Come il trauma modella le nostre cellule cerebrali

Mancanza di cure, eventi incisivi o addirittura abusi: le esperienze traumatiche dell'infanzia aumentano il rischio di malattie mentali e fisiche e possono portare a disturbi psichiatrici anche molto tempo dopo l'evento. Ma in che modo le esperienze traumatiche vengono memorizzate in modo permanente nel cervello? Che cosa succede nelle cellule nervose di un bambino quando la paura e lo stress superano i suoi normali meccanismi di coping?

"Oggi riteniamo che le esperienze vengano memorizzate modificando le connessioni tra le cellule cerebrali. Ma ciò che accade esattamente a livello molecolare in queste cellule è ancora un mistero", spiega l'ETH Rodrigo Arzate-Mejia. Il ricercatore di origine messicana lavora da quasi un anno nel Laboratorio di Neuroepigenetica del Politecnico di Zurigo. Isabelle Mansuy,che ha una doppia cattedra presso l'ETH e l'Università di Zurigo.

Più della somma dei nostri geni

Con l'avvento della genetica, l'idea che i nostri geni determinino chi siamo è diventata sempre più prevalente. Negli ultimi 20 anni, questa visione rigida dell'umanità è stata lentamente scossa dal sequenziamento del genoma. Per giovani biologi come Arzate-Mejia, con cui ci incontriamo virtualmente a causa del coronavirus, il determinismo genetico degli anni '90 non è più sostenibile: "Ora abbiamo ottime prove che le influenze ambientali, come l'ambiente sociale in cui viviamo, la nostra dieta o l'attività fisica, influenzano l'attività dei nostri geni".

Questi fattori esterni influenzano il nostro genoma interagendo con l'epigenoma, un insieme di segni biochimici sul DNA o intorno ad esso. A differenza del DNA, la cui sequenza è immutabile, l'epigenoma può essere modificato da un ambiente mutevole. I meccanismi epigenetici sono necessari per leggere e interpretare il DNA. "Senza di essi", dice l'ETH postdoc, "i geni sono solo un codice rigido. Come uno spartito musicale senza un musicista che lo interpreti".

Solo l'adattamento dell'epigenoma alle diverse influenze ambientali può spiegare, ad esempio, perché due gemelli identici che condividono lo stesso materiale genetico possono differire sia fisicamente che caratterialmente. A seconda delle esperienze e delle condizioni di vita, si verificano lievi differenze nell'attività di alcuni geni, che portano a caratteristiche diverse nel tempo.

Ma non è tutto: Isabelle Mansuy e il suo team sono riusciti a dimostrare nei topi che le influenze ambientali lasciano tracce epigenetiche sui geni, che possono essere trasmesse da una generazione all'altra attraverso le cellule germinali. La depressione scatenata da esperienze infantili traumatiche è quindi ereditabile come il colore degli occhi o la statura.

L'architettura del genoma

Rodrigo Arzate-Mejia ha 16 anni quando sente parlare per la prima volta di epigenetica. Come partecipante alle Olimpiadi nazionali di biologia, organizzate dall'Accademia messicana delle scienze per promuovere gli studenti di talento e terminate al secondo posto, assiste a una lezione di genetica molecolare. L'argomento gli è rimasto impresso da allora. "È stata la prima volta che ho sentito che, sebbene tutte le cellule abbiano lo stesso DNA, assumono funzioni molto diverse a causa di meccanismi epigenetici divergenti e delle interazioni con l'ambiente circostante".

La questione della regolazione dei geni lo accompagnerà per tutto il periodo dei suoi studi presso l'Universidad Nacional Autónoma de México a Città del Messico. Dopo soggiorni di ricerca presso la Johns Hopkins University, il Marine Biological Laboratory del Massachusetts e la Emory University, Arzate-Mejia completerà il suo dottorato nel 2020. Nella sua tesi di dottorato, utilizza un mix di metodi innovativi di biologia molecolare, genetica e bioinformatica per dimostrare che l'architettura del genoma è fondamentale per la regolazione dell'attività genica.

Il DNA di una cellula è lungo circa due metri. Sebbene abbia spazio nel minuscolo nucleo della cellula, può comunque cambiare la sua struttura. Quali geni vengono attivati e come dipendono dalla disposizione spaziale del filamento di DNA. Inoltre, il DNA può formare le cosiddette anse della cromatina, che permettono di isolare alcuni geni. "Poiché questi geni sono particolarmente importanti e non devono quindi essere attivati in modo incontrollato, viene loro riservato uno spazio in queste anse nel nucleo della cellula", spiega l'ETH postdoc. Per questa scoperta Arzate-Mejia ha ricevuto il Premio Weizmann per la migliore tesi di dottorato in scienze naturali dall'Accademia delle Scienze del Messico. In seguito sarà pubblicata anche sulla rivista pagina esternaComunicazioni su Nature pubblicato.

Le basi molecolari delle esperienze traumatiche

Dopo il dottorato, Arzate-Mejia vuole specializzarsi in neuroepigenetica. Sono le cellule nervose ad aver catturato la sua attenzione: "A differenza di altre cellule, i neuroni non si dividono più. Integrano molte informazioni, si adattano continuamente all'ambiente e sono quindi adatti a capire come le esperienze vengono immagazzinate a livello molecolare". Inoltre, la ricerca sui cambiamenti epigenetici nel cervello è ancora agli inizi. Per Arzate-Mejia, questo è un campo di ricerca ideale per estendere le sue scoperte sull'architettura del genoma ai processi cognitivi.

Il fatto che nel 2019 si sia reso disponibile un posto di postdoc con Isabelle Mansuy, una pioniera in questo campo, è una felice coincidenza per Arzate-Mejia: "Non avrei potuto desiderare un posto migliore per la mia attuale ricerca", sottolinea l'ETH. Anche se il suo trasferimento a Zurigo è stato un po' ritardato a causa della pandemia di coronavirus, si è svolto senza problemi grazie all'impegno di tutte le persone coinvolte.

Cellule nervose traumatizzate

Per capire come le esperienze traumatiche influenzino le cellule nervose, Arzate-Mejia lavora con topi di laboratorio. Questi ultimi sono particolarmente adatti come organismi modello e consentono di ottenere risultati che possono essere trasferiti anche all'uomo.

"Esponiamo giovani topi a condizioni che simulano un trauma infantile. Quando gli animali sono adulti, testiamo il loro comportamento e le loro prestazioni cognitive ed esaminiamo le loro cellule nervose nel cervello per verificare i cambiamenti genetici ed epigenetici", dice Arzate-Mejia, spiegando l'impostazione sperimentale. Sottolinea che la manipolazione degli animali richiede obblighi molto severi: "Senza gli animali, la ricerca sulle cause degli eventi traumatici non sarebbe possibile. Prima di poter lavorare con i topi, il biologo ha dovuto completare un programma di formazione obbligatorio.

I primi risultati di questa ricerca indicano che anche i geni responsabili di importanti funzioni cognitive nel cervello sono protetti da anelli di cromatina. Se questa protezione viene compromessa da cambiamenti nella struttura del DNA causati dallo stress, possono verificarsi malfunzionamenti permanenti, poiché i geni interagiscono con l'ambiente in modo incontrollato. Queste sono prospettive promettenti per l'ETH postdoc: "Anche se la nostra ricerca è ancora agli inizi, crediamo che questo meccanismo ci permetterà di capire meglio come le esperienze traumatiche vengono impresse nel nucleo delle cellule".