Fattori di rischio epigenetici per i sintomi dell’autismo

Guinchat et al. (2012b) ha avvertito che non era chiaro se i rischi ambientali prenatali, perinatali e neonatali fossero “causali o giocassero un ruolo secondario nel plasmare l’espressione clinica in individui con vulnerabilità genetica” (p. 288). Qualsiasi segnale che influenza l’espressione o l’azione di un gene è un’interazione gene–ambiente. I processi epigenetici sono meccanismi specifici che regolano l’esposizione ambientale e attraverso i quali i fattori ambientali possono esercitare effetti per tutta la vita o addirittura cross-generation sull’espressione genica. Le prove per la disregolazione dei processi epigenetici nell’autismo si sono accumulate (Fradin et al., 2010; Grafodatskaya et al., 2010; Kopsida et al., 2011; Nguyen, Rauch, Pfeifer, & Hu, 2010).

L’epigenetica è la modifica della cromatina, che è il DNA genomico con proteine associate, in gran parte istoni. La cromatina modella il DNA per adattarsi al nucleo della cellula e struttura il DNA per la replicazione e per il controllo dell’espressione genica. Gli effetti ambientali e gli effetti all’interno delle cellule modificano la cromatina, lasciando modificazioni epigenetiche, chiamate segni epigenetici. La modifica avviene attraverso tre processi fondamentali: l’azione delle proteine istoniche, la metilazione del DNA e il rimodellamento della cromatina. Gli istoni forniscono bobine strutturali che il DNA avvolge e gli istoni influenzano la metilazione. La metilazione è l’aggiunta di un gruppo metilico (CH3) a una molecola di citosina in un gene, causando la soppressione di quel gene, chiamata anche silenziamento. Il rimodellamento della cromatina sta muovendo i nucleosomi sul DNA, permettendo così ai fattori di trascrizione della proteina di trascrivere le regioni del DNA precedentemente bloccate.

L’epigenoma di un individuo può rappresentare una notevole variazione fenotipica. I meccanismi epigenetici includono: imprinting, in cui l’allele di un genitore controlla l’espressione genica; X-inattivazione di una delle due copie del cromosoma X; silenziamento genico, in cui la modifica dell’istone spegne un gene; e molti altri meccanismi pure. Turner (2011) ha riassunto che “le modifiche degli istoni si trovano al centro dei meccanismi attraverso i quali una varietà di proteine e complessi proteici funzionalmente significativi sono mirati a, o esclusi da, regioni specifiche del genoma. Questi includono fattori di trascrizione, enzimi che modificano la cromatina, i complessi che metilano il DNA o i rimodellatori della cromatina che riposizionano i nucleosomi lungo il filamento di DNA” (p. 2033). Inoltre, Jessen e Auger (2011) hanno ipotizzato che le differenze sessuali nei “fattori epigenetici non solo contribuiscano alla differenziazione sessuale del cervello e del comportamento sociale, ma che possano conferire rischio e resilienza sessualmente dimorfica per lo sviluppo di disturbi neurologici e mentali più tardi nella vita” (p. 857).

Grafodatskaya et al. (2010) ha esaminato i fattori epigenetici nell’autismo e li ha organizzati in quattro gruppi. Il primo gruppo comprendeva sindromi epigenetiche con un aumentato rischio di autismo. Questi includevano tre sindromi che causano macrocefalia, PTEN, sindrome di Sotos e sindrome di Beckwith-Wiedemann, così come la sindrome di Rett, la sindrome X fragile, la sindrome di Angelman, la sindrome di Prader-Willi, la sindrome di Turner e la sindrome di CARICA causata da una mutazione nel gene CHD7 che si pensa abbia un ruolo epigenetico nel rimodellamento della cromatina.

Le sindromi epigenetiche raggruppate da Grafodatskaya et al. (2010) ha rappresentato diversi tipi di processi epigenetici. Ad esempio, la sindrome di Rett deriva da una mutazione nel gene MECP2. Il gene produce Metil-CpG binding protein 2, una proteina che regola il controllo epigenetico ed è necessaria per la maturazione neuronale e la sinaptogenesi. La mancanza della proteina MECP2 provoca neuroni anormalmente strutturati e, poiché provoca un eccesso di rilascio del neurotrasmettitore glutammato, ha un effetto neurotossico sulla microglia, le cellule protettive del sistema immunitario nel cervello (de Leon-Guerrero et al., 2011). La sindrome dell’X fragile comporta un diverso processo epigenetico: un’alterazione del gene FMR1 conferisce maggiore suscettibilità alla metilazione e conseguente silenziamento del gene FMR1. La sindrome di Angelman e la sindrome di Prader-Willi coinvolgono ancora un altro processo epigenetico: l’imprinting.

Ereditiamo i nostri 20.000-22.000 geni in coppie. Ogni coppia contiene la variante del gene di nostra madre, chiamata allele materno, e la variante di nostro padre, l’allele paterno. Per alcuni geni, viene espresso solo l’allele materno o l’allele paterno e l’altro allele viene silenziato mediante imprinting. Al momento, sono stati identificati quasi 100 geni umani che mostrano un’espressione impressa (Barlow, 2011). La maggior parte dei geni impressi si verificano in cluster in un dominio cromosomico regolato da un centro di imprinting che controlla l’attivazione delle regioni cromosomiche materne rispetto a quelle paterne. La cosa più importante è che molte proteine prodotte da geni impressi regolano lo sviluppo del cervello.

La sindrome di Angelman rappresenta alcuni casi di autismo. Deriva dalla perdita della funzione del gene UBE3A impresso per via materna, un gene in cui l’allele paterno è normalmente silenziato. Questa perdita può verificarsi come risultato di mutazioni puntiformi nel gene, o della delezione della regione del cromosoma 15q11–q13 ereditata dalla madre, o di mutazioni all’interno di un centro di imprinting specializzato nel cluster genico all’interno della regione 15q11–q13. La sindrome di Prader-Willi, un’altra sindrome epigenetica che può produrre sintomi di autismo, deriva dalla perdita di espressione di uno o più geni paternalmente espressi nella stessa regione cromosomica, 15q11–q13.

Il secondo gruppo Grafodatskaya et al. (2010) definito era l’autismo sindromico legato a geni o regioni genomiche regolate da segni epigenetici. Questo gruppo includeva geni nella duplicazione cromosomica della regione 15q11-13, come UBE3A, SNRPN e NDN. A differenza della cancellazione della regione 15q11–13 e della perdita della funzione del gene UBE3A nella sindrome di Angelman, la duplicazione della regione 15q11–13 non produce la sindrome di Angelman o la sindrome di Prader-Willi. Tuttavia, l ‘ 85% degli individui con questa duplicazione cromosomica è stato diagnosticato con autismo. Grafodatskaya et al. (2010) ha esaminato l’ampia variabilità nel fenotipo delle duplicazioni 15q11–13. Oltre ai sintomi dell’autismo, la variabilità in questo fenotipo includeva una serie di disturbi cognitivi, ansia, capricci, iperattività, ritardi motori, convulsioni e caratteristiche facciali dismorfiche, nonché deficit sociali e linguistici.

Grafodatskaya et al. (2010) ha definito il terzo gruppo come autismo idiopatico legato a geni regolati epigeneticamente o regioni genomiche o geni che hanno servito la regolazione epigenetica. Questo gruppo comprendeva i geni del metabolismo dei folati, MTHFR, DHFR, TCN2, COMT e RFC e i geni regolati epigeneticamente RELN, BDNF e OXTR. Questo terzo gruppo comprendeva anche un gene DLX6.1 impresso sul braccio lungo del cromosoma 7 e una disomia materna uniparentale sul cromosoma 1. La disomia uniparentale si verifica quando entrambe le copie di una coppia cromosomica provengono da un genitore e possono causare uno sviluppo disordinato interrompendo l’imprinting o consentendo l’espressione di mutazioni genetiche recessive.

Due esempi di questo terzo gruppo sono i geni OXTR e RELN. L’aumento della metilazione del promotore del gene del recettore dell’ossitocina è stato collegato all’autismo. Il gene RELN ha una regione associata e il gene insieme alla regione associata è chiamato la variante allele lunga del gene RELN. L’allele lungo è in grado di sopprimere epigeneticamente l’espressione genica ed è stato trovato in associazione con l’autismo. La proteina RELN è fondamentale per la migrazione dei neuroni e la formazione di sinapsi in gran parte del cervello.

Il quarto gruppo Grafodatskaya et al. (2010) definiti come fattori di rischio epigenetici per l’autismo comprendevano trattamenti che cambiavano i segni epigenetici. Questi includevano il processo di induzione degli ovuli coinvolto nella riproduzione assistita e il valproato, un farmaco somministrato per trattare convulsioni, emicrania e episodi maniacali o misti associati al disturbo bipolare. Il processo di induzione dell’ovulazione nella riproduzione assistita è stato collegato ad un aumentato rischio di due disturbi dell’imprinting—sindrome di Beckwith-Wiedemann e sindrome di Angelman—nonché ad un aumento del rischio di sintomi autistici. È stato dimostrato che il valproato altera il metabolismo dei folati e interferisce con le funzioni degli istoni. Le alterazioni epigenetiche causate dal valproato assunto da una madre durante la gravidanza causano esiti avversi come spina bifida, difetti cardiaci, anomalie craniofacciali, difetti scheletrici e degli arti, caratteristiche dismorfiche, diminuzione della crescita intrauterina, disabilità intellettiva e sintomi di autismo.

Oltre ai fattori epigenetici esaminati da Grafodatskaya et al. (2010), ci sono altri risultati e teorie dei fattori epigenetici nell’autismo. L’evidenza di possibili fattori epigenetici è stata riportata da Fradin et al. (2010). I ricercatori hanno condotto una scansione del linkage a livello genomico alla ricerca di effetti genitore-di-origine utilizzando 16.311 SNPS in due campioni di famiglia: l’Autismo Genetic Resource Exchange e il National Institute of Mental Health autism repository. I ricercatori hanno trovato un significativo legame parentale di origine per i cromosomi 4, 15 e 20. Fradin et al. (2010) ha osservato che il gene candidato più forte sul cromosoma 4 era l’OROLOGIO, un gene che codifica una proteina che regola il ritmo circadiano. I geni candidati più forti per il cromosoma 15 erano RASGRF1, un gene legato alla memoria, e NRG4, neuregulina 4 e CHRNA3/B4, recettore colinergico, così come MTHFS, un gene coinvolto nella regolazione della metilazione del DNA, e quindi importante per i meccanismi epigenetici. Il gene candidato più forte per il cromosoma 20 era SNPH, gene syntaphiliyn che produce una proteina che contribuisce allo sviluppo dell’elaborazione sinaptica dei neurotrasmettitori. Fradin et al. (2010) ha anche trovato prove che suggeriscono ulteriori regioni di legame specifiche dei genitori sui cromosomi 1, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 17, e 21. Fradin et al. (2010) ha concluso che a causa del “potenziale ruolo dell’imprinting e di altri meccanismi epigenetici nei disturbi neuropsichiatrici come l’autismo, le regioni identificate sono buoni candidati per la valutazione delle varianti funzionali e della loro relazione con i segni epigenetici come lo stato di metilazione sul DNA paterno e materno” (p. 6).

Ulteriori prove per i fattori epigenetici provenivano dalla ricerca di Nguyen et al. (2010), che ha proposto che i meccanismi regolatori epigenetici fossero importanti nella fisiopatologia dell’autismo. Nguyen et al. (2010) ha condotto analisi neuropatologiche dagli array di tessuti post mortem del programma di tessuti autistici a San Diego, in California. I ricercatori hanno trovato una diminuzione dell’espressione di due proteine, RORA e BCL-2, nel tessuto del cervelletto e della corteccia frontale, e hanno notato che l’espressione di entrambe le proteine potrebbe essere stata ridotta dalla metilazione aberrante. BCL-2 è importante per la sopravvivenza cellulare e studi precedenti avevano riportato una riduzione del 30% della proteina BCL-2 nei lobi parietali e nella corteccia frontale superiore dei maschi con autismo. La proteina RORA ha molte funzioni, tra cui la regolazione della sopravvivenza e la differenziazione delle cellule di Purkinje e la regolazione dello sviluppo del cervelletto.

Sono state proposte diverse teorie di una causa epigenetica per l’autismo. Nguyen et al. (2010) ha concluso che i meccanismi epigenetici nell’autismo dovrebbero essere studiati perché le modificazioni epigenetiche “possono essere influenzate dall’esposizione a modulatori biologici e fattori ambientali between tra genotipo e fattori intrinseci o estrinseci che contribuiscono all’ASD” (p. 3049). Rogaev (2012) ha ipotizzato che le interazioni genetico–epigenomiche (GEI) fossero probabili cause di schizofrenia e autismo. Rogaev (2012) ha sostenuto che le alterazioni nelle trasformazioni epigenomiche programmate durante lo sviluppo, o cambiamenti indotti dall’ambiente nei processi epigenomici altererebbero le regioni genomiche che erano gli obiettivi dei processi epigenomici, con conseguente trascrizione genetica alterata. Kopsida et al. (2011) ha osservato che “i cambiamenti indotti dall’ambiente nei processi epigenomici” potrebbero essere causati da una dieta materna priva di acido folico, vitamina B12 e colina. La mancanza di questi elementi dietetici può interrompere i processi epigenetici della metilazione del DNA e della modifica dell’istone, compromettendo così la funzione genica, portando a una crescita e uno sviluppo del cervello fetale alterati. Come descritto sopra nella discussione dei fattori prenatali, Schmidt et al. (2011) ha riferito che le madri di bambini con autismo avevano meno probabilità di aver assunto vitamine prenatali prima e durante la gravidanza rispetto alle madri di bambini in genere in via di sviluppo. Schmidt et al. (2011) ha trovato interazioni significative per due varianti geniche e rischio di autismo in assenza di vitamine prenatali.

Kopsida et al. (2011) ha proposto una cascata negativa di eventi in cui la dieta di una madre, le infezioni, l’abuso di sostanze, lo stress e il trauma potrebbero provocare un’espressione placentare disregolata di una varietà di geni impressi. I geni impressi disregolati della placenta, a loro volta, interromperebbero il normale flusso di ossigeno, sostanze nutritive e ormoni al feto, che quindi causerebbero l’espressione fetale disregolata dei geni impressi e quindi interromperebbero i fattori di crescita insulino-simili. I fattori di crescita interrotti comporterebbero una restrizione della crescita fetale, che a sua volta si tradurrebbe in autismo.

In una diversa teoria della causalità epigenetica per l’autismo, Ploeger, Raijmakers, van der Maas e Galis (2010) teorizzarono che l’autismo era il risultato di una singola mutazione o disturbo ambientale “durante l’organogenesi precoce, lo stadio embrionale dal giorno 20 al giorno 40 dopo la fecondazione” (p. 605). Hanno sostenuto che, durante questo periodo embrionale, l’interattività tra le parti del corpo rende l’embrione molto vulnerabile alle interruzioni dello sviluppo. Ploeger et al. (2011) ha sostenuto che le prove che collegano l’autismo a vari deficit cerebrali, principali anomalie strutturali, anomalie fisiche minori e molte condizioni mediche hanno sostenuto la plausibilità della finestra embrionale di 20 giorni per un insulto che si tradurrebbe in sintomi di autismo.

Ploeger et al. (2011) ha teorizzato che l’interruzione del processo epigenetico di imprinting era probabile che fosse la causa dell’insulto durante il periodo di vulnerabilità di 20 giorni. Hanno ragionato che i geni impressi sono importanti nel neurosviluppo, sono espressi durante l’embriogenesi precoce, sono associati all’autismo e alla schizofrenia, sono altamente pleiotropici, possono spiegare i rapporti sessuali nell’autismo e quindi possono essere la fonte principale di interruzione in questo periodo embrionale.

Sommario: Sono necessari ulteriori dati per comprendere i fattori di rischio epigenetici

Alcune delle varianti genetiche identificate come che conferiscono un rischio per i sintomi dell’autismo sono state identificate come aventi funzioni epigenetiche. Questi includevano PTEN, FMR1, MECP2, OXTR, RELN, UBE3A, CHD7 e una serie di altri geni. Nel capitolo 4, un certo numero di geni che non sono stati trovati per avere funzione epigenetica, ma sono stati identificati come causali per i sintomi di autismo sono stati delineati. I cookie di questo tipo sono utilizzati per migliorare la qualità del servizio e per migliorare la qualità del servizio. La notevole evidenza di geni causali per i sintomi dell’autismo che non hanno funzione epigenetica suggerisce che le teorie di imprinting epigenetico dell’autismo proposte da Kopsida et al. (2011), Ploeger et al. (2011), e altri non saranno in grado di spiegare la maggior parte dei casi di autismo.

Il significato dei fattori di rischio epigenetici nell’autismo può essere più chiaro per i geni del metabolismo dei folati, MTHFR, DHFR, TCN2, COMT, RFC e CBS. Il folato, una vitamina B, è cruciale per lo sviluppo fetale e deve essere fornito dalla madre. Schmidt et al. (2011) ha riportato un legame tra il rischio di autismo, l’incapacità materna di assumere vitamine prima e durante la gravidanza e tre varianti dei geni del metabolismo dei folati. Tra quelle madri che non avevano assunto vitamine, c’era un aumento di 4.5 tasso di rischio di autismo nei bambini di madri con una variante MTHFR, un aumento del 2,6 tasso di rischio di autismo nei bambini di madri con una variante CBS e un aumento del 7,2 tasso di rischio per l’autismo nei bambini con una variante COMT. Questa evidenza ha dimostrato legami causali significativi tra l’ambiente—la presenza o l’assenza di folato—e varianti di geni MTHFR, COMT e CBS con funzioni epigenetiche. Questa evidenza ha anche suggerito che potrebbero esserci altre interazioni gene-ambiente a rischio epigenetico che potrebbero essere causali per i sintomi dell’autismo.

Le complessità delle funzioni epigenetiche della proteina del gene MECP2 rivelano la necessità di una maggiore conoscenza degli effetti del gene epigenetico nel cervello. Guy, Cheval, Selfridge e Bird (2011) hanno notato che l’effetto della carenza di MeCP2 sul cervello “è poco conosciuto sotto molti aspetti ed è oggetto di intense ricerche” (p. 633). Guy et al. (2011) ha riferito che i risultati suggeriscono che MeCP2 ha effetti globali su tutta la cromatina e hanno identificato molti partner proteici per MeCP2: HP1, mSin3a, cSki, YY1, Atrx, YB1, NcoR, Dnmt1, CoREST, CREB, Brahma, H3K9 e MTase. I ricercatori hanno dichiarato che MeCP2 impegna i suoi partner proteici in molte azioni epigenetiche cruciali, tra cui l’alterazione della funzione degli istoni e il silenziamento dei geni. Hanno anche offerto prove che suggeriscono che, nonostante l’assenza di proteina MeCP2, il cervello si sviluppa normalmente. Gli effetti avversi dell’assenza di proteina MeCP2 si verificano più tardi, quando l’assenza interrompe la sinaptogenesi e le funzioni dei neuroni (Guy et al., 2011).

Dato che la complessità dell’interruzione di MeCP2 sta appena iniziando a essere compresa, è chiaro che al momento non vi sono prove sufficienti sugli effetti dell’interruzione dei processi epigenetici nello sviluppo del cervello fetale per sviluppare una narrativa significativa della causalità epigenetica per l’autismo.