¿Tiene el cerebro humano un talón de Aquiles que en última instancia conduce al autismo?
Elegir el destino: la historia de un organoide cerebral sobre el autismo
Gracias a un novedoso y revolucionario sistema que combina la tecnología de organoides cerebrales y una intrincada genética, los investigadores pueden ahora comprobar exhaustivamente el efecto de múltiples mutaciones en paralelo y a nivel unicelular dentro de organoides cerebrales humanos. Esta tecnología, desarrollada por investigadores del grupo Knoblich del Instituto de Biotecnología Molecular (IMBA) de la Academia Austriaca de Ciencias y del grupo Treutlein de la ETH de Zúrich, permite identificar los tipos de células vulnerables y las redes de regulación génica que subyacen a los trastornos del espectro autista. Este método innovador ofrece una visión sin precedentes de uno de los trastornos más complejos que afectan al cerebro humano, con implicaciones que aportan a la investigación clínica del autismo una esperanza muy necesaria. Los resultados se publicaron el 13 de septiembre en Nature.
En comparación con otras especies animales, el cerebro humano tiene mente propia. Para desarrollarse, el cerebro humano se basa en procesos exclusivos de los seres humanos, que nos permiten construir un córtex intrincadamente estratificado y conectado. Estos procesos únicos también hacen que los trastornos del neurodesarrollo sean más probables en los humanos. Por ejemplo, muchos genes que confieren un alto riesgo de desarrollar un trastorno del espectro autista (TEA) son cruciales para el desarrollo del córtex. Aunque los estudios clínicos han demostrado la causalidad entre múltiples mutaciones genéticas y el autismo, los investigadores aún no comprenden cómo estas mutaciones conducen a defectos en el desarrollo del cerebro - y debido a la singularidad del desarrollo del cerebro humano, los modelos animales son de uso limitado. "Sólo un modelo humano del cerebro puede recapitular la complejidad y las particularidades del cerebro humano", afirma el Director Científico del IMBA, Jürgen Knoblich, uno de los autores correspondientes del estudio.
Para ayudar a abrir esta caja negra, investigadores de los grupos de investigación de Jürgen Knoblich y Barbara Treutlein en el IMBA y la ETH de Zúrich desarrollaron una técnica para examinar un conjunto completo de genes reguladores transcripcionales clave relacionados con el autismo. Este avance es especialmente impactante, ya que los genes de interés pueden examinarse simultáneamente dentro de un único organoide en mosaico, lo que marca el inicio de una era de cribado genético intrincado, eficiente y expeditivo en tejidos humanos. En el sistema recién desarrollado, denominado "CHOOSE" (CRISPR-human organoids-scRNA-seq), cada célula del organoide porta como máximo una mutación en un gen TEA específico. Los investigadores pudieron rastrear el efecto de cada mutación a nivel unicelular y trazar la trayectoria de desarrollo de cada célula. "Con esta metodología de alto rendimiento podemos inactivar sistemáticamente una lista de genes causantes de enfermedades. A medida que crecen los organoides portadores de estas mutaciones, analizamos el efecto de cada mutación en el desarrollo de cada tipo celular", explica Chong Li, primer autor del estudio y coautor del mismo, becario postdoctoral del grupo de Knoblich.
Un enfoque sistemático de alto rendimiento
Con el sistema CHOOSE, los equipos del IMBA y la ETH Zurich dan un salto cualitativo en la investigación de los genes causantes de enfermedades, proporcionando a los investigadores acceso a un método versátil y de alto rendimiento que puede aplicarse a cualquier enfermedad y en cualquier sistema modelo humano. Y lo que es más importante, CHOOSE acelera considerablemente el análisis en comparación con los métodos tradicionales de pérdida de función genética. "Podemos ver la consecuencia de cada mutación en un solo experimento, acortando así el tiempo de análisis drásticamente en comparación con los métodos tradicionales, utilizando un enfoque que durante décadas sólo fue posible en organismos como la mosca de la fruta", explica Knoblich. "Además, podemos seguir beneficiándonos de cien años de literatura científica sobre genes causantes de enfermedades".
Mutar varios genes en paralelo y rastrear sus efectos genera una enorme cantidad de datos. Para analizar este complejo conjunto de datos, la coautora Barbara Treutlein y su equipo de la ETH de Zúrich utilizaron métodos de bioinformática cuantitativa y aprendizaje automático. "Utilizando estos datos de expresión unicelular de alto rendimiento, podemos cuantificar si un determinado tipo de célula es más o menos abundante debido a una determinada mutación, y también podemos identificar conjuntos de genes que se ven común o claramente afectados por cada mutación. Comparando todas las mutaciones genéticas, podemos reconstruir el paisaje fenotípico de estas perturbaciones genéticas vinculadas a la enfermedad", explica Treutlein.
Aprender sobre el autismo durante el desarrollo
Utilizando el sistema CHOOSE, los investigadores demuestran que las mutaciones de 36 genes, que se sabe que exponen a los portadores a un alto riesgo de autismo, provocan cambios específicos en los tipos de células del cerebro humano en desarrollo. Identificaron cambios transcripcionales críticos regulados a través de redes comunes, denominadas "redes reguladoras de genes" o GRN. Una GRN es un conjunto de reguladores moleculares que interactúan entre sí para controlar una función celular específica, explica Li. "Demostramos que algunos tipos celulares son más susceptibles que otros durante el desarrollo cerebral e identificamos las redes más vulnerables a las mutaciones del autismo", añade.
"Con este enfoque, aprendimos que los genes causantes del autismo comparten algunos mecanismos moleculares comunes", dice Knoblich. Sin embargo, estos mecanismos comunes pueden tener efectos muy distintos en diferentes tipos de células. "Algunos tipos celulares son más vulnerables a las mutaciones que conducen al autismo, especialmente algunos progenitores neurales, las células fundadoras que generan neuronas. Esto es cierto hasta el punto de que la patología del autismo podría surgir ya en una fase temprana del desarrollo cerebral. Esto indica que algunos tipos celulares requerirán más atención en el futuro a la hora de estudiar los genes del autismo", afirma Li.
Para confirmar si estos hallazgos son relevantes para los trastornos humanos, los investigadores se asociaron con médicos de la Universidad Médica de Viena y generaron organoides cerebrales a partir de muestras de células madre de dos pacientes. Ambos pacientes tenían mutaciones en el mismo gen causante del autismo. "Los organoides generados a partir de ambos pacientes mostraban marcados defectos de desarrollo vinculados a un tipo celular específico. Pudimos validar estas observaciones in vitro comparando las estructuras de los organoides con las resonancias magnéticas prenatales del cerebro de uno de los pacientes", afirma Knoblich, demostrando que los datos de los organoides coincidían estrechamente con las observaciones clínicas.
Más allá del cerebro y el autismo...
Además de obtener información sin precedentes sobre la patología del autismo, el equipo subraya la versatilidad y transferibilidad del sistema CHOOSE. "Prevemos que nuestra técnica se aplicará ampliamente más allá de los organoides cerebrales para estudiar diversos genes asociados a enfermedades", afirma Knoblich. Con esta nueva técnica, los científicos y los médicos obtienen una herramienta de cribado de alto rendimiento, robusta y controlada con precisión, que acorta considerablemente el tiempo de análisis y proporciona valiosos conocimientos sobre los mecanismos de las enfermedades".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Chong Li, Jonas Simon Fleck, Catarina Martins-Costa, Thomas R. Burkard, Jan Themann, Marlene Stuempflen, Angela Maria Peer, Ábel Vertesy, Jamie B. Littleboy, Christopher Esk, Ulrich Elling, Gregor Kasprian, Nina S. Corsini, Barbara Treutlein, Juergen A. Knoblich; "Single-cell brain organoid screening identifies developmental defects in autism"; Nature, Volume 621, 2023-9-13
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la industria de las ciencias biológicas en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de biotecnología, productos farmacéuticos y ciencias de la vida le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
