Lisa Pavinato
Neuroni derivati da cellule staminali per studiare CAPRIN1, un nuovo gene associato ad un raro disordine del neurosviluppo
I disordini del neurosviluppo (DDN) -tra cui la disabilità intellettiva, il disturbo dello spettro autistico e il deficit di attenzione e iperattività-, hanno un’incidenza notevole nella popolazione, soprattutto in quella pediatrica.
Negli ultimi anni, l’evidenza che molti DDN abbiano una base genetica sta esponenzialmente aumentando, e ad oggi più di cento geni sono stati correlati a queste condizioni, sottolineando un’enorme variabilità genetica. Nel nostro laboratorio è stato attivo per diversi anni un progetto internazionale, chiamato NeuroWES, che si poneva l’obiettivo di studiare le basi genetiche dei disordini del neurosviluppo in pazienti pediatrici. Abbiamo collaborato con diversi ospedali pediatrici, dove di routine si eseguivano il test dell’X Fragile e il CGH array per pazienti con disordini del neurosviluppo. Qualora questi test risultassero essere negativi, i pazienti potevano essere arruolati nel progetto NeuroWES, che prevedeva il sequenziamento completo dell’esoma del paziente e dei suoi genitori, in collaborazione con il Broad Institute di New York.
Questo progetto, ci ha permesso di risolvere numerosi casi per i quali non era ancora stata trovata una diagnosi genetica e ci ha consentito di identificare nuovi meccanismi patogenetici. Abbiamo inoltre avuto l’opportunità di identificare e studiare nuovi geni correlati a DDN. L’oggetto del mio lavoro è in particolare in questo ultimo ambito, ovvero l’identificazione di nuovi geni causativi per DDN, con l’obbiettivo di comprendere i meccanismi aberranti che portano allo sviluppo di questi disordini. Tra gli altri, nel 2023 abbiamo identificato e studiato per la prima volta il gene CAPRIN1 come associato ad una forma di DDN molto rara, con meno di venti pazienti descritti nel mondo. CAPRIN1 è un gene che codifica per una proteina che ha un ruolo fondamentale nello sviluppo cerebrale. Precedenti studi in modelli animali avevano mostrato come la sua completa assenza fosse incompatibile con la vita e come la perdita di metà dose di questa proteina fosse invece associata a difetti della trasmissione sinaptica e della funzionalità neuronale. Questa proteina, inoltre, interagisce con la proteina FMRP, e insieme controllano la traduzione proteica. Partendo dai dati di sequenziamento dei pazienti, abbiamo identificato un primo caso con una variante genetica che causa una perdita di funzione della proteina CAPRIN1. Trattandosi di una proteina che ha un ruolo molto importante nello sviluppo del cervello, abbiamo cercato altri pazienti con varianti genetiche nello stesso gene, e alla fine abbiamo raccolto un totale di dodici pazienti con varianti da perdita di funzione nel gene CAPRIN1, provenienti da diversi paesi.
Le varianti identificate sono prevalentemente de novo, ovvero presenti solo nel paziente affetto e non nei suoi genitori; tuttavia, sono anche presenti un caso famigliare, con un padre e suo figlio entrambi affetti, e un caso ereditato da una madre non affetta. I pazienti identificati, nove maschi e tre femmine, hanno un’età tra i tre e 48 anni e mostrano difficoltà del linguaggio (100% dei casi), disabilità intellettiva (83%), deficit di attenzione e iperattività (82%), autismo (67%) e, in alcuni casi, epilessia (33%). Alcuni pazienti mostrano anche caratteristiche aggiuntive, come problemi respiratori, anomalie scheletriche soprattutto a carico degli arti, problemi visivi, uditivi e gastrointestinali. Utilizzando cellule derivate dai pazienti, abbiamo potuto identificare una metà dose del gene e della proteina CAPRIN1, che ci hanno confermato che l’allele mutato va incontro a degradazione. Per meglio studiare la funzione del gene CAPRIN1, abbiamo poi utilizzato anche delle tecniche di ingegneria genetica per ottenere delle linee di cellule staminali con metà dose della proteina: queste linee sono poi state differenziate in neuroni e studiate. Il nostro lavoro, ci ha permesso di scoprire che la mancanza di metà dose di CAPRIN1 causa importanti difetti morfologici e funzionali dei neuroni, tra cui ridotta attività elettrica, maggiore stress ossidativo, riduzione della lunghezza dei processi neuronali e aumentato segnale del calcio. La proteina CAPRIN1 è inoltre coinvolta nel controllo della traduzione proteica, e abbiamo osservato un importante difetto a questo livello. La combinazione di tutti questi meccanismi deficitari porta ad una maggiore morte cellulare con conseguente alterazione del network neuronale. Questo studio ci ha permesso pertanto di identificare dei meccanismi alterati causati da variazioni nel gene CAPRIN1, permettendoci di collegare la sua perdita di funzione ad un nuovo disordine del neurosviluppo a base genetica e a trasmissione autosomica dominante. Al momento stiamo proseguendo i nostri studi per identificare nuovi meccanismi patogenetici che possano permetterci di meglio comprendere la funzione di questo gene. Stiamo inoltre espandendo il reclutamento della coorte di pazienti con varianti in CAPRIN1.