Caratteri monogenici e varianti rare associati all’autismo

In una minoranza di casi (<10%) l’autismo è associato a patologie causate da un singolo gene, tra cui la sindrome dell’X fragile (FRAXA), la sclerosi tuberosa (TSC),

53 la neurofibromatosi [Klauck, 2006] o a varie anomalie cromosomiche [Smalley et al. 1998; Dykens and Volkmar, 1997; Feinstein and Reiss, 1998], che colpiscono geni coinvolti nella funzione sinaptica, quali le neuroligine, le neurexine e il gene SHANK3.

La Sindrome dell’X-fragile è un disordine caratterizzato da ritardo mentale e con un’incidenza maggiore in individui di sesso maschile. E’ causata dalla perdita di funzione della proteina FMRP1, la quale, legandosi ai poliribosomi localizzati a livello delle spine dendritiche, agisce da repressore trascrizionale di specifici mRNA target. La riduzione del prodotto proteico è associata all’ipermetilazione della tripletta CGG altamente ripetuta (>200 repeats), presente nella regione non tradotta al 5’ del gene FMR1 localizzato sul cromosoma Xq27 [Oostra et al., 2001; Sutcliff et al., 1992]. Il 2-5% di bambini con una diagnosi di autismo più lieve sono portatori di mutazioni associate a FRAXA [Fombonne, 2003; Bailey, 1993; Reddy, 2005; Wassink et al., 2001]. L’analisi di tale disordine permette la comprensione dei meccanismi molecolari alla base del ritardo mentale e dei sintomi sociali e di comunicazione, che si sovrappongono a quelli visti nei disordini autistici [Lord et al., 2000].

La Sclerosi Tuberosa è una malattia autosomica dominante caratterizzata dalla presenza di tuberi nella regione corticale e cerebrale e da lesioni renali e attacchi epilettici durante l’infanzia [Bolton et al., 1997; Bolton et al., 2002; Gutierrez et al., 1998; Hunt et al:, 1987; Jambaque et al., 2000]. Questo disordine è causato da mutazioni in due diversi geni, TSC1 e TSC2, che mappano rispettivamente nelle regioni cromosomiche 9q34 e 16p13 [Roach et al., 2004]. Studi epidemiologici hanno mostrato che la prevalenza di Sclerosi Tuberosa in bambini autistici e di autismo in casi di Sclerosi Tuberosa è cento volte superiore a quella attesa [Harrison et al., 1997; Fombonne, 2003].

L’importanza di varianti rare nei disturbi dello spettro autistico è stata dimostrata dall’identificazione di alcune mutazioni rare in singoli geni. Le prime sono state individuate nei geni delle neuroligine NLGN3 (Neuroligin 3) e NLGN4 (Neuroligin 4), localizzati rispettivamente in Xp22.3 e Xq13

Le neuroligine (NLGN) rappresentano una famiglia di proteine transmembrana coinvolte nell’adesione cellulare post-sinaptica, sono localizzate sul versante citoplasmatico post-sinaptico delle sinapsi neuroni-neuroni; svolgono un ruolo importante nella sinaptogenesi e nel differenziamento pre-sinaptico di assoni

54 glutammatergici, poiché agiscono come ligandi sito specifici per le beta-neurexine, proteine essenziali per indurre la differenziazione dei neuroni cerebellari e ippocampali attraverso la loro interazione con le neuroligine, e sono coinvolte nei fenomeni di adesione cellulare e di formazione e rimodellamento delle sinapsi del Sistema Nervoso Centrale (Chih et al., 2004; Chubykin et al., 2005; Dean and Dresbach; 2006). Jamain e colleghi furono i primi a notare che due regioni del cromosoma X, Xp22.3 e Xq13, contenenti i geni NLGN3 e NLGN4 ripettivamente, erano associate al fenotipo autistico. Lo screening di mutazioni di questi 2 geni, in 36 coppie di fratelli affetti e 122 trios (famiglie composte da genitori e figlio affetto) con autismo o sindrome di Asperger, ha portato all’identificazione di una mutazione frameshift (insT 1186) nel gene NLGN4, che genera un codone di stop e causa la terminazione prematura della proteina. Questa variante, presente in due fratelli affetti (uno con la sindrome di Asperger, l’altro autistico), era invece assente nel fratello non affetto e nei 350 individui di controllo [Jamain et al., 2005]. In un’altra famiglia è stata individuata una sostituzione dissenso (C/T) nel gene NLGN3, in corrispondenza di un dominio funzionale estremamente conservato della proteina, trasmessa dalla madre ai due fratelli affetti ed assente nei 200 controlli. Questa mutazione causa la sostituzione dell’arginina 451, altamente conservata, con una cisteina (R451C) e influisce sulla localizzazione della proteina sulla superficie cellulare e sulle interazioni con altre proteine. La caratterizzazione di topi con questa mutazione in Nlg3 [Tabuchi et al., 2007] suggerisce che uno squilibrio tra sinapsi eccitatorie ed inibitorie, a favore di quest’ultimo, possa avere effetti rilevanti nella determinazione della malattia. Inoltre, in una famiglia francese che presentava casi di autismo e di ritardo mentale, è stata trovata una delezione di 2bp nell’esone 5 del gene NLGN4, che porta alla formazione di un prematuro codone di stop. Tale mutazione segrega con ritardo mentale o con ASD [Laumonnier et al., 2004].

Tuttavia, dal momento che questi risultati non sono stati replicati in altri 23 studi, si ritiene che tali geni abbiano un ruolo nella suscettibilità all’autismo solo raramente, in circa lo 0,4% dei casi. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che tali geni raramente contengono mutazioni con un effetto così forte sulla suscettibilità all’autismo. Le neuroligine codificano per molecole di adesione cellulare localizzate nella membrana post-sinaptica e inducono il differenziamento pre-sinaptico di assoni glutamatergici [Graf et al., 2004]. Dal momento che le neuroligine legano le β-neurexine (NRXN1, NRXN2, NRXN3), è stato successivamente realizzato anche uno screening per

55 mutazioni nei tre geni delle neurexine, utilizzando 72 individui autistici [Feng et al.2006]. L’identificazione di delezioni de novo e di varianti rare missenso nel gene NRXN1 di individui autistici, supporta l’ipotesi del coinvolgimento delle neurexine (NRXN) nei casi ASD. Tale gene mappa nella regione 2q32 e codifica per una proteina di superficie altamente espressa nel cervello, che interagisce con le neuroligine. L’identificazione di rare varianti di sequenza anche in un altro gene appartenente alla famiglia delle neurexine, CNTNAP2, suggerisce che questa famiglia di proteine possa svolgere un ruolo importante nella suscettibilità all’autismo. Le neurexine rappresentano molecole di adesione cellulare pre-sinaptica coinvolte nel differenziamento post-sinaptico delle sinapsi glutammatergiche attraverso il legame con NLGN3 e NLGN4. Dal momento che il glutammato è il principale neurotrasmettitore eccitatorio ed un fattore critico per lo sviluppo del cervello, disfunzioni a livello della neurotrasmissione glutamatergica potrebbero avere un ruolo importante nei disturbi dello spettro autistico.

Infine, mutazioni rare sono state individuate in SHANK3 (SH3 and multiple Repeat Domains 3), un altro gene coinvolto nelle funzioni sinaptiche, che interagisce con le neuroligine. Questo gene mappa nella regione 22q13.3 e codifica per una proteina scaffold, abbondante nella densità post-sinaptica ed espressa preferenzialmente nella corteccia cerebrale e nel cervelletto [Bonaglia et al., 2001]. Studi molto recenti condotti su individui con caratteristiche fenotipiche riconducibili a quelle dello spettro autistico, quali ritardo mentale e/o problemi nel linguaggio, hanno individuato in corrispondenza di SHANK3 inserzioni o delezioni parziali e/o totali [Bonaglia et al., 2001; Anderlid et al., 2002; Wilson et al., 2003; Durand et al., 2007] con la conseguenza di un dosaggio anomalo del prodotto proteico corrispondente. Da questi dati emerge che lo sviluppo anomalo delle spine dendritiche sia coinvolto in vari disordini neuropsichiatrici associati al fenotipo ASD, che includono la sclerosi tuberosa, la sindrome di Rett, la sindrome di Angelman e la sindrome dell’X fragile. Inoltre, poiché l’insorgenza del fenotipo autistico si verifica durante il periodo critico di formazione e maturazione delle sinapsi, si ritiene che la disfunzione sinaptica potrebbe avere un ruolo nella patogenesi dell’autismo. Pertanto, varianti rare, che colpiscono i geni SHANK3, NLGN3, NLGN4 e NRX, potrebbero causare alterazioni nello sviluppo delle sinapsi glutammatergiche nei casi ASD.

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