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Network funzionali genetici rivelano distinti meccanismi segregati in famiglie con emicrania

L’emicrania è un comune disordine neurovascolare caratterizzato da mal di testa pulsante unilaterale, accompagnato da sensibilità alla luce, rumore e/ nausea e vomito. È spesso accompagnato da disturbi neurologici (l’aura). Il tipo prevalente di emicrania, emicrania con aura tipica (EAT) ed emicrania senza aura sono considerati complessi disordini poligenici con una ereditabilità tra il 40% e il 70%. I punteggi delle varianti genetiche comuni sono stati associati con l’emicrania, spiegando una parte della variabilità genetica. È stato anche mostrato che il punteggio di rischio poligenico è più alto in famiglie con EAT ed emicrania senza aura; tuttavia, si pensa che anche varianti causali rare contribuiscano alla variabilità genetica dell’emicrania. Queste rare cause possono essere individuate in famiglie con pattern di segregazione di tipo mendeliano di emicrania, usano, per esempio, il whole genome sequencing (WGS). È incoraggiante che studi di famiglie abbiano identificato multiple varianti causali rare per una rara forma di emicrania dominanti e per l’emicrania emiplegica famigliare. Tuttavia, in quanto i tipi prevalenti di emicrania sono poligenici e non seguono un pattern di ereditarietà completamente dominante, gli autori hanno ipotizzato che geni con varianti rare o son un effetto piccolo o medio siano aggregati in meccanismi specifici per l’emicrania. Questi meccanismi possono essere identificati con tecniche per individuare network genetici, come il sequenziamento dell’RNA in tessuti rilevanti per l’emicrania in combinazione con WGS.

Analisi pesate di co-espressione genica (Weighted gene co-expression network analysis – WGCNA) hanno avuto successo nell’identificare questi network genetici, con il potenziale di indicare rilevanti meccanismi patologici. L’espressione genica è altamente tessuto specifica, pertanto i network di co-espressione dei tessuti che probabilmente sono coinvolti nell’emicrania potrebbe suggerire network specifici per l’emicrania. La patofisiologia dell’emicrania non è completamente compresa, ma è ampiamente accettato e mostrato in numerosi studi che il ganglio trigeminale, la corteccia visiva e la vascolarizzazione siano coinvolti in meccanismi critici dell’emicrania. Il ganglio trigeminale è un cluster di cellule nervose che controlla l’input sensitivo proveniente dal viso, per esempio dovuto al rilascio del peptide correlato al gene della calcitonina 8CGRP) e l’espressione del recettore per la serotonina 5-HTd1, un bersaglio del trattamento dell’emicrania. In aggiunta a specifici tessuti cerebrali, anche il sistema cardiovascolare è stato collegato all’emicrania; come è stato recentemente notato che varianti genetiche comunemente associate all’emicrania erano espresse in modo significativamente maggiore nell’aorta.

In questo lavoro gli autori hanno un approccio che integra le varianti genetiche rare segregate in famiglie (n=117) con emicrania con i network di espressione genica. Per primo hanno identificato i network genetici utilizzando WGCNA applicato al sequenziamento dell’RNA in tessuto di aorta, ganglio trigeminale e corteccia visiva. In secondo luogo, hanno integrato le mutazioni rare dal loro dataset WGS con i network genetici per individuare i network con varianti rare, suggerendo distinto coinvolgimento nei meccanismi dell’emicrania. Infine, questi risultati sono stati replicati in una coorte indipendente di soggetti con emicrania senza incidenza famigliare di emicrania (n=1930). I risultati complementari hanno rivelato, per la prima volta, il ruolo critico delle varianti genetiche rare nell’ereditabilità dell’emicrania.

I risultati propongono distinti meccanismi colpiti nell’emicrania, inclusi il pathway di segnalazione TSHR, OXTR, 5HT2R, proteine G e la amiloide secretasi della malattia di Alzheimer, combinato con l’attività di interneuroni e neuroni piramidali di CA1 e SS. Inoltre, sono stati in grado di suggerire geni specifici con mutazioni coinvolti nell’eziologia dell’emicrania.

L’approccio di co-espressione è stato applicato all’emicrania in precedenza, concentrandosi sulle varianti di rischio comuni e utilizzando differenti tessuti cerebrali. Gli autori di questi studi hanno mostrato che gli oligodendrociti e la regolazione della trascrizione genica potevano giocare un ruolo causale nell’emicrania. In questo lavoro, con un approccio simile, sono state mostrate due importanti differenze. In primo luogo, i network sono stati costruiti utilizzando dati si sequenziamento di RNA umano di tessuti probabilmente coinvolti nell’eziopatologia dell’emicrania, i gangli trigeminali, la corteccia visiva e l’aorta. In secondo luogo, è stata integrata la co-espressione di network con mutazioni segregate in un’ampia coorte famigliare.

WGCNA è un metodo ben stabilito per studiare i network biologici e le malattie. È stato utilizzato per identificare moduli di geni in tre tessuti rilevanti per l’emicrania. Come WGCNA, WGS è anche una ben riconosciuta risorsa nella ricerca. Nel corso degli ultimi anni, il costo del sequenziamento del genoma è notevolmente diminuito, in modo che ora sia possibile sequenziare intere coorti. WGS possiede il vantaggio sulla genotipizzazione in quanto varianti rare e de novo sono incluse nel sequenziamento. Gli autori hanno, per la prima volta, utilizzato entrambi i metodi in un tentativo di ottenere più informazioni sui meccanismi biologici deficitari che conducono all’emicrania. Le varianti comuni non spiegano il 100% dell’ereditabilità dell’emicrania. Integrando i dati di sequenziamento dell’RNA attraverso WGCNA e WGS, si sono avvicinati a spiegare quando il fenotipo possa essere spiegato da varianti comuni e rare.

La serotonina e il pathway di segnalazione sono stati, per molti anni, conosciuti per le loro implicazioni nell’emicrania. I livelli di serotonina sono pensati essere aumentati durante gli attacchi emicranici e gli agonisti dei recettori della serotonina (triptani) sono il trattamento per l’emicrania preferito. La serotonina si lega ai propri recettori sia metabotropici che inotorpi. Le due famiglie di recettori metabotropici della serotonina: 5HT1 e 5HT2 sono stati entrambi associati all’emicrania, così come il trasportatore della serotonina. Gli autori hanno associato direttamente 5HT2 con l’emicrania nella corteccia visiva così come il pathway di segnalazione mediato da proteine G nella cascata di segnalazione mediata dai recettori 5HT1. Inoltre, è stata trovata un’associazione con l’espressione genica della corteccia visiva. L’attività neurale corticale inizia e propaga la depressione corticale, che è stata collegata all’attività serotoninergica in studi funzionali. Gli autori suggeriscono che il fenotipo di emicrania possa essere causato da geni mutati nel pathway di segnalazione della serotonina così come nella cascata di segnalizzazione mediata da proteine G.

In aggiunta ai neuroni serotoninergici, i neuroni glutammatergici e le sinapsi sono stati collegati all’emicrania tramite differenti studi di associazione. In aggiunta i livelli di glutammato sono aumentati nei soggetti con emicrania. Nelle analisi di questo lavoro, sono stati individuati tre geni (ATXN1, FAM153B e CACNA1B) che erano mutati in 415 famiglie. CACNA1B e ATXN1 sono entrambi coinvolti nella segnalazione glutamatergica, presinaptica il primo e postsinaptica il secondo. Pertanto, la segnalazione glutammatergica è alterata in entrambi i lati sinaptici.

L’ossitocina e la tireotropina sono entrambi ormoni che regolano l’attività di OXTR e TSHR. Entrambi i recettori sono associati a proteine G espressi in tutto l’encefalo; tuttavia TSHR è espresso in quantità minore rispetto a OXTR. L’ossitocina è stata oggetto di ricerca sull’emicrania in quanto è un forte analgesico nella neuroinfiammazione. Inoltre, l’ossitocina aumenta in gravidanza, cosa correla in modo inverso alla diminuzione del mal di testa e dell’emicrania nelle donne in gravidanza. I livelli di ossitocina aumentano anche durante il coito e l’orgasmo in entrambi i sessi; con le donne che riferiscono un sollievo dell’emicrania durante il sesso. La tireotropina è mono studiata nell’emicrania al confronto con l’ossitocina. Tuttavia, alti livelli di tireotropina sono stati associati a minore occorrenza di mal di testa e bassi livelli di tireotropina possono essere associati a un decorso clinico dell’emicrania prolungato.

Infine, gli autori hanno individuato alterazioni del pathway della amiloide secretasi della malattia di Alzheimer. È stato proposto che l’emicrania possa essere associata a cambiamenti cogniti wild type, ma non esiste una chiara evidenza che mostri o meno se l’emicrania sia un fattore di rischio per la malattia di Alzheimer.

In conclusione, i meccanismi associati all’emicrania derivati da moduli della corteccia visiva esistono e probabilmente contribuiscono alla patofisiologia dell’emicrania. Questi dati supportano che i pathway di segnalazione serotoninergica, glutammatergica, ormonale siano coinvolti nell’emicrania. Gli autori suggeriscono che una disfunzione nei neurotrasmettitori e della segnalazione ormonale siano parte della patofisiologia dell’emicrania.

Functional gene networks reveal distinct mechanisms segregating in migraine families

Andreas H. Rasmussen, Lisette J. A. Kogelman, David M. Kristensen, Mona Ameri Chalmer, Jes Olesen and Thomas Folkmann Hansen

https://academic.oup.com/brain/article/143/10/2945/5910745

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