Genética del Autismo: Caenorhabditis elegans como modelo experimental en el estudio de la función sináptica neuronal

Abstract

Los trastornos del espectro autista son de etiología desconocida. Los datos epidemiológicos en los que se compara la incidencia de estas enfermedades en gemelos monocigóticos y dicigóticos demuestran que tienen un origen predominantemente genético. Diversos resultados experimentales recientes indican que en un número significativo de casos, estos trastornos se originan por alteraciones en la sinapsis neuronal, que durante el desarrollo del sistema nervioso podrían constituir la raíz de las anomalías observadas en el comportamiento de estos sujetos. En esta tesis se han realizado dos aproximaciones experimentales diferentes. En una primera se analizaron polimorfismos de genes implicados en el metabolismo de neurotransmisores y la asociación de éstos con el autismo, en una muestra homogénea de pacientes diagnosticados con el trastorno. Los neurotransmisores juegan un papel crucial en el desarrollo y funcionamiento del sistema nervioso. Por esta razón se ha considerado que la alteración del metabolismo de los mismos podría ser el origen de algunos casos de autismo. Esta sospecha se ha visto reforzada por el hecho de que un tercio de las personas diagnosticadas con este trastorno tienen niveles elevados de serotonina en sangre. En concreto se analizaron polimorfismos de los genes SLC6A4 (transportador de la serotonina), DRD4 (receptor de dopamina D4), DAT1 (transportador de dopamina) y MAO-A (monoamina oxidasa, enzima que degrada serotonina y catecolaminas). Los resultados mostraron asociación significativa del autismo con el alelo 5HTTLPR-S del promotor del gen SLC6A4, que causa una menor expresión del trasportador de serotonina. Además este mismo alelo se transmitía de forma preferencial por parte de la línea materna, lo que indicaría que el genotipo materno asociado con una disminución de la recaptación de la serotonina, podría originar unas condiciones desfavorables para el desarrollo del sistema nervioso en el feto. Las estrategias basadas en análisis genéticos como los estudios de ligamiento en familias, asociación de genes candidatos en poblaciones, GWAS (estudio de asociación del genoma completo), técnicas citogenéticas y secuenciación de nueva generación constituyen una herramienta de gran utilidad para localizar genes implicados en el autismo. No obstante estos trabajos son costosos, requieren una muestra amplia y no permiten profundizar a nivel experimental en las bases celulares y moleculares de este trastorno. Este inconveniente sería posible solventarlo recurriendo a sistemas y organismos de menor complejidad y fácil manejo en el laboratorio. Esta estrategia de simplificación ha sido utilizada en muchas ocasiones en biología para estudiar mecanismos básicos, cuyos conocimientos se extrapolaron posteriormente a organismos de mayor complejidad. El animal modelo utilizado en el autismo es el ratón. En esta tesis y como una segunda aproximación experimental, se decidió utilizar el nematodo Caenorhabditis elegans, una especie que presenta muchas ventajas como organismo modelo por su fácil manipulación en el laboratorio y por su extraordinaria simplicidad para el estudio del sistema nervioso, ya que el hermafrodita adulto posee 302 neuronas y 56 células gliales de un total de 959 células somáticas. La hipótesis de partida es que la utilización de este organismo permitiría establecer un modelo donde se podrían analizar mecanismos neurobiológicos básicos implicados en el autismo. Desde esta otra aproximación experimental se caracterizó el efecto de mutaciones en genes de C. elegans ortólogos de genes humanos implicados en autismo. En concreto se estudiaron los genes nrx-1 y nlg-1 que codifican las proteínas neurexina y neuroliguina respectivamente, ambas implicadas en la adhesión sináptica neuronal. En primer lugar se analizaron los patrones de comportamiento de mutantes simples y dobles por deleción en estos genes, observando alteraciones en el ciclo de defecación, en la respuesta mecanosensorial, en la capacidad de exploración, en la tasa de movimiento y en la capacidad de respuesta a un choque osmótico, así como en la sensibilidad a aldicarb (inhibidor de la acetilcolinesterasa), levamisol (agonista colinérgico) y pentilentetrazol (antagonista de GABA). En segundo lugar se estudiaron los patrones de expresión de ambos genes en estirpes transgénicas de C. elegans obtenidas por la fusión de los promotores de nrx-1 y nlg-1 con la proteínas GFP y/o mCherry; pudiéndose concluir que ambos genes se expresan casi exclusivamente en el sistema nervioso del nematodo e identificándose la expresión de los mismos en neuronas específicas del cordón nervioso ventral y en cuerpos neuronales localizados en los ganglios de la cabeza. Por último, y quizás el resultado más prometedor de este trabajo, ha sido el rescate funcional de mutantes de C. elegans deficientes en el gen nlg-1, con el cDNA del gen NLGN1 humano y Nlgn1 de rata. Los animales knockout en el gen nlg-1 y transgénicos portando el cDNA tanto de humanos como murino, recuperaban de manera significativa el comportamiento del nematodo silvestre en la respuesta al estrés osmótico. De enorme interés también es el hecho que los cDNAs con la mutación Asp396X descrita en autismo eran incapaces de rescatar el fenotipo silvestre. Por todo lo expuesto, los resultados obtenidos en este trabajo permiten concluir que la utilización de C. elegans como organismo modelo en el estudio del autismo es una alternativa prometedora. Este organismo permite crear un escenario experimental que facilita el estudio genético de algunos de los componentes sinápticos implicados en el trasorno. El objetivo a corto plazo es que los resultados obtenidos puedan extrapolarse a humanos y que ayuden a explicar algunos de los mecanismos neurobiológicos que intervienen en la etiología de los trastornos del espectro autista.