Se descubre cómo el gen YWHAZ es capaz de alterar el desarrollo neuronal

El trabajo, en el que se ha usado el pez cebra como modelo animal, está liderado por los expertos Noèlia Fernàndez-Castillo y Bru Cormand, de la Facultad de Biología y del Instituto de Biomedicina de la Universidad de Barcelona (IBUB), el Instituto de Investigación Sant Joan de Déu (IRSJD) y el CIBER de Enfermedades Raras (CIBERER), y William H. J. Norton, de la Universidad de Leicester (Reino Unido). En él también colaboran expertos del Instituto de Neurociencias de la UB (UBNeuro), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y el RIKEN Center for Brain Science (CBS), de Japón.

El gen YWHAZ y el desarrollo neuronal

El gen YWHAZ codifica la proteína 14-3-3ζ, miembro de una familia de proteínas altamente conservadas que se expresan en el sistema nervioso central. Este gen, que en los humanos está situado en el cromosoma 8, se relaciona con los procesos de formación, diferenciación y posicionamiento de neuronas durante el neurodesarrollo, sobre todo en estudios realizados en modelos murinos.

El punto de partida del nuevo trabajo es un estudio de secuenciación masiva (Molecular Psychiatry, 2013) dirigido por el catedrático Bru Cormand sobre las bases genéticas del autismo en el que se identificaba una mutación en el gen YWHAZ en dos hermanos afectados. El nuevo trabajo usa como modelo el pez cebra (Danio rerio), «un buen modelo para estudiar alteraciones de comportamiento relacionadas con el autismo u otros trastornos psiquiátricos, puesto que el comportamiento social y la interacción con el grupo son claves en esta especie», indica la profesora Noèlia Fernàndez-Castillo, del Departamento de Genética, Microbiología y Estadística de la UB.

«Las larvas de pez cebra son transparentes y pequeñas —continúa la investigadora— y permiten evaluar la actividad neuronal de todo el cerebro in vivo, lo que no es posible en otros modelos animales. Disponemos de una línea transgénica de pez cebra en la que todas las neuronas expresan un marcador que se vuelve fluorescente solo cuando la neurona se activa. Así podemos detectar cuándo se activan cada una de las neuronas de todo el cerebro y comparar qué sucede en los animales con deficiencias en el gen ywhaz y en los que son grupo control».

Los modelos animales con el gen desactivado presentan alteraciones de la conectividad neuronal durante los estadios larvarios, además de una disminución de la actividad neuronal colectiva, apunta el trabajo. «Probablemente todo esto sería la causa de las deficiencias en la neurotransmisión observadas en los animales adultos y que dan como resultado alteraciones en el comportamiento hacia la novedad. De hecho, ya se han descrito alteraciones de la neurotransmisión en trastornos como el autismo, el TDAH o la esquizofrenia», detalla el catedrático Bru Cormand, jefe del Grupo de Investigación de Neurogenética de la UB e investigador ICREA Academia 2021.

Además, estudios previos en modelos animales demostraron que la actividad neuronal colectiva espontánea «es esencial durante el desarrollo, puesto que está implicada en los procesos de configuración de las futuras redes neuronales», precisa Ester Antón-Galindo, primera autora de artículo junto con Elisa Dalla Vecchia (Universidad de Leicester). «La alteración de la actividad espontánea observada en los animales con el gen ywhaz desactivado desde los estadios tempranos (larvarios) podría inducir a un desarrollo inadecuado de las conexiones y redes neuronales», añade la investigadora.

En busca de nuevos tratamientos terapéuticos

El equipo también ha identificado alteraciones de neurotransmisores clave implicados en el comportamiento, como la dopamina y la serotonina. «Al suministrar fármacos que afectan a estos sistemas de neurotransmisión, las alteraciones del comportamiento se reestablecen y son similares a las de los peces normales. Por tanto, este trabajo nos ha permitido entender los mecanismos a través de los cuales este gen provoca cambios y cómo este gen contribuye al autismo, que es un trastorno del neurodesarrollo», apunta la investigadora Noèlia Fernàndez-Castillo.

En concreto, la aplicación de dos medicamentos moduladores de la neurotransmisión —la fluoxetina y el quinpirol— puede reducir las alteraciones del comportamiento social que presentan los peces mutantes. «Es una buena noticia, porque la fluoxetina ya se usa en humanos para tratar otras patologías, como la depresión, e incluso algunos síntomas del autismo, como las conductas repetitivas», indica Cormand.

El gen —ubicado en el cromosoma 19 del pez cebra— se expresa en todo el cerebro durante el desarrollo embrionario (neurogénesis, diferenciación neuronal, etc.). Sin embargo, tiene una expresión restringida a áreas concretas del cerebro en los individuos adultos, en concreto, a las células de Purkinje, un tipo de neuronas del cerebelo que están reducidas en número y dimensiones en individuos con autismo. «En ratones, también se ha observado que cuando estas células no son completamente funcionales aparecen rasgos autistas. Así, todos los resultados apuntan en la misma dirección», explica Bru Cormand.

En el ámbito de la investigación clínica, el nuevo trabajo añade un nuevo gen a las decenas o cientos de genes relacionados con el trastorno del espectro autista. «Aunque sabemos que es una patología con una fuerte carga genética, que supera el 80 %, todavía falta un poco para acabar de definir todo su paisaje genético, es decir, todos los genes responsables del trastorno. Cuando se complete este paisaje, podrán desarrollarse herramientas diagnósticas basadas en la genética que complementen el diagnóstico clínico», apunta Cormand.

Pez cebra: diferencias entre machos y hembras

El trabajo identifica diferencias de comportamiento social pronunciadas en hembras con deficiencias por el gen ywhaz en comparación con hembras de los grupos control. Ahora bien, cuando se comparan los resultados de los machos con deficiencias similares y los de los machos de los grupos control, esas diferencias no son significativas.

«Aunque en los estudios experimentales con el modelo del pez cebra se suelen utilizar ambos sexos mezclados, este trabajo muestra lo importante que es tener en cuenta el sexo del animal. En la experimentación animal, realizar estudios en ambos sexos resulta decisivo: hasta hace relativamente poco tiempo, los estudios —sobre todo en modelos como la rata y el ratón— no se realizaban en hembras, ni se evaluaban posibles diferencias debidas al sexo», subraya Fernàndez-Castillo.

«Afortunadamente —prosigue—, hoy en día las políticas que incluyen la perspectiva de género están influyendo para cambiar estas prácticas y permitir así generar un conocimiento más amplio que pueda ser trasladable a la práctica clínica en hombres y mujeres de forma más amplia».

Técnicas innovadoras para estudiar la genética del autismo

Aplicar técnicas innovadoras combinadas con metodologías de seguimiento in vivo de la actividad neuronal ha sido clave para entender mejor los mecanismos implicados en el autismo. En este contexto, la actividad neuronal se ha evaluado mediante microscopio de alta resolución gracias a una colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO).

«Gracias a la técnica CRISPR, es posible la edición génica y obtener de forma relativamente rápida y sencilla peces con deficiencias por un gen. La novedosa técnica del whole brain imaging nos permite estudiar in vivo la actividad de todas las neuronas del cerebro individualmente —lo que no es posible con otras técnicas o modelos animales— y mejorar el conocimiento de los circuitos neuronales durante el desarrollo y su afectación en trastornos psiquiátricos», explica el equipo investigador.

Desde la perspectiva evolutiva, los análisis dirigidos por el catedrático de la UB Jordi Garcia-Fernàndez han confirmado que el gen ywhaz en el pez cebra es el ortólogo del gen YWHAZ en humanos (es decir, comparten un ancestro común y han divergido por un proceso de especiación). El hecho de que este gen no se haya duplicado en el genoma de los teleósteos —grupo al que pertenece el pez cebra— ha permitido utilizar la deficiencia de ywhaz en el pez cebra como modelo para estudiar la función de YWHAZ y su implicación en el neurodesarrollo.

El nuevo trabajo ha recibido financiación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y de Horizonte 2020 (H2020), el Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea (UE) del período 2014-2020.