Gen Risiko Autisme Berbeda, Efek Sama pada Perkembangan Otak

Ringkasan: Tiga gen risiko autisme yang berbeda mempengaruhi aspek yang sama dari pembentukan saraf dan jenis neuron yang sama di otak manusia yang sedang berkembang.

Sumber: Harvard

Gangguan spektrum autisme telah dikaitkan dengan ratusan gen yang berbeda, tetapi bagaimana mutasi genetik yang berbeda ini bertemu pada patologi yang sama pada pasien tetap menjadi misteri. Sekarang, para peneliti di Universitas Harvard dan Institut Broad MIT dan Harvard telah menemukan bahwa tiga gen risiko autisme yang berbeda sebenarnya mempengaruhi aspek yang sama dari pembentukan saraf dan jenis neuron yang sama di otak manusia yang sedang berkembang.

Dengan menguji mutasi genetik dalam model 3D miniatur otak manusia yang disebut “organoid otak,” para peneliti mengidentifikasi cacat keseluruhan yang serupa untuk setiap gen risiko, meskipun masing-masing bertindak melalui mekanisme molekuler universal yang unik.

Hasilnya, dipublikasikan di jurnal Alam, memberikan peneliti pemahaman yang lebih baik tentang gangguan spektrum autisme dan merupakan langkah pertama menuju menemukan perawatan untuk kondisi tersebut.

“Banyak upaya di lapangan didedikasikan untuk memahami apakah ada kesamaan di antara banyak gen risiko yang terkait dengan autisme. Menemukan fitur bersama tersebut dapat menyoroti target umum untuk intervensi terapeutik yang luas, terlepas dari asal genetik penyakit. Data kami menunjukkan bahwa beberapa mutasi penyakit memang menyatu dalam mempengaruhi sel dan proses perkembangan yang sama, tetapi melalui mekanisme yang berbeda.

“Hasil ini merupakan penyelidikan masa depan pendekatan terapeutik yang ditujukan untuk modulasi sifat disfungsional otak bersama,” kata penulis senior studi Paola Arlotta, yang adalah Profesor Sel Punca dan Biologi Regeneratif Keluarga Golub di Universitas Harvard dan anggota institut di Universitas Harvard. Stanley Center for Psychiatric Research di Broad Institute.

Laboratorium Arlotta berfokus pada model organoid dari korteks serebral manusia, bagian otak yang bertanggung jawab untuk kognisi, persepsi, dan bahasa. Model dimulai sebagai sel induk, kemudian tumbuh menjadi jaringan 3D yang berisi banyak jenis sel korteks, termasuk neuron yang mampu menyala dan terhubung ke sirkuit.

“Pada 2019, kami menerbitkan metode untuk memungkinkan produksi organoid dengan kemampuan unik untuk tumbuh secara reproduktif. Mereka secara konsisten membentuk jenis sel yang sama, dalam urutan yang sama, seperti korteks serebral manusia yang sedang berkembang, ”kata Silvia Velasco, rekan pascadoktoral senior di lab Arlotta dan penulis pendamping dalam studi baru.

“Ini adalah mimpi yang menjadi kenyataan untuk sekarang melihat bahwa organoid dapat digunakan untuk menemukan sesuatu yang tidak terduga dan sangat baru tentang penyakit serumit autisme.”

Dalam studi baru, para peneliti menghasilkan organoid dengan mutasi pada salah satu dari tiga gen risiko autisme, yang diberi nama SUV420H1, ARID1Bdan CHD8. “Kami memutuskan untuk memulai dengan tiga gen yang memiliki fungsi hipotetis yang sangat luas. Mereka tidak memiliki fungsi yang jelas yang dapat dengan mudah menjelaskan apa yang terjadi pada gangguan spektrum autisme, jadi kami tertarik untuk melihat apakah gen-gen ini entah bagaimana melakukan hal yang serupa,” kata Bruna Paulsen, rekan postdoctoral di lab Arlotta dan co- penulis utama.

Para peneliti menumbuhkan organoid selama beberapa bulan, dengan cermat memodelkan tahap progresif bagaimana korteks serebral manusia terbentuk. Mereka kemudian menganalisis organoid menggunakan beberapa teknologi: pengurutan RNA sel tunggal dan pengurutan ATAC sel tunggal untuk mengukur perubahan dan regulasi ekspresi gen yang disebabkan oleh setiap mutasi penyakit; proteomik untuk mengukur respons dalam protein; dan pencitraan kalsium untuk memeriksa apakah perubahan molekuler tercermin dalam aktivitas abnormal neuron dan jaringannya.

“Studi ini hanya mungkin dilakukan sebagai kolaborasi dari beberapa laboratorium yang bersatu, masing-masing dengan keahlian mereka sendiri, untuk menyerang masalah yang kompleks dari berbagai sudut,” kata rekan penulis Joshua Levin, seorang ilmuwan institut di Stanley Center dan Klarman Cell. Observatorium di Institut Luas.

Para peneliti menemukan bahwa semua gen risiko mempengaruhi neuron dengan cara yang sama, baik mempercepat atau memperlambat perkembangan saraf. Dengan kata lain, neuron berkembang pada waktu yang salah. Juga, tidak semua sel terpengaruh – sebaliknya, semua gen risiko memengaruhi dua populasi neuron yang sama, tipe penghambatan yang disebut neuron GABAergik dan tipe rangsang yang disebut neuron proyeksi rangsang lapisan dalam. Ini menunjuk pada sel-sel terpilih yang mungkin menjadi target khusus dalam autisme.

“Korteks dibuat dengan cara yang sangat teratur: setiap jenis neuron muncul pada saat tertentu, dan mereka mulai terhubung sangat awal. Jika Anda memiliki beberapa sel yang terbentuk terlalu dini atau terlalu terlambat dibandingkan dengan yang seharusnya, Anda mungkin mengubah cara sirkuit pada akhirnya terhubung, ”kata Martina Pigoni, mantan rekan postdoctoral di lab Arlotta dan penulis pendamping.

Selain menguji gen risiko yang berbeda, para peneliti juga memproduksi organoid menggunakan sel punca dari individu donor yang berbeda. “Tujuan kami adalah untuk melihat bagaimana perubahan pada organoid dapat dipengaruhi oleh latar belakang genetik unik individu,” kata Amanda Kedaigle, ahli biologi komputasi lab Arlotta dan penulis pendamping.

Ketika melihat organoid yang dibuat dari donor yang berbeda, perubahan keseluruhan dalam perkembangan saraf serupa, namun tingkat keparahannya bervariasi antar individu. Efek gen risiko disesuaikan dengan genom donor lainnya.

“Sangat membingungkan bagaimana mutasi gen risiko autisme yang sama sering menunjukkan manifestasi klinis yang bervariasi pada pasien. Kami menemukan bahwa konteks genomik manusia yang berbeda dapat memodulasi manifestasi fenotipe penyakit dalam organoid, menunjukkan bahwa kami mungkin dapat menggunakan organoid di masa depan untuk menguraikan kontribusi genetik yang berbeda ini dan bergerak lebih dekat ke pemahaman yang lebih lengkap tentang patologi kompleks ini, ”Arlotta dikatakan.

“Studi genetik telah sangat berhasil dalam mengidentifikasi perubahan dalam genom yang terkait dengan gangguan spektrum autisme dan kondisi perkembangan saraf lainnya. Langkah sulit selanjutnya dalam menemukan pengobatan baru adalah memahami dengan tepat apa yang dilakukan mutasi ini pada otak yang sedang berkembang,” kata Steven Hyman, Profesor Sel Induk dan Biologi Regeneratif Universitas Harvard, direktur Stanley Center. di Broad, dan anggota inti Broad Institute.

“Dengan memetakan perubahan di sirkuit otak ketika variasi genetik hadir, kita dapat mengambil langkah tentatif berikutnya ke arah diagnosis yang lebih baik dan mengungkap jalan baru untuk eksplorasi terapeutik.”

Lihat juga

Pendanaan: Penelitian ini didukung oleh Stanley Center for Psychiatric Research, Broad Institute of MIT dan Harvard, National Institutes of Health (R01-MH112940, P50MH094271, U01MH115727, 1RF1MH123977), Klarman Cell Observatory, dan Howard Hughes Medical Institute. Salah satu garis sel (HUES66 CHD8) dibuat dengan dukungan dari Yayasan Simons dan Institut Kesehatan Nasional.

Tentang genetika dan berita penelitian ASD ini

Pengarang: Jessica Lau
Sumber: Harvard
Kontak: Jessica Lau – Harvard
Gambar: Gambar dikreditkan ke laboratorium Paola Arlotta di Universitas Harvard dan laboratorium Kwanghun Chung di MIT.

Penelitian Asli: Akses tertutup.
“Gen autisme berkumpul pada pengembangan asinkron dari kelas neuron bersamaoleh Paola Arlotta dkk. Alam

Abstrak

Gen autisme berkumpul pada pengembangan asinkron dari kelas neuron bersama

Risiko genetik untuk gangguan spektrum autisme (ASD) dikaitkan dengan ratusan gen yang mencakup berbagai fungsi biologis. Perubahan pada otak manusia akibat mutasi pada gen ini masih belum jelas. Selanjutnya, manifestasi fenotipik mereka bervariasi antar individu.

Di sini kami menggunakan model organoid korteks serebral manusia untuk mengidentifikasi kelainan perkembangan spesifik tipe sel yang dihasilkan dari haploinsufisiensi dalam tiga gen risiko ASD—SUV420H1 (juga dikenal sebagai KMT5B), ARID1B dan CHD8—dalam beberapa baris sel dari donor yang berbeda, menggunakan analisis sekuensing RNA sel tunggal (scRNA-seq) lebih dari 745.000 sel dan analisis proteomik organoid individu, untuk mengidentifikasi konvergensi fenotipik. Masing-masing dari tiga mutasi memberikan perkembangan asinkron dari dua garis keturunan neuron kortikal utama—neuron -aminobutyric-acid-releasing (GABAergic) dan neuron proyeksi rangsang lapisan dalam—tetapi bekerja melalui jalur molekuler yang sama sekali berbeda.

Meskipun fenotipe ini konsisten di seluruh garis sel, ekspresivitasnya dipengaruhi oleh konteks genom individu, dengan cara yang bergantung pada gen risiko dan cacat perkembangan. Pencitraan kalsium pada organoid utuh menunjukkan bahwa perubahan perkembangan tahap awal ini diikuti oleh aktivitas sirkuit abnormal.

Penelitian ini mengungkap kelainan perkembangan saraf spesifik tipe sel yang dibagikan di seluruh gen risiko ASD dan dimodulasi dengan baik oleh konteks genom manusia, menemukan konvergensi berdasarkan neurobiologis tentang bagaimana gen risiko yang berbeda berkontribusi pada patologi ASD.