La eliminación de un gen clave provoca rasgos autistas

Uno de esos genes es la astrotactina 2(ASTN2). En 2018, investigadores del Laboratorio de Neurobiología del Desarrollo de la Universidad Rockefeller descubrieron cómo los defectos en la proteína producida por el gen alteraban los circuitos del cerebelo en niños con afecciones del neurodesarrollo.

Ahora, el mismo laboratorio ha descubierto que la eliminación total del gen provoca varios comportamientos característicos del autismo. Como describen en un nuevo artículo publicado en PNAS, los ratones que carecían de ASTN2 mostraban comportamientos claramente diferentes a los de sus congéneres de tipo salvaje en cuatro aspectos clave: vocalizaban y socializaban menos, y eran más hiperactivos y repetitivos en su comportamiento.

"Todos estos rasgos son similares a los de las personas con TEA", afirma Michalina Hanzel, primera autora del artículo. "Junto a estos comportamientos, también encontramos cambios estructurales y fisiológicos en el cerebelo".

"Es un gran hallazgo en el campo de la neurociencia", afirma la directora del laboratorio, Mary E. Hatten, cuyo trabajo se ha centrado en esta región cerebral durante décadas. "También subraya esta historia emergente de que el cerebelo tiene funciones cognitivas que son bastante independientes de sus funciones motoras".

Un papel inesperado

En 2010, el laboratorio de Hatten descubrió que las proteínas producidas por el gen ASTN2 ayudan a guiar a las neuronas a medida que migran durante el desarrollo del cerebelo y forman su estructura. En el estudio de 2018, examinaron una familia en la que tres niños tenían tanto trastornos del neurodesarrollo como mutaciones en ASTN2. Descubrieron que en un cerebro desarrollado, las proteínas tienen un papel de guía similar: mantienen la conversación química entre las neuronas expulsando a los receptores de las superficies neuronales para hacer espacio para que los nuevos receptores roten. En un gen mutado, las proteínas no actúan y los receptores se amontonan, dando lugar a un atasco que dificulta las conexiones neuronales y la comunicación. Este impacto podía verse en las afecciones de los niños, que incluían discapacidad intelectual, retrasos en el lenguaje, TDAH y autismo.

El hallazgo formaba parte de un creciente conjunto de pruebas de que el cerebelo -la estructura cortical más antigua del cerebro- es importante no sólo para el control motor, sino también para el lenguaje, la cognición y el comportamiento social.

Para el estudio actual, Hanzel quería ver qué efectos podría tener la ausencia total del gen ASTN2 en la estructura cerebelosa y en el comportamiento. En colaboración con los coautores del estudio, Zachi Horn, antiguo postdoctorado en el laboratorio de Hatten, y con la ayuda de Shiaoching Gong, de Weill Cornell Medicine, Hanzel pasó dos años creando un ratón knockout que carecía de ASTN2, y luego estudió los cerebros y la actividad de ratones bebés y adultos.

Paralelismos conductuales

Los ratones knockout participaron en varios experimentos conductuales no invasivos para ver cómo se comparaban con sus compañeros de nido de tipo salvaje. Los ratones knockout mostraron características claramente diferentes en todos ellos.

En uno de ellos, los investigadores aislaron brevemente a las crías de ratón y midieron la frecuencia con la que llamaban a sus madres mediante vocalizaciones ultrasónicas. Estos sonidos son una parte clave del comportamiento social y la comunicación de los ratones, y son uno de los mejores indicadores que tienen los investigadores para evaluar los paralelismos con las habilidades lingüísticas humanas.

Las crías salvajes llamaban rápidamente a sus madres con sonidos complejos y cambiantes, mientras que las crías knockout emitían menos llamadas, más cortas y dentro de un rango limitado de tonos.

Problemas de comunicación similares son comunes en personas con TEA, afirma Hanzel. "Es una de las características más reveladoras, pero existe a lo largo de un espectro", afirma. "Algunos autistas no entienden la metáfora, mientras que otros se hacen eco del lenguaje que han oído por casualidad, y otros ni siquiera hablan".

En otro experimento, los investigadores comprobaron cómo interactuaban los ratones ASTN2 con ratones conocidos y desconocidos. Preferían interactuar con un ratón conocido que con uno desconocido. En cambio, los ratones de tipo salvaje siempre elegían la novedad social de una cara nueva.

Hanzel añade que esto también tiene paralelismos con el comportamiento del TEA humano, en el que es común la reticencia hacia entornos y personas desconocidos. "Es un resultado muy importante, porque demuestra que a los ratones con la mutación knockout no les gusta la novedad social y prefieren pasar tiempo con ratones que conocen, lo que se corresponde con las personas con TEA, a las que tienden a gustarles menos las interacciones sociales nuevas que las familiares."

En un tercer experimento, se dio rienda suelta a ambos tipos de ratones para que exploraran un espacio abierto durante una hora. Los ratones ASTN2 recorrieron una distancia significativamente mayor que los otros ratones y tuvieron un 40% más de comportamientos repetitivos, como dar vueltas en el mismo sitio. Tanto la hiperactividad como los comportamientos repetitivos son características bien conocidas del TEA.

Mala comunicación entre regiones cerebrales

Cuando analizaron los cerebros de los ratones ASTN2 , descubrieron algunos cambios estructurales y fisiológicos pequeños pero aparentemente potentes en el cerebelo. Uno de ellos era que las neuronas grandes llamadas células de Purkinje tenían una mayor densidad de espinas dendríticas, estructuras que se manchan con las sinapsis que envían señales neuronales. Pero sólo detectaron este cambio en zonas concretas del cerebelo. "Por ejemplo, encontramos la mayor diferencia en la región del vermis posterior, donde se controlan los comportamientos repetitivos e inflexibles", afirma Hanzel.

Los científicos también detectaron una disminución del número de espinas dendríticas inmaduras conocidas como filopodios y del volumen de fibras gliales de Bergmann, que ayudan a la migración celular.

"Las diferencias son bastante sutiles, pero afectan claramente al comportamiento de los ratones", afirma Hatten. "Los cambios probablemente están alterando la comunicación entre el cerebelo y el resto del cerebro".

En el futuro, los investigadores planean estudiar células cerebelosas humanas, que han estado desarrollando durante media docena de años a partir de células madre, así como células con mutaciones ASTN2 que fueron donadas por la familia en el estudio de 2018.

"Nos gustaría ver si podemos encontrar diferencias paralelas a lo que encontramos en ratones en células humanas", dice Hatten.

Y continúa: "También queremos observar la biología detallada de otros genes que están asociados con el autismo. Hay docenas de ellos, pero no hay ningún elemento común que los una. Estamos muy contentos de haber podido demostrar en detalle lo que hace ASTN2, pero hay muchos más genes que investigar."