Hormonii de stres schimbă tipurile de neuroni din creierul în curs de dezvoltare, sugerează un nou studiu

Dezvoltarea neurogenetică umană este un proces complex și bine reglat, esențial pentru formarea circuitelor neuronale responsabile de funcțiile cognitive, emoționale și comportamentale. Orice deviere de la acest program poate contribui la apariția tulburărilor neurodezvoltării și psihiatrice, cum ar fi tulburările din spectrul autist (TSA) și schizofrenia.
Factorii genetici joacă un rol esențial în aceste patologii, dar expunerea la factori de mediu în timpul sarcinii - inclusiv infecții, complicații perinatale și glucocorticoizi (GC) - poate crește riscul de afecțiuni neuropsihiatrice prin influențarea neurodezvoltării. Glucocorticoizii sunt hormoni steroizi esențiali pentru dezvoltarea normală a creierului, dar administrarea excesivă poate avea efecte pe termen lung asupra structurii și funcției cerebrale, fiind corelată cu modificări cognitive și emoționale.

Studiul publicat în jurnalul Science Advances investighează mecanismele moleculare și celulare prin care expunerea prenatală cronică la glucocorticoizi influențează specificarea neuronală și dezvoltarea creierului uman, folosind organoizi cerebrali derivați din celule stem pluripotente induse (hiPSC).

Metodologie

Pentru a analiza efectele glucocorticoizilor asupra dezvoltării neuronale, cercetătorii au utilizat organoizi neuronali expuși cronic la dexametazonă (Dex), un GC sintetic folosit clinic pentru maturarea pulmonară la feții cu risc de naștere prematură.

Etapele studiului:

1. Generarea organoizilor neuronali din două linii de celule stem pluripotente induse (hiPSC).
2. Expunerea cronică la Dex timp de 10 zile la organoizi de 60 de zile, pentru a analiza efectele imediate asupra expresiei genice.
3. Perioadă de „spălare” de 20 de zile, pentru a evalua persistența modificărilor.
4. Expunere acută suplimentară de 12 ore la Dex la organoizi de 90 de zile, pentru a compara efectele expunerii cronice și acute.
5. Analize transcriptomice și epigenetice folosind:

• Secvențiere ARN la nivel unicelular (scRNA-seq) pentru a identifica modificările expresiei genice.
• Secvențiere a cromatinei accesibile (scATAC-seq) pentru a determina efectele asupra reglementării genice.

Rezultate

Expunerea cronică la glucocorticoizi nu induce stres metabolic semnificativ

Pentru a evita confuziile cauzate de efectele metabolice, cercetătorii au exclus celulele neviabile din analiza finală. Astfel, diferențele de expresie genică observate nu sunt influențate de alterări ale viabilității celulare.

Răspunsul transcriptomic la tratamentul cronic cu glucocorticoizi include gene esențiale pentru neurodezvoltare

• 803 gene diferențial exprimate (DE) au fost identificate în șase tipuri celulare, incluzând celule gliale radiale (RG), progenitori neuronali (NPC), neuroni excitatori și inhibitori.
• Gene esențiale pentru neurodezvoltare afectate de expunerea la GC:

• NNAT - reglează controlul canalelor ionice în neurodezvoltare.
• MAB21L1 - implicată în dezvoltarea cerebelului.
• NEUROD2 - asociată cu TSA și dizabilități intelectuale.

• 72 gene de risc pentru TSA (conform bazei de date SFARI) au fost influențate de GC, inclusiv FABP5, ARF3 și BCL11A.
• Efecte persistente: 13% dintre modificările transcriptomice observate după expunerea cronică au persistat și după 20 de zile de „spălare”.

Expunerea la glucocorticoizi favorizează diferențierea neuronilor inhibitori

• S-a observat o creștere a expresiei genelor specifice neuronilor inhibitori (GAD1, GAD2, SLC32A1).
• Raportul neuroni inhibitori/excitatori a crescut după expunerea cronică la GC:

• 1,7× mai mulți neuroni inhibitori în linia celulară 409b2.
• 1,2× mai mulți neuroni inhibitori în linia celulară FOK4.

• Confirmare prin imunofluorescență: analiza proteinei GAD1 a confirmat creșterea semnificativă a neuronilor inhibitori în organoizii ventralizați expuși la GC.

Expunerea la glucocorticoizi modulează expresia factorului de transcripție PBX3

• PBX3 a fost identificat ca un factor de transcripție critic în diferențierea neuronilor inhibitori:

• Expresia PBX3 a crescut cu 1,73× în organoizii expuși cronic la GC.
• Numărul de celule PBX3+GAD1+ a crescut cu 3,35×, indicând o corelare puternică între PBX3 și diferențierea neuronală inhibitorie.

• Analiza rețelelor de reglare genică (GRN) a arătat că PBX3 este un factor central în reglarea neuronilor inhibitori.

Simulări in silico confirmă rolul PBX3 în promovarea neuronilor inhibitori

• Creșterea expresiei PBX3 în organoizi a dus la favorizarea neuronilor inhibitori.
• Blocarea expresiei PBX3 (knockout) a dus la scăderea numărului de neuroni inhibitori, confirmând rolul său esențial în direcționarea specificării neuronale.

Concluzii și implicații clinice

• Expunerea prenatală cronică la glucocorticoizi modifică dezvoltarea creierului, promovând diferențierea neuronilor inhibitori și alterând echilibrul excitație/inhibiție - un mecanism implicat în tulburările neuropsihiatrice.
• PBX3 este un factor cheie în promovarea neuronilor inhibitori sub influența glucocorticoizilor.
• Genele de risc pentru TSA și glucocorticoizii converg asupra acelorași trasee de dezvoltare neuronală, sugerând o interacțiune între factorii genetici și de mediu.
• Efectele persistă și după încetarea expunerii la glucocorticoizi, indicând modificări pe termen lung ale dezvoltării cerebrale.
• Glucocorticoizii trebuie administrați cu precauție la femeile gravide, deoarece pot avea efecte neurodezvoltative semnificative.

Acest studiu aduce o perspectivă nouă asupra interacțiunii dintre factori genetici și de mediu în neurodezvoltare, subliniind necesitatea unor cercetări suplimentare pentru a înțelege mecanismele prin care glucocorticoizii influențează diferențierea neuronală și riscul de tulburări neuropsihiatrice.