Credo di poter volare !: uso della drosofila come organismo modello nella ricerca neuropsicofarmacologica | Neuropsychopharmacology

Credo di poter volare !: uso della drosofila come organismo modello nella ricerca neuropsicofarmacologica | Neuropsychopharmacology

Anonim

Soggetti

  • Genetica del sistema nervoso
  • Disturbi psichiatrici

Astratto

I disturbi neuropsichiatrici sono di eziologia complessa, spesso includono una grande componente genetica. Al fine di aiutare a identificare e studiare i meccanismi molecolari e fisiologici a cui partecipano tali geni, numerosi modelli animali sono stati stabiliti in una varietà di specie. Negli ultimi dieci anni, questo ha incluso sempre più la mosca dell'aceto, Drosophila melanogaster . Qui, delineiamo il motivo per cui studiamo un organismo invertebrato nel contesto dei disturbi neuropsichiatrici e discutiamo di come ottenere informazioni dagli studi in Drosophila . Ci concentriamo su alcuni disturbi e scoperte per evidenziare che la modellizzazione di queste malattie nelle mosche può avere validità sia meccanicistica che predittiva. Evidenziando alcuni esempi di traslazione, sottolineiamo il fatto che il loro cervello funziona più come il nostro di quanto ci si aspettasse.

INTRODUZIONE

I progressi verso l'identificazione e la comprensione delle basi meccanicistiche dei disturbi neuropsichiatrici umani sono stati lenti. Ciò include l'interruzione dello sviluppo di nuovi farmaci efficaci per il trattamento di queste malattie. Inizialmente, gli studi sull'associazione a livello del genoma erano promettenti nell'identificare i fattori genetici che contribuiscono allo sviluppo di questi disturbi, ma per vari motivi non hanno prodotto tutte le intuizioni inizialmente sperate (Alaerts e Del-Favero, 2009; Iyengar ed Elston, 2007 ). Le insidie ​​hanno incluso locus ed eterogeneità allelica, coinvolgimento di fattori ambientali, il probabile contributo di una miscela di varianti comuni e rare e la mancanza di potere statistico nell'analisi dei polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) a livello del genoma. Un'altra variabile confondente è il modo in cui l'espressione di ciascuno di questi geni è regolata da meccanismi epigenetici, come la metilazione del DNA o la modifica dell'istone. Recentemente, il sequenziamento di tutte le regioni codificanti per la proteina del DNA da soggetti affetti (noto anche come sequenziamento dell'esoma) ha portato all'identificazione di numerose nuove varianti geniche collegate a malattie, tra cui i disturbi dello spettro autistico (ASD; Sanders et al, 2012). Tuttavia, anche se dovessimo riuscire e isolare tutti i 1000 geni stimati che contribuiscono all'ASD, non conosceremmo ancora i processi fisiologici e la struttura molecolare sottostante in cui questi geni agiscono. Pertanto, i modelli animali che possono essere manipolati il livello molecolare rimarrà essenziale per la comprensione di questi meccanismi patologici.

Cosa rende valido un modello di disturbi neuropsichiatrici umani? Comunemente, le persone considerano tre domini di validità. (1) Validità del viso che chiede se i modelli "assomigliano" alla malattia, ovvero se ricapitola le caratteristiche salienti oi sintomi caratteristici dell'afflizione umana. (2) Validità meccanicistica che chiede se gli stessi meccanismi, comprese le perturbazioni genetiche o ambientali, possano far sì che il modello assomigli / esprima lo stato della malattia. (3) Validità predittiva che chiede se il modello di malattia può essere perturbato o trattato, anche con farmaci, per migliorare i suoi sintomi. Idealmente, si vorrebbe che il proprio modello fosse valido in tutti e tre i settori. Questo è spesso difficile da ottenere, perché il modello potrebbe essere inadeguato e quindi raggiungere solo sottoinsiemi di questi tre domini di validità. Oltre agli ostacoli posti dal modello stesso, esiste tuttavia un ostacolo fondamentale per raggiungere la validità in tutti i settori: gli obiettivi in ​​questi tre settori per raggiungere e modellare la condizione umana potrebbero non essere ben definiti, o addirittura conosciuti . Per la validità del viso, la presentazione e la diagnosi della malattia possono essere fluide e mostrare una sostanziale sovrapposizione con altre sindromi. Inoltre, non sono disponibili biomarcatori biologici per diagnosticare oggettivamente la malattia. Spesso sappiamo anche poco delle cause della malattia, rendendo così difficile accertare il raggiungimento della validità meccanicistica. Infine, i trattamenti sono scarsamente disponibili e spesso sono solo parzialmente efficaci, ostacolando così la valutazione della validità predittiva.

PERCHÉ E COME STUDIAMO LA DROSOFILA

Di fronte a tali sfide, perché si dovrebbe persino pensare alla mosca dell'aceto "modesto", Drosophila melanogaster , come utile organismo modello per studiare questi disturbi? La storia dell'uso della Drosophila nelle moderne scienze biologiche è ricca e si estende per oltre un secolo (Bellen et al, 2010). Il concetto che i tratti ereditari sono portati sui cromosomi è stato sviluppato per la prima volta al volo, così come molte altre scoperte di riferimento nella genetica (Sturtevant, 1967). Nonostante il lignaggio degli artropodi sia stato separato dal lignaggio dei vertebrati oltre 600 milioni di anni fa (Adoutte et al, 2000; Peterson et al, 2004), molte proprietà biologiche, fisiologiche e neurologiche di base sono conservate tra i mammiferi e la Drosophila (Edgar e Lehner, 1996; Rubin et al, 2000). Questo iniziò a realizzarsi negli anni '80, quando furono scoperti al volo molti geni dello sviluppo che specificano il piano corporeo di questo insetto. Anche se la morfologia della mosca differisce sostanzialmente da quella dei mammiferi, i geni coinvolti in questi processi sono altamente conservati (Gehring et al, 2009), e si può persino indurre occhi di mosca ectopici completi misexprimendo un gene di sviluppo dell'occhio di mammifero (Halder et al, 1995).

Quali caratteristiche e approcci sperimentali (vedi Figura 1), quindi, rendono le mosche di aceto un organismo modello versatile da studiare? Drosophila è facile ed economico da mantenere in laboratorio; può dare origine a un gran numero di discendenze geneticamente identiche; e ha un ciclo di generazione breve di <2 settimane. Ciò ha reso la mosca un organismo primario per eseguire screening genetici in avanti, in cui grandi popolazioni di mosche geneticamente diverse sono selezionate per un particolare fenotipo di interesse, e quindi i geni mutanti responsabili sono isolati e caratterizzati. I vantaggi degli schermi genetici avanzati sono la loro imparzialità, e quindi gettare nuove informazioni sul meccanismo fisiologico oggetto di studio senza fare ipotesi sulle sue basi meccanicistiche. Discuteremo un classico esempio di genetica avanzata di successo nella sezione seguente sui ritmi circadiani. Inoltre, gli schermi genetici avanzati possono anche essere personalizzati per fornire maggiori informazioni su meccanismi specifici. In queste schermate del modificatore, si inizia con uno specifico ceppo di mosca mutante che ha un fenotipo, quindi si selezionano ulteriori mutazioni che (specificatamente) modificano il fenotipo originale. La corretta progettazione di tale schermo di interazione gene per gene consentirà quindi l'identificazione di altri giocatori molecolari in un percorso meccanicamente collegato allo studio. Sebbene tali schermi siano fattibili anche nei vertebrati, sono estremamente rari. Tuttavia, vengono spesso utilizzati in Drosophila per espandere la nostra comprensione dei percorsi molecolari che operano per regolare processi specifici, anche includendo le risposte ai farmaci (Perù e Colon de Portugal et al, 2012).

Image

Approcci traslazionali in neuropsicofarmacologia usando la Drosophila . La modellistica dei disordini neuropsichiatrici nella Drosophila dipende dalla creazione di saggi comportamentali con un ragionevole grado di validità facciale. Una volta che tale saggio è a portata di mano, gli approcci che raggiungono la validità meccanicistica includono (a) l'isolamento di ceppi mutanti con fenotipi comportamentali. La validazione traslazionale può includere studi di associazione mirati che hanno un maggiore potere statistico rispetto agli studi a livello di genoma. (b) Le varianti candidate alla malattia umana possono essere introdotte nelle mosche e i mutanti risultanti testati per anomalie comportamentali. La validità predittiva può provenire da (c) schermi genetici imparziali che producono geni che producono proteine ​​che sono bersaglio di farmaci noti o da (d) schermi composti imparziali che vengono applicati a mosche normali per influenzare il comportamento oggetto di studio o che possono salvare il modello di malattia vola di nuovo verso il tipo selvaggio. Entrambi questi approcci (c, d) producono farmaci che possono essere testati in modelli animali superiori e infine in pazienti sintomatici. Esempi di ciascuno di questi approcci sono citati nel testo.

Immagine a dimensione intera

  • Scarica la diapositiva di PowerPoint

Dopo che i ceppi di mosca mutanti sono stati vagliati e isolati, la determinazione dei geni che causano i fenotipi è stata notevolmente facilitata dalla conoscenza dell'intera sequenza del genoma della Drosophila che codifica per poco più di 16000 geni. È stato stimato che quasi il 75% dei geni correlati alla malattia nell'uomo hanno ortologi funzionali in Drosophila (Lloyd and Taylor, 2010; Reiter et al, 2001), ribadendo la rilevanza della mosca dell'aceto nella comprensione della malattia umana.

Una volta isolato un gene mutante, il gold standard nelle mosche è verificare che stia effettivamente causando il fenotipo eseguendo un esperimento di salvataggio che includa il reinserimento della normale versione del gene nel genoma della mosca mutante attraverso i transgeni. Ciò include spesso il sistema binario Gal4 / UAS (Figura 2), in cui l'attivatore trascrizionale del lievito Gal4 è espresso sotto il controllo di stimolatori e promotori definiti, quindi si lega specificamente al suo sito di destinazione della sequenza di attivazione a monte (UAS) per guidare l'espressione di un secondo transgene. Per un esperimento di salvataggio, questo sarebbe un gene di tipo selvaggio in uno sfondo mutante, ma il sistema Gal4 / UAS può essere utilizzato anche in approcci genetici inversi (dal gene al fenotipo). Ciò può includere un'analisi struttura / funzione per determinare domini e amminoacidi rilevanti di una proteina in studio, e può anche essere fatto per (sovra) esprimere un gene umano e / o la sua variante di malattia per studiare eventuali potenziali fenotipi che ciò potrebbe causare. Pertanto, quando viene identificato un particolare gene associato a una malattia umana, la sua funzione fisiologica e il suo meccanismo di azione possono essere chiariti studiando il gene umano nelle mosche o studiando il suo ortologo Drosophila attraverso la genetica inversa.

Image

Gli usi del sistema Gal4 / UAS. L'attivatore trascrizionale del lievito Gal4 può essere utilizzato per regolare l'espressione genica in Drosophila inserendo il gene di interesse (GOI) a valle dell'UAS (sequenza di attivazione a monte). Ora ci sono grandi raccolte di linee che esprimono GAL4 in un'ampia varietà di modelli cellulari, specifici per tessuto, temporali o inducibili. Pertanto, l'espressione del GOI (cDNA, inclusi tag come HA o marcatori fluorescenti come GFP; gene umano; RNAi per il knockdown della trascrizione) può essere guidata in uno di questi schemi attraversando la linea del driver Gal4 appropriata per le mosche che portano il Transgene UAS-GOI per esprimere la proteina di interesse (POI). Inoltre, numerosi effettori neuronali possono essere guidati da questi specifici driver Gal4, inclusi marcatori cellulari e attivatori o silenziatori neuronali.

Immagine a dimensione intera

  • Scarica la diapositiva di PowerPoint

Recenti progressi nella biologia molecolare, come raccolte di RNA inibitori (RNAi) contro ogni gene fly (Dietzl et al, 2007) o knockouts mediati da CRISPR (Gratz et al, 2013), hanno reso gli approcci genetici inversi nelle mosche molto più fattibili e opportuno, in modo tale che possano essere studiate anche intere famiglie di geni (Chan et al, 2011). Sebbene gli schermi genetici nei topi siano certamente possibili (Kumar et al, 2011), la facilità della genetica diretta e inversa, unita al vantaggio aggiunto dell'ampia disponibilità di reagenti nei centri di stoccaggio, rendono la Drosophila ad avvicinarsi a entrambe le dimensioni più velocemente e anche molto meno. Sebbene tale economia di scala possa essere raggiunta anche in altri organismi (come lieviti o vermi), è il repertorio comportamentale sorprendentemente sofisticato che rende le mosche un utile organismo modello per studiare le malattie neuropsichiatriche.

GUIDA OROLOGI CONSERVATI RITMI GIORNALIERI

Il cervello di Drosophila contiene ∼ 200000 neuroni intermedi nella complessità neurale, in termini logaritmici, tra uomo e lievito, come il defunto Seymour Benzer amava sottolineare (Benzer, 1967). Sebbene abbia iniziato il campo della genetica comportamentale studiando semplici meccanismi sensoriali che si esprimono nel comportamento (ad esempio, correndo verso una luce), il suo laboratorio si è presto esteso a comportamenti più sofisticati come il condizionamento associativo olfattivo (Quinn et al, 1974), il sociale comportamenti associati al corteggiamento e all'accoppiamento con la mosca (Hall, 1977) e ai ritmi circadiani (Konopka e Benzer, 1971). Quest'ultimo serve come esempio particolarmente illuminante dei progressi che la Drosophila può realizzare, anche nel comprendere comportamenti complessi. Drosophila ha cicli sonno / veglia con ovvie somiglianze (e validità del viso) ai ritmi circadiani umani. La durata del ciclo a ciclo libero (cioè, assenza di segnali ambientali) è di ∼ 23, 8 ore, circa un giorno (circa-dian), ma non esattamente, sottolineando che esiste un orologio interno che guida questi ritmi. Analogamente alle persone, le mosche possono subire un jet lag (Rothenfluh et al, 2000) quando vengono spostate in altri fusi orari e ritmi non sincronizzati con l'ambiente (simile al lavoro a turni) fanno male alla forma fisica della Drosophila (Klarsfeld e Rouyer, 1998). Konopka e Benzer (1971) erano alla ricerca di mosche che avevano alterato i cicli sonno / veglia e, in uno schermo di diverse varianti di Drosophila , trovarono tre diversi alleli dello stesso gene, periodo , che arrivarono in un breve periodo di 19 h sapore, una variante a lungo termine di 29 ore e un allele aritmico che ha causato cicli di sonno / veglia delle mosche senza rima o motivo. Ci sono voluti 15 anni per isolare molecolarmente il gene del periodo , ma alla fine è stato stabilito che il gene del periodo è centrale in un ciclo di feedback autoregolatorio in cui il periodo viene trascritto; L'RNA e, successivamente, le proteine ​​si accumulano; la proteina quindi si trasloca nel nucleo per reprimere la propria trascrizione; e quando la proteina viene infine degradata, il ciclo ricomincia da capo (Hardin et al, 1990). Per molto tempo non è stato chiarito se il periodo fosse univoco per Drosophila e la clonazione di qualsiasi gene del periodo dei mammiferi si è rivelata impegnativa. Negli anni '90, ci fu un'esplosione di intuizioni e pubblicazioni che descrivevano ortologi dei mammiferi del periodo , nonché numerosi altri componenti molecolari conservati del meccanismo dell'orologio principale, tutti incentrati su un simile ciclo di feedback negativo (Allada et al, 2001; Young and Kay, 2001). Inoltre, le mutazioni nei pazienti che soffrono di disturbi del sonno, come la sindrome della fase del sonno avanzata familiare, sono state mappate su quegli stessi geni inizialmente isolati e caratterizzati in Drosophila (Toh et al, 2001). Nel complesso, è emerso che esiste una forte validità meccanicistica nello studio dei ritmi circadiani in Drosophila e che molte delle componenti dell'orologio conservate sono state inizialmente isolate e i loro meccanismi chiariti nelle mosche.

I disturbi nei ritmi del sonno / della veglia sono una comorbilità comune in molti pazienti psichiatrici e le anomalie circadiane, comprese le mutazioni dei geni del clock core, sono associate a disturbi dell'umore, tra cui depressione e disturbo bipolare (McClung, 2007). Inoltre, gli animali con funzione di core clock difettosa mostrano alterazioni nelle loro risposte a droghe d'abuso (Spanagel et al, 2005), tra cui Drosophila (Andretic et al, 1999; Pohl et al, 2013). I geni dell'orologio regolano quindi i processi oltre la ritmicità circadiana, comprese le risposte comportamentali ai farmaci dell'abuso.

STUDIARE I FARMACI DI ABUSO CON LE VOLATE

La dipendenza è probabilmente il disturbo neuropsichiatrico che è stato modellato con la maggior parte della validità del viso nelle mosche. La tossicodipendenza è principalmente caratterizzata dalla ricerca e dall'uso compulsivi di droghe, nonostante le conseguenze dannose. Esistono due grandi categorie: abuso di sostanze e dipendenza da sostanze. L'abuso di sostanze è definito come l'uso continuato di droghe nonostante situazioni fisicamente pericolose o problemi legali o interpersonali, mentre la dipendenza da sostanze include sintomi fisici come astinenza e tolleranza, nonché un uso incontrollato. Uno dei due modelli di roditori più comunemente usati per chiedere se ratti e topi come i farmaci specifici è la preferenza di luogo condizionata (CPP), in cui un farmaco viene applicato come rinforzo in un contesto specifico e gli animali preferiranno quindi trascorrere del tempo nel contesto / luogo in cui i farmaci sono stati applicati sull'altro, contesto / luogo di controllo neutro. L'altro saggio è l'autosomministrazione che può essere un'iniezione di farmaco mediata dalla leva o la scelta di bere alcolici in un paradigma di scelta tra due bottiglie. Questi modelli hanno un evidente valore nominale, in quanto il primo mostra che agli animali "piacciono" i farmaci e formano associazioni positive al loro incontro, e il secondo aggiunge anche l'assunzione volontaria di farmaci come caratteristica.

L'alcol è una delle droghe psicoattive più utilizzate e abusate al mondo. L'esposizione acuta all'etanolo può comportare sia una compromissione comportamentale a breve termine che una dipendenza a lungo termine. In laboratorio, le mosche sono spesso esposte all'etanolo in flussi di vapore definito di etanolo per misurare le loro risposte comportamentali, sorprendentemente simili alle risposte dei mammiferi. A basse dosi, le mosche mostrano l'attivazione locomotoria (Wolf et al, 2002) e la disinibizione (Lee et al, 2008), mentre dosi più elevate portano alla perdita del riflesso radicale e della sedazione (Rodan et al, 2002). Questi comportamenti possono essere misurati quantitativamente mediante osservazione visiva e tracciamento video (Rothenfluh et al, 2006; Wolf et al, 2002), e numerosi geni sono stati isolati che influenzano questi processi (rivisto in Kaun et al, 2012; Rodan e Rothenfluh, 2010 ). Sebbene la resistenza agli effetti inebrianti e calmanti dell'etanolo sia un fattore di rischio per lo sviluppo dell'alcolismo (Schuckit et al, 2004), non è un criterio diagnostico per l'abuso di alcol, e quindi studiare la sedazione nelle mosche manca di una validità del volto per modellare l'abuso . Per questo motivo, negli ultimi anni sono stati sviluppati paradigmi aggiuntivi. Innanzitutto, è stato dimostrato che le mosche, simili ai mammiferi, sviluppano tolleranza per ripetere esposizioni di etanolo. Pertanto, con esposizioni ripetute la dose di etanolo deve essere aumentata per raggiungere lo stesso endpoint comportamentale poiché le mosche acquisiscono resistenza agli effetti dell'intossicazione da etanolo. Questa tolleranza è un adattamento nel sistema nervoso, e quindi chiamata tolleranza funzionale, e non un cambiamento nella cinetica di assorbimento e metabolismo dell'etanolo (Scholz et al, 2000). Il recupero dalla pre-esposizione all'etanolo nelle mosche può anche portare a sintomi di astinenza, come la suscettibilità alle convulsioni (Ghezzi et al, 2012). Inoltre, il vapore di etanolo può fungere da rinforzo in un saggio simile al roditore CPP, in cui un odore neutro acquisisce attrattiva dopo essere stato accoppiato con una dose locomotoria che attiva l'esposizione all'etanolo (Kaun et al, 2011). Infine, in un paradigma di scelta tra due bottiglie, le mosche sviluppano la preferenza per una soluzione di saccarosio / lievito contenente il 15% di etanolo nell'arco di pochi giorni e supereranno persino un composto dal sapore amaro nella soluzione per bere (Devineni e Heberlein, 2009). Un saggio di preferenza di consumo simile è stato recentemente ridimensionato per un throughput più elevato e consente lo screening delle mosche mutanti con cambiamenti nella preferenza di consumo di etanolo dipendente dall'esperienza (Perù e Colon de Portugal et al, 2014).

Questi nuovi saggi forniscono una validità del viso più ovvia allo studio delle droghe d'abuso nelle mosche, ma cosa abbiamo imparato dalle mosche che parlano della validità meccanicistica del sistema? Evidenzieremo brevemente tre linee di esperimenti che chiariscono chiaramente il valore traslazionale dello studio del comportamento indotto dall'alcol nelle mosche. Il primo studio ha identificato il gene candidato alla suscettibilità all'autismo 2 ( AUTS2 ) in uno studio di associazione sull'intero genoma umano per il consumo di alcol (Schumann et al, 2011). Gli esperimenti per convalidare questa scoperta nell'uomo sono ovviamente limitati e, a causa della pronta disponibilità di queste mutazioni nelle mosche, combinate con un tempo di riproduzione rapido, gli autori hanno testato tre diverse mutazioni nell'ortografia di volo per i loro comportamenti indotti dall'etanolo. Hanno scoperto che tutti e tre hanno causato resistenza alla sedazione indotta dall'etanolo (Schumann et al, 2011), suggerendo che AUTS2 è coinvolto nella regolazione dei comportamenti indotti dall'etanolo tra le specie e che evidenzia l'utilità di Drosophila come modello genetico inverso per convalidare comportamentalmente i geni candidati trovato nelle persone.

A differenza di altri farmaci, l'etanolo agisce su più bersagli e può influenzare molti canali ionici diversi e altri bersagli molecolari (Koob, 2004). Numerose proteine ​​e percorsi target potrebbero non essere ancora conosciuti, rendendo quindi approcci genetici imparziali utili particolarmente utili per implicare nuovi geni nelle risposte indotte dall'etanolo. Un nuovo gene recentemente implicato nel consumo di etanolo è RSU1 , e il suo fly ortholog icarus ( ics ). I mutanti in ics sono stati isolati in uno schermo genetico in avanti a causa della loro resistenza alla sedazione indotta dall'etanolo. Un normale gene ics è richiesto nel sistema nervoso adulto della mosca per il normale comportamento indotto dall'etanolo. Inoltre, le mosche naive all'etanolo prive di tutte le funzioni ics mostrano una preferenza immediata per l'etanolo in un paradigma di scelta di due bottiglie (in cui le mosche normali impiegano 2-3 giorni per acquisire la preferenza; Ojelade et al, 2015). Poiché l'acquisizione di preferenza delle mosche probabilmente coinvolge processi legati alla ricompensa, i 70 SNP nella RSU1 umana sono stati testati per l'associazione con l'attività cerebrale alterata durante l'anticipazione della ricompensa utilizzando l'imaging funzionale. Un SNP ha mostrato una significativa associazione con una maggiore attivazione nello striato ventrale. Poiché quel SNP è localizzato in un introne, è stato ipotizzato che fosse un marcatore per una variante causale collegata non identificata nelle vicinanze. Un'analisi del gruppo di 22 SNP nello squilibrio di linkage ha ricapitolato la sua associazione con l'attivazione dello striato ventrale e ha anche trovato associazioni significative con la frequenza del bere a vita nella stessa coorte e con la dipendenza da alcol in una seconda coorte indipendente (Ojelade et al, 2015). Rsu1 / ics regola quindi il consumo di etanolo in Drosophila e nell'uomo. L'intuizione molecolare su come ciò potrebbe funzionare è stata ottenuta dalle mosche, dove Rsu1 agisce in una cascata di segnalazione a valle della molecola di adesione delle cellule di integrina e a monte della piccola GTPase Rac1 per regolare il citoscheletro di actina (Ojelade et al, 2015). Sia l'integrina (Kramár et al, 2006) sia Rac1 (Rothenfluh e Cowan, 2013) sono coinvolti in meccanismi di plasticità sinaptica che probabilmente sono alla base dei fenotipi comportamentali osservati. Tre lezioni generali possono essere tratte da questo studio. In primo luogo, la genetica in avanti nelle mosche può identificare nuovi geni che hanno anche rilevanza per il comportamento umano. In secondo luogo, l'isolamento di tali geni nelle mosche consente di testare ipotesi mirate su soggetti e campioni umani. Eliminando la maggior parte dei confronti multipli richiesti dagli studi a livello del genoma, ciò porta a un potere statistico molto maggiore e una maggiore probabilità di trovare un'associazione statisticamente significativa. Infine, il chiarimento del meccanismo molecolare a cui partecipa un dato gene, come RSU1 / ics , può essere facilmente raggiunto nelle mosche, compresa la determinazione della rilevanza comportamentale in vivo . Ciò fornisce una visione meccanicistica delle preferenze di consumo dell'etanolo nelle mosche e ancora più ipotesi verificabili per la traduzione in studi sull'uomo.

In una terza serie di esperimenti, le mutazioni nel gene della chinasi della famiglia Sterile-20 Happy Hour ( Hppy ) sono state isolate a causa della loro resistenza alla sedazione indotta dall'etanolo (Corl et al, 2009). Hppy agisce nel sistema nervoso mosca e una serie di esperimenti di interazioni genetiche lo collocano nella via del recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR), con un aumento della segnalazione dell'EGFR che causa resistenza alla sedazione indotta dall'etanolo. Questo percorso è ben studiato nel contesto della crescita cellulare e del cancro, ed erlotinib e gefitinib sono due inibitori dell'EGFR utilizzati clinicamente. Quando le mosche adulte sono state alimentate con uno di questi due farmaci, sono diventate più sensibili alla sedazione indotta dall'etanolo, proprio come ipotizzato dai dati genetici. Gli autori hanno quindi somministrato erlotinib a ratti che consumano etanolo e hanno scoperto che riduceva l'etanolo, ma non il saccarosio o l'assunzione di acqua (Corl et al, 2009). L'identificazione genica da uno schermo genetico imparziale è stata quindi tradotta in riduzione mediata dai farmaci del consumo di etanolo. Complessivamente, questi tre studi evidenziano chiaramente il potenziale traslazionale di Drosophila e dimostrano che il raggiungimento di validità faccia, meccanicistica e persino predittiva di questo organismo modello può essere raggiunto nello studio di alcuni disturbi neuropsichiatrici.

FRAGILE X PROTEINE E ASD

L'ASD è una condizione di sviluppo neurologico caratterizzata da interazione sociale e comunicazione compromesse e comportamento ripetitivo. L'autismo ha una forte base genetica, sebbene complessa (Sanders et al, 2012). L'ASD e diversi rari disturbi dello sviluppo neurologico monogenetico sono talvolta raggruppati in quanto presentano sintomi neurologici complessi, inclusa la disfunzione cognitiva. Uno dei geni autistici meglio studiati è FMR1, che è anche responsabile della causa della sindrome dell'X fragile (FXS). Il grado di deficit cognitivo osservato nei pazienti con X fragile va da lievi difficoltà di apprendimento a grave ritardo mentale, con progressivo declino cognitivo che si verifica con il tempo. Le presentazioni di ASD che sono state modellate con una certa validità del viso sono una ridotta funzione cognitiva e comportamenti ripetitivi. Le mutazioni in dFmr1 , che mostrano un'elevata omologia del gene dei mammiferi, portano a una ripulitura ripetitiva delle mosche (Tauber et al, 2011) e alla riduzione della memoria in un paradigma di condizionamento sociale (McBride et al, 2005). In effetti, queste mosche mutanti hanno persino dimostrato di ridurre il corteggiamento, il comportamento sociale che porta all'accoppiamento. Nelle mosche, questo consiste in un rituale di successive fasi comportamentali (e progressi), che alla fine (dopo minuti di corteggiamento) portano alla copulazione. I maschi privi di dFmr1 mostrano un certo corteggiamento, ma spesso non riescono a passare al passo successivo nel rituale e "perdono interesse" (Dockendorff et al, 2002). Si potrebbe quindi sostenere che anche nel campo della ridotta interazione sociale, il modello Drosophila possiede una certa validità facciale.

I mutanti Fly dFmr1 mostrano anche molte altre somiglianze con i mutanti del topo in FMR1 , inclusi cambiamenti strutturali in singoli neuroni come rami assonali e dendritici (Callan e Zarnescu, 2011; McBride et al, 2012; van Alphen e van Swinderen, 2013; Zhang e Broadie, 2005). Questa validità meccanicistica è ulteriormente estesa dalle scoperte secondo cui i topi knockout FMR1 mostrano difetti nella segnalazione del recettore del glutammato metabotropico (mGluR) che è stata collegata a diversi fenotipi simili ai fragili sintomi X, con conseguente ipotesi che una parte significativa dei fenotipi della malattia siano a causa della disregolazione di mGluR (Bear et al, 2004). Coerentemente con questa ipotesi, McBride et al (il 2005 ha trattato le mosche mutanti dFmr1 con diversi antagonisti del mGluR e potrebbe salvare i deficit comportamentali e strutturali riscontrati in queste mutanti dFmr1 in modo selvaggio verso la natura selvaggia. Il loro studio estende il modello alla validità predittiva e alla ricerca di nuove strategie terapeutiche sono state ulteriormente spinte in uno schermo per salvare i mutanti dFmr1 con una libreria di 2000 diversi composti chimici (Chang et al, 2008). I composti isolati, principalmente rivolti alla segnalazione GABA-ergica, hanno così rivelato nuovi percorsi che regolano la funzione dFmr1 in vivo , ampliando le strade degli approcci tradizionali alla scoperta di droghe.

ALTRI DISTURBI

Alcuni disturbi non avranno mai validità facciale nelle mosche, come gli impulsi suicidi. Questo avvertimento, tuttavia, si applica a tutti i modelli animali di alcuni disturbi umani. Si potrebbe avere difficoltà a modellare i sintomi positivi della schizofrenia (SZ), come le allucinazioni, negli animali. Poiché ciò potrebbe essere altrettanto difficile per i sintomi negativi, come la mancanza di affetto, un approccio per modellare questo disturbo è quello di concentrarsi sulla validità meccanicistica e studiare molecolarmente un gene umano associato a SZ nelle mosche. L'espressione del DISC1 umano, uno di questi geni associati alla SZ, nei corpi dei funghi delle mosche porta ad un aumento del fenotipo del sonno nelle mosche transgeniche. Cicli di sonno / veglia interrotti si riscontrano in molti pazienti con SZ e Sawamura et al (2008) hanno utilizzato mosche transgeniche DISC1 umane per stimolare i meccanismi molecolari con conseguente disturbo del sonno. Hanno scoperto che le mosche transgeniche con accumulo di DISC1 esogeno umano nel nucleo mostravano disturbi nell'omeostasi del sonno che associavano alla segnalazione CREB / trascrizione genica mediata da CRE. Pertanto, anche se il fenotipo del sonno da solo può sembrare inadeguatamente modellare un disturbo complesso come SZ, questo fenotipo può essere sufficiente per schermi genetici inversi ad alto rendimento che possono testare migliaia di geni candidati associati alla schizofrenia per ottenere una visione meccanicistica del funzionamento di questi geni .

Poiché SZ è altamente ereditabile (Tandon et al, 2008), si potrebbe essere tentati di usare un organismo geneticamente trattabile come le mosche per modellare i fenotipi associati ad esso. Come accennato in precedenza, i sintomi palesi come allucinazioni o psicosi sono difficili da modellare negli animali. Gli endofenotipi, che sono intermedi tra la presentazione sintomatica e l'eziologia (genetica) sottostante (Insel e Cuthbert, 2009), sono un altro approccio per svelare i meccanismi che portano ai disturbi psichiatrici. Per SZ, la memoria di lavoro o i deficit di gating sensomotorio come l'inibizione del prepulse e l'abituazione sono tali endofenotipi. Poiché sono più chiaramente definiti e quantificabili, sono più facilmente suscettibili di modellistica negli animali. Le mosche possono abituarsi a molti diversi stimoli innocui (Engel e Wu, 2009), ma l'inibizione del prepulse più comunemente studiata non ha dimostrato di esistere nelle mosche (ancora). Lo diciamo perché un altro invertebrato, la lumaca di mare Tritonia , mostra un'inibizione prepulse riproducibile e quantificabile della sua risposta di fuga (Mongeluzi et al, 1998). Descrivere questo fenomeno in Drosophila probabilmente attende quindi i giusti investigatori, con la giusta ispirazione per stabilire un comportamento quantificabile. Chiarire i meccanismi che governano tali endofenotipi può quindi fornire informazioni sulle cause genetiche, o almeno sui fattori di rischio, di malattie complesse come la SZ. Allo stesso modo, dal momento che il progetto NIMH Research Domain Criteria (RDoC) sta definendo misure biologiche quantificabili per la ricerca clinica e la fenotipizzazione delle malattie (Simmons e Quinn, 2014), queste misure e test specifici potrebbero essere più facilmente modellati sugli animali e aiutare a stabilire il meccanismo eziologie di vari tratti alla base di numerosi disturbi psichiatrici.

Queste domande e considerazioni valgono allo stesso modo per modellare altri disturbi come la depressione. Le mosche possono essere depresse? Combattono e sono stati isolati ceppi altamente aggressivi (Penn et al, 2010). Si potrebbe immaginare che le mosche normali possano essere cronicamente sconfitte da questi "bulli", simili al modello cronico di depressione della sconfitta sociale nei topi (Krishnan et al, 2007). Se sono "sessualmente frustrati" e viene loro impedito l'accoppiamento, bevono più alcol (Shohat-Ophir et al, 2012). Di recente, Yang et al (2013) hanno dimostrato che le mosche sviluppano impotenza appresa, un modello di roditori consolidato per la depressione. Because of the ease of genetic manipulation, including the reverse genetic approaches of testing known genes linked to specific human neuropsychiatric disorders, finding the right behavioral assay with a semblance of face validity thus often remains the initial challenge in modeling such disorders in flies. Once found though, molecular advances and insights can rapidly follow. This expands the usefulness of flies into learning about mechanisms and suggesting targets for therapeutics, or even therapeutics themselves, as done with a drug screen to find compounds altering monoaminergic deficiencies in flies (Lawal et al, 2014). Many neuropsychiatric disorders such as ADHD, depression, and addiction affect monoaminergic pathways, thereby making them a promising target for the development of novel screening approaches. This includes targeting presynaptic proteins required for the release of monoamines such as the vesicular monoamine transporter (VMAT), required for transport of all amines into synaptic vesicles. Modifier screens in Drosophila provide a new strategy to identify novel neuropsychiatric drugs, and Lawal et al (2014) performed a successful drug screen to find compounds altering monoaminergic deficiencies in flies. This example further underscores the utility of flies for testing genetic hypotheses as well as for generating genetic and even therapeutic hypotheses.

OUTLOOK

The field of Drosophila neurogenetics has changed dramatically over the past 20 years. The focus of most of this research community used to be centered around the molecular mechanisms of development such as axon pathfinding or neuronal cell-fate decisions, and relatively few scientists concentrated on behavior. However, as behavioral assays have become much more sophisticated and quantifiable, together with the ability to obtain more subtle, or adult-specific mutations, a large number of research labs now incorporate behavioral readouts into their arsenal. This has led to unbiased approaches trying to understand fundamental behaviors and their plasticity, yielding gene variants with a human connection. In addition, more labs have ventured into specifically modeling human disorders, and studying genes with known links to neuropsychiatric disorders. Certain disorders may never be modeled in flies, such as the ones affecting those parts of human brain anatomy/function that are clearly distinct. This may include prefrontal cortical diseases (do flies have a cortex?) or addiction to nicotine (whose receptors in flies mediate major excitatory neurotransmission in the brain; hence flies exposed to nicotine have seizures). However, fly researchers are developing an increasingly precise anatomical toolkit that allows for Gal4-mediated gene manipulation in ever more spatially restricted neurons. In addition, many new tools, like optogenetics, allow for the precise functional manipulation of these circuits. This will enable us to test how much functional homology is there between the Drosophila and human brain (in addition to the proposed deep evolutionary developmental homology; Strausfeld and Hirth, 2013). Although we will never have the ability to ask the fly 'how did that make you feel?, ' if the past is any indication, the future will allow us to model human conditions with ever more increasing face, mechanistic, and even predictive validity. In addition, as flies will continue to believe that they can fly, we might increasingly understand not just the how but even the why.

Finanziamento e divulgazione

ASN has been working for the Boston Consulting Group in Dallas since the beginning of 2015. The authors declare no conflict of interest.