri în dezvoltare și anomalii congenitale. Aceștia au analizat deleția atât în modele de fructe muște, cât și la nivelul populației umane, dar au dorit să înțeleagă cum caracteristicile clinice ale deleției variază de la o familie la alta.
„Un copil care moștenește deleția de la unul dintre părinți primește jumătate din genom de la celălalt părinte”, a declarat Santhosh Girirajan, profesor de Genomica și șef al Departamentului de Biochimie și Biologie Moleculară în Colegiul de Științe Eberly de la Penn State, lider al echipei de cercetare. „Această nouă combinație de informații genetice în copil ar putea expune deleția la un set diferit de variante genetice – din partea părintelui fără deleție – care pot interacționa pentru a provoca caracteristici diferite. De asemenea, ne permite să comparăm membrii familiei pentru a ajuta la identificarea variantelor genetice secundare care ar putea influența caracteristicile care apar și severitatea acestora.”
Pentru a analiza de ce indivizii din familii diferite prezintă variații, echipa a folosit două strategii. Prima strategie a implicat celule stem pluripotente induse (iPSC) derivate din pacienți cu deleția 16p12.1, membri ai familiilor acestora și donatori sănătoși. iPSCs au fost obținute din probe de sânge donate de pacienți și familiile lor, iar controalele de la donatori sănătoși au fost furnizate de Institutul Național de Tulburări Neurologice și Accident Vascular Cerebral.
„Celulele stem pluripotente induse (iPSCs), generate prin reprogramarea celulelor sanguine sau ale pielii, pot fi diferențiate în multe tipuri de celule”, a spus Jiawan Sun, student absolvent în științe biosistemice moleculare, celulare și integrative la Penn State și co-autor principal al lucrării. „Prin adăugarea unor molecule mici, putem face ca acestea să se diferențieze în diferite tipuri de celule din linia neuronală și apoi să comparăm expresia genelor în celule din familii diferite și celule cu sau fără deleție.”
Grupul a convertit iPSCs în precursori neuronali, denumiți celule progenitoare neuronale, precum și neuroni imaturi și neuroni maturi. De asemenea, au folosit tehnologia de editare genetică CRISPR pentru a induce deleția în iPSCs dintr-un donator sănătos. Unele dintre aceste linii celulare cu deleția au dezvoltat o proliferare celulară anormală, moarte celulară și diferențiere prematură care au variat între indivizi. Aceste anomalii se aliniază cu mai multe caracteristici clinice ale indivizilor care poartă deleția 16p12.1, inclusiv variația în dimensiunea capului, care a fost raportată și în studii despre autism și schizofrenie.
Prin secvențierea completă a genomurilor fiecărei linii celulare utilizate în studiu, cercetătorii au identificat mutații rare în fundalul genetic al fiecărui individ. De asemenea, au cuantificat nivelurile de expresie ale tuturor genelor în fiecare tip de celulă. Din aceste date, echipa a descoperit că fundalul genetic al liniilor iPSC a contribuit la schimbări specifice în expresia genelor între liniile celulare individuale. Au observat, de asemenea, diferențe între liniile celulare în accesibilitatea regiunilor genomice care nu codifică o genă, dar ar putea ajuta la controlul expresiei altor gene.
„Au existat studii care compară linii celulare cu o mutație particulară cu celule identice fără mutație și studii care examinează un grup de indivizi în căutarea caracteristicilor genetice comune partajate de grup”, a declarat Girirajan. „Ceea ce face ca studiul nostru să fie unic este capacitatea de a identifica variația în fundalul genetic care este specifică pentru fiecare familie.”
Echipa a observat, de asemenea, interacțiuni cu fundalul genetic în celulele din donatorul sănătos cu deleția 16p12.1 indusă prin CRISPR. Aceasta indică faptul că, chiar și indivizii sănătoși pot purta variante genetice care ar putea contribui la tulburări neurodezvoltamentale în contextul în care se află deleția și ar putea influența riscul pentru copiii lor.
A doua strategie utilizată de echipă pentru a analiza diferențele în caracteristicile clinice asociate cu deleția 16p12.1 a fost utilizarea editării genetice CRISPR pentru a restaura funcția genelor din deleție, una câte una. Au descoperit că fiecare gen restaurat a avut un impact asupra expresiei unui set independent de gene care a variat între familii și tipuri de celule în studiu.
„Obișnuiam să credem că variația pe care o vedem între indivizi era cauzată de ceea ce numeam modelul ‘două lovituri’. Deleția era prima lovitură, iar aceasta putea interacționa cu o mutație a doua lovitură din altă parte a genomului, dar ne-am îndepărtat de această terminologie deoarece ne dăm seama că deleția interacționează cu multiple variante din întreaga arhitectură genetică a unui individ. Este, de fapt, mai mult un model cu multiple lovituri.”
Înțelegerea acestui model cu multiple lovituri și modul în care arhitectura genetică personală a unui individ contribuie la tulburările neurodezvoltamentale complexe poate ajuta la dezvoltarea unor terapii potențial individualizate pentru aceste tulburări.
