GENETICA COMPORTAMENTULUI UMAN Conf.univ.dr. DRAGOŞ CÎRNECI Sinteze de curs

Transcriere

1 GENETICA COMPORTAMENTULUI UMAN Conf.univ.dr. DRAGOŞ CÎRNECI Sinteze de curs

2 Unitatea de învăţare 1 INTRODUCERE ȊN GENETICA COMPORTAMENTULUI 1.1. Introducere Genetica comportamentală integrează date din genetică, epigenetică, biologie, neuroştiinţe, psihologie, etologie şi statistică, având ca scop înțelegerea contribuției genelor şi mediului asupra comportamentelor şi altor trăsături şi abilităţi psihice. Dacă timp de mulți ani, problema se punea în termenii ereditate versus mediu, disciplina de față propune o altă paradigmă, înțelegând că majoritatea variaţiilor ȋn comportament depind de influenţa combinată a mai multor gene şi factori de mediu. De aceea, o ȋntrebare de genul: Ce este mai important ereditatea sau mediul? este superfluă. Ea nu aduce nici un plus de cunoaștere. Nici un comportament nu se dezvoltă fără gene şi mediu. Totuşi, ȋntrebarea se poate reformula: diferenţele dintre oameni depind mai mult de diferenţele ȋntre gene sau de diferenţele ȋntre medii? Sper ca acest curs să vă deschidă calea spre o reală înțelegere a comportamentelor, a condiționărilor și determinările complexe cărora acestea li se supun, dar și a permanentei interacțiuni dintre gene și mediu în realizarea produsului final: structura personalității unui individ Ce este genetica comportamentală Genetica comportamentală este domeniul de studiu care examinează rolul exercitat de către influenţele genetice şi cele de mediu asupra comportamentului animal, inclusiv al omului. Adesea asociată cu dezbaterea "gene versus mediu", genetica comportamentală este un domeniu interdisciplinar, care implică contribuții ale biologiei, neurostiinţelor, geneticii, epigeneticii, etologiei, psihologiei și statisticii. Specialiştii ȋn genetică comportamentală studiază moștenirea trasaturilor comportamentale. La om, aceste informații sunt adesea colectate prin utilizarea de studii de asociere genetică şi studii familiale, inclusiv studiul gemenilor versus a copiilor adoptaţi.

3 Figura 1. Gregor Mendel Anterior lui Gregor Mendel (adică sfârşitul secolului XIX) oamenii de ştiinţă credeau că moştenirea genetică este un proces prin care proprietăţile spermei şi ovulelor sunt pur şi simplu combinate, la fel cum se amestecă vopseaua roşie cu cea galbenă. Mendel a demonstrat că moştenirea genetică se face prin intermediul genelor, gena reprezentând unitatea fundamentală a eredităţii ce ȋşi menţine identitatea structurală de la o generaţie la alta. Ca şi regulă, genele vin ȋn perechi deoarece ele sunt aliniate de-a lungul cromozomilor formând şiruri de gene (vezi Figura 2). Iar cromozomii vin şi ei ȋn perechi, cu excepţia cromozomilor X şi Y care la bărbat nu sunt pereche. O genă este o porţiune a unui cromozom care este compus dintr-o spirală dublă de acid dezoxiribonucleic, sau ADN. Una dintre spirale serveşte ca şi model pentru sinteza acidului ribonucleic, sau ARN. ARN-ul este o spirală simplă, un tip anume de ARN servind ca şi model pentru sinteza unei proteine anume. Unele proteine formează structura corpului, altele servesc ca şi enzime catalizatoare ce reglează reacţiile chimice din corp. Un individ care are pe cei doi cromozomi o pereche identică de gene se numeşte homozigot pentru acea genă, iar un individ care are o pereche de gene diferite se numeşte heterozigot pentru acea genă. De exemplu, o genă pentru ochi albaştrii poate fi pe un cromozom iar o genă pentru ochi căprui pe celălalt.

4 Figura 2. Cromozom şi gene Unele gene pot fi dominante iar altele recesive. O genă dominantă are un efect puternic indiferent dacă se află ȋntr-o condiţie homozigotă sau heterozigotă. O genă recesivă are efect doar atunci când se află ȋn condiţia homozigotă. De exemplu, o persoană care are gena pentru ochi căprui (genă care este dominantă) dar şi gena pentru ochi albaştrii (care este o genă recesivă) va avea ochii căprui deşi ea este purtătoare a genei pentru ochi albaştrii şi o poate transmite urmaşilor. Ca să dăm şi un exemplu din sfera comportamentală, gena care răspunde de abilitatea de a simţi gustul substanţei PTC (fenil-thio-carbamidă) este o genă dominantă. PTC este o substanţă pe care unii oameni o simt ca fiind foarte amară ȋn timp ce alţii nu simt nici un fel de gust al ei, ȋn funcţie de gena pe care o posedă. Gena pentru lipsa de sensibilitate faţă de această substanţă este recesivă. Doar oamenii care au două asemenea gene recesive nu simt gustul. Dacă o persoană are doar una dintre genele dominante ea poate simţi gustul PTC. Totuşi, fiecare părinte de tipul celui anterior pomenit poate transmite fie o genă dominantă fie una recesivă deci copilul acestei familii are 25% şanse să fie homozigot pentru gena dominantă (deci să aibe ambele gene dominante), 50% şanse să fie heterozigot pentru gena dominantă (adică să aibă una dominantă şi una recesivă) şi 25% şanse să fie homozigot pentru gena recesivă (Kalat, 2004). Spre deosebire de sensibilitatea gustativă la PTC sau deficiente vizuale precum deuteranopia, majoritatea variaţiilor ȋn comportament depind de influenţa combinată a mai multor gene şi factori de mediu. De aceea, o ȋntrebare de genul: Ce este mai important ereditatea sau mediul? nu are nici un sens. Nici un comportament nu se dezvoltă fără gene şi mediu. Totuşi, ȋntrebarea se poate reformula: diferenţele dintre oameni depind mai mult de diferenţele ȋntre gene sau de diferenţele ȋntre medii? de exemplu, dacă cineva cântă foarte bine, motivul ar fi că are gene diferite, că are o şcoală mai bună, sau ambele.

5 1.3.2.Gene recesive şi gene dominante Fiecare cromozom participă la reproducere ȋn mod independent de ceilalţi cromozomi, iar fiecare specie are un număr anume de cromozomi. Specia umană are 23 de perechi de cromozomi. Dacă cineva are genotipul BbCc (unde B şi C sunt gene dominante iar b şi c sunt gene recesive) iar genele B şi C se află pe cromozomi diferiţi, ea va transmite urmaşilor genele B şi b independent de modul ȋn care va transmite genele C şi c. Ȋnsă dacă o persoană are genele B şi C pe acelaşi cromozom iar un cromozom are combinaţia BC iar celălalt are combinaţia bc, atunci dacă acea persoană va transmite mai departe gena B ea probabil va transmite şi gena C. Ȋnsă nu ȋn mod obligatoriu. Există şi o excepţie. Iar excepţia se numeşte ȋncrucişare cromozomică. O pereche de cromozomi se poate despărţi ȋn timpul reproducerii şi reconecta ȋn aşa fel ȋncât o parte a unuia să se ataşeze la partea opusă a celuilalt. Dacă unul dintre cromozomi posedă combinaţia BC iar celălalt posedă combinaţia bc, ȋncrucişarea cromozomică dintre locaţia lui B şi locaţia lui C conduce la combinaţii de tipul Bc şi bc. Cu cât este mai aproape locaţia lui B de cea a lui C, cu atât apare mai rar ȋncrucişare cromozomică ȋntre ei (Kalat, 2004). Dacă reproducerea ar duce la pui care să fie copii exacte ale părinţilor lor, nu ar apare evoluţie. Una dintre sursele variaţiei genetice este recombinarea o nouă combinaţie de gene, unele de la un părinte şi altele de la celălalt, care conduce la caracteristici care nu se regăsesc la niciunul dintre aceştia. De exemplu, o mama cu păr blod cârlionţat şi un tată cu păr negru şi neted ar putea avea un copil cu păr cârlionţat şi negru sau neted şi blond. O sursă de variaţie mai puternică decât recombinarea sunt mutaţiile. De exemplu, o genă răspunzătoare de ochi căprui se transformă prin mutaţie ȋntr-o genă răspunzătoare de ochi albaştrii. Mutaţia unei anume gene este un eveniment rar şi aleator. Mutaţiile sunt rareori folositoare, dar ȋn cazurile ȋn care sunt, ele sunt critice pentru evoluţia speciei respective. Majoritatea mutaţiilor produc gene recesive. Astfel, dacă unul dintre strămoşii tăi recenţi a suferit o mutaţie dăunătoare a unei gene, copiii săi nu vor prezenta efectele mutaţiei decât dacă şi partenerul tău prezintă aceeaşi mutaţie moştenită de la strămoşul său. Din acest motiv nu este recomandat să ai copii cu rudele apropiate (Kalat 2004) Gene legate de sex şi gene sexuale limitate Genele localizate pe cromozomii sexuali sunt cunoscute sub numele de gene legate de sex (vezi Figura 3). Toţi ceilalţi cromozomi sunt numiţi autozomali iar genele lor sunt numite gene autozomale. La mamifere, cei doi cromozomi sexuali sunt numiţi X şi Y; femelele au doi cromozomi X iar masculii au un cromozom Y şi unul X. Ȋn reproducere femelele ȋn mod obligatoriu furnizează cromozomul X iar masculii

6 furnizează fie un cromozom X fie unul Y. Dacă ei furnizează un X puiul va fi o femelă iar dacă furnizează un Y puiul va fi un mascul. Figura 3. Cromozomii XX la femei şi XY la bărbaţi Cromozomul Y este mic şi posedă puţine gene ȋn afara celor care determină puiul să se dezvolte ca şi mascul. Cromozomul X posedă ȋnsă multe gene. De aceea, când se vorbeşte despre gene legate de sex, de obicei se face referire la gene de pe cromozomul X. Un exemplu de genă legată de sex este gena recesivă răspunzătoare de deficitul de percepţie a a culorilor verde-roşu (sau deuteranopie). Orice bărbat care are această genă pe cromozomul său X are această deficienţă deoarece el nu are alt cromozom X. O femeie poate avea această deficienţă doar dacă posedă această genă recesivă pe ambii săi cromozomi X. Deci dacă 8% din cromozomii umani X conţin gena răspunzătoare de această deficienţă, atunci 8% dintre toţi bărbaţii vor avea deficienţa şi mai puţin de 1% dintre femei (Kalat, 2004). Distincte de genele legate de sex sunt genele sexuale limitate. O genă sexuală limitată este prezentă la ambele sexe dar are efect doar asupra unuia dintre sexe. De exemplu, genele care controlează volumul părului de pe piept la barbaţi, mărimea sânilor la femei, cântatul la cocoşi şi producţia de ouă la găini. Ambele sexe au aceste gene dar ele devin active doar sub influenţa hormonilor sexuali (Kalat, 2004) Imprinting genetic şi microhimerism În organism, pe toată perioada existenţei lui, are loc o competiţie intre genele provenite din diverse surse. Genele concurează intre ele pentru a deţine controlul asupra comportamentului, fiecare intr-o manieră proprie. Ele există in perechi, una de la tată şi una de la mama. De cele mai multe ori cele două variante sunt la fel de active. Totuşi, cu totul alta stau lucrurile cu genele care suferă procesul de imprinting. Ele poartă o etichetă biochimică care exprimă originea lor parentală şi determină dacă sunt active sau nu in

7 celulele copilului. Unele asemenea gene sunt active doar dacă provin de la mamă altele dacă provin de la tată. Cercetătorii de la Cambridge au găsit dovezi că in creierul şoarecilor genele provenite de la mamă contribuie mai mult la dezvoltarea zonelor responsabile de gȃndire, autocontrol şi planificare in timp ce genele provenite de la tată contribuie mai mult la dezvoltarea hipotalamusului, amigdalei şi altor structuri ale creierului limbic responsabile de comportamente esenţiale supravieţuirii precum sexul, alimentaţia şi agresivitatea. De asemenea, şoarecii manipulaţi genetic care au active doar genele provenite de la mamă au creierul mai mare, in timp ce şoarecii care au active doar genele provenite de la tată au corpul mai mare. Legătura dintre mamă şi făt este deosebit de profundă iar noile cercetări efectuate in Canada la University of Alberta sugerează existenţa unei conexiuni mai adȃnci decȃt şi-ar fi imaginat cineva. Între cei doi există un permanent schimb de celule care se fixează ulterior in organe precum plămȃnii, ficatul, inima, rinichii sau pielea. Considerăm corpul nostru ca fiind o entitate personală, iar ideea că ar putea adăposti şi celulele altor oameni pare luată din filmele gen Alien. Iar idea ca celulele altora să opereze in creierul nostru e şi mai şi. Totuşi, amestecul de celule de la indivizi diferiţi in acelaşi organism nu este ceva ieşit din comun. Se numeşte microhimerism după Himera, monstrul din mitologia greacă care era parte şarpe şi parte leu. Microhimerismul a fost iniţial observat la femei care după sarcină s-au trezit că au in sȃnge cromozomul Y (specific bărbaţilor). Mai ciudat este fenomenul in care celule ale unui făt să ajungă in corpul mamei, să rămȃnă acolo, iar cu ocazia unei noi sarcini să treacă prin placentă in corpul noului făt, deci al viitorului frate. O femeie poate avea celule microhimerice atȃt de la mama ei cȃt şi de la proprii copii şi există dovezi privind competiţia dintre aceste celule in corpul mamei. Unul dintre rolurile pe care le joacă acestea este de a repara ţesuturile mamei, existȃnd date pe şobolani cum că ele migrează in inima afectată a mamei unde ajută la vindecarea ei. De asemenea, prin caracterul lor genetic mix, parte a mamei parte a fătului, ele pot ajuta organismul să lupte impotriva tumorilor, care sunt de fapt nişte celule modificate genetic. Asemenea celule microhimerice au fost identificate şi in creierul mamei, unde ele se pot transforma in neuroni integrȃndu-se in circuitele existente şi se speculează că ar asigura protecţia faţă de Alzheimer (Martone, 2012) Conceptul de heritabilitate Pentru a măsura contribuţia eredităţii, se foloseşte conceptul de heritabilitate. Heritabilitatea este o estimare a variaţiei unor caracteristici ȋn cadrul unei populaţii produsă de diferenţele ȋn ereditate. Ea poate lua valori ȋntre 0 şi 1. O heritabilitate 0 ȋnseamnă că diferenţele genetice nu sunt răspunzătoare de variaţiile observate ale unor caracteristici dintr-o populaţie testată. O heritabilitate 1 arată că diferenţele genetice sunt

8 răspunzătoare pentru toate variaţiile observate. O valoare de 0,5 indică un rol intermediar. Heritabilitatea este specifică unei populaţii testate ea poate fi ridicată pentru o populaţie şi scăzută pentru alta. De exemplu, ȋntr-o comunitate ȋn care toţi membrii sunt ȋnrudiţi variaţiile ȋn comportamentul lor sunt datorate diferenţelor de mediu, deci heritabilitatea este una scăzută. Ȋntr-o comunitate ȋn care oameni neȋnrudiţi ȋmpart acelaşi mediu, variaţiile ȋn comportamentul lor sunt datorate diferenţelor genetice, deci heritabilitatea este una ridicată (Kalat, 2004). De obicei se compară asemănările dintre gemenii monozigoţi (identici) şi cei dizigoţi (fraterni neidentici). O asemănare mai puternică ȋntre cei monozigoţi indică o heritabilitate mai ridicată; o asemănare similară ȋntre cele două categorii indică o heritabilitate egală cu 0. Dacă se studiază copiii adoptaţi şi ei seamănă mai mult cu părinţii lor biologici decât cu cei adoptivi, acest lucru indică o heritabilitate mai ridicată. Pe baza acestor cercetări, s-a descoperit o heritabilitate ridicată a unor zone din creier, precum şi pentru multe comportamente cum ar fi tendinţa de a sta singur, privitul la TV, atitudinile sociale, neuroticismul şi altele (Kalat, 2004). Oamenii sunt fiinţe foarte greu de studiat. Cercetătorii nu le pot dicta preferinţele privind partenerii sau prietenii şi au un control limitat asupra mediului lor. Unele dintre aceste dificultăţi au condus la supraestimarea heritabilităţii. De exemplu, cu cât furnizăm oamenilor un mediu mai asemănător, cu atât creşte heritabilitatea. Acesta este cazul copiilor adoptaţi: agenţiile de adopţie ȋncearcă să ȋi plaseze ȋn familii cât mai bine situate social şi de aceea diferenţele de mediu sunt mici ȋn cazul lor. Ȋn plus, multe studii realizate pe oameni rareori disting ȋntre influenţele genetice şi cele prenatale. Majoritatea gemenilor monozigotici ȋmpart acelaşi sac amniotic şi astfel aceaşi sursă de sânge ȋn timp ce gemenii dizigotici se dezvoltă ȋn saci amniotici separate. De aceea gemenii monozigotici seamănă unul cu celălalt atât ȋn ce priveşte genele dar şi ȋn ce priveşte mediul prenatal. Ȋn plus, studiile arată că părinţii cu IQ scăzut, criminali sau cu boli psihice tind să aibă copii cu aceleaşi probleme, chiar dacă sunt adoptaţi. Aceşti părinţi cu probleme le-au transmis copiilor genele lor, dar şi mediul prenatal. Ȋn multe dintre cazuri, aceste mame au o dietă precară şi o medicaţie neadecvată ȋn timpul sarcinii, multe fumează, beau alcool şi iau droguri ȋn timpul sarcinii. De aceea, ceea ce pare o influenţă genetică poate fi măcar parţial influenţa mediului prenatal (Kalat, 2004). O altă problemă sensibilă, este aceea că genele nu ne afectează doar pe noi ci şi influenţează felul ȋn care suntem trataţi de către alţii. De exemplu, un copil arătos este tratat diferit de unul mai puţin arătos. Dacă genele ȋl fac pe un copil să fie echilibrat emoţional el va fi tratat astfel ȋntr-un mod mai prietenos, accentuându-i astfel calmul. Dacă genele ȋl fac pe un copil să fie mai temperamental, va fi tratat mai aspru de cei din jur, ceea ce ȋl face să fie şi mai ostil. Aceste influenţe sunt numite efect multiplicat. Dacă influenţele genetice sau prenatale produc chiar şi o modificare mică ȋntr-o anume activitate, mediul timpuriu va accentua acea tendinţă. Să luăm un exemplu din sport. Dacă un copil are gene care ȋl fac să crească mai ȋnalt, să alerge mai rapid şi să ȋşi coordoneze mai bine mişcările acel copil va avea succes

9 ȋn basket ȋncă de mic iar acest lucru ȋl va ȋncuraja să joace mai mult. Practica ȋi va dezvolta şi mai mult abilităţile şi astfel va avea şi mai mult succes şi deci ȋncurajare. Ceea ce era iniţial un efect mic al genelor sau mediului prenatal se transformă ȋntr-un efect uriaş. Marea dificultate ȋn studierea heritabilitaţii este aceea că gene diferite ȋi predispun pe oameni să caute medii diferite, medii care sprijină aceleaşi tendinţe comportamentale ca şi gena respectivă (Kalat, 2004). Atunci când se vorbeşte despre gena pentru ochii albaştrii aceasta nu ȋnseamnă ad-litteram că există o genă care produce ochi albaştrii. Genele produc proteine care modifică chimismul organismului astfel ȋncât să se producă ochi albaştrii. La fel, dacă vorbim despre gena alcoolismului nu ȋnseamnă că gena ȋn sine duce la alcoholism ci ea produce o proteină care ȋn anumite circumstanţe creşte probabilitatea de a se ajunge la alcoholism. Şi de regulă nu doar la alcoholism ci şi la alte adicţii şi diverse probleme comportamentale. A descrie exact cum o genă creşte probabilitatea unui comportament este un lucru foarte dificil. Genele pot afecta comportamentul şi ȋn mod indirect influenţând alte caracteristici ale corpului. De exemplu, o genă ce creşte ȋnălţimea unei persoane creşte probabilitatea ca aceasta să joace basket iar statul pe terenul de basket o ȋmpiedică pe acea persoană să facă alte activităţi precum matematica sau desenul. Nu trebuie să fim uimiţi de faptul că aproape orice comportament uman are o oarecare heritabilitate. Ideea este că genele ce afectează corpul ȋntr-un mod anume afectează şi comportamentul, iar o genă ce influenţează un comportament cumva ajunge să le influenţeze şi pe altele (Kalat, 2004). Concluzii Genetica comportamentală este o disciplină de graniţă, ce combină date din genetică, epigenetică, biologie, neuroştiinţe, psihologie, etologie şi statistică pentru a studia efectul genelor şi mediului asupra comportamentelor şi altor trăsături şi abilităţi psihice. Ea studiază modul ȋn care se transmit trăsăturile ȋn mod dominant şi recesiv, moştenite pe linie maternă sau paternă, efectul genelor autozomale precum şi efectul mediului prenatal şi postnatal asupra dezvoltării organismului. De asemenea, ea studiază efectele multiplicate ale interacţiunii gene-mediu. Bibliografie obligatorie: 1. Kalat, J.W. Biological Psychology; 8th edition. Wadsworth, Belmont CA, Martone, R. Scientists discovered children s cells living in mother s brain

10 Unitatea de învăţare 2 ELEMENTE GENERALE DE GENETICĂ

11 Introducere Subiectul eredității fascinează. Mai mult decât atât, pentru dvs, studenții în psihologie, aproape nu există domeniu în care problematica eredității să nu fie implicată fie că este vorba despre inteligență ori alte aptitudini, fie că vorbim despre tulburarea mentală ori despre reacția la stres. Această unitate de învățare dorește să vă familiarizeze cu anumiți termeni a căror înțelegere vă este absolut necesară, dar și cu anumite mecanisme responsabile de ceea ce suntem obișnuiți să numim transmitere ereditară. Ce este codul genetic? dar genele? ce înseamnă transcripție? care sunt rolurile pe care le îndeplinește ADN-ul? prin ce se deosebește acesta de ARN? acestea sunt doar câteva dintre întrebările care vor primi răsuns în cele ce urmează Structura ADN-ului ADN-ul este constituit din două lanţuri sau şiruri sub forma unei duble elice. Fiecare dintre cele două şiruri de ADN ce formează dubla elice este de fapt un polimer linear, contruit dintr-o secvenţă de 4 mici blocuri numite nucleotide. Cele 4 nucleotide care formează ADN-ul sunt purinele : adenina (A) şi guanina (G) şi pirimidinele: citozina (C) şi timina (T)(vezi Figura 4). Figura 4. ADN şi nucleotide În ARN timina este înlocuită de o altă pirimidină numită uracil (U). În cadrul configuraţiei sale de elice dublă, există o punte fosfatică la capătul căreia stă câte o nucleotidă orientată spre interior. Cele două

12 şiruri de ADN sunt orientate în opoziţie unul faţă de altul, formând o structură ca o scară. Punţile fosfatice reprezintă treptele scării, iar în această configuraţie o purină este întotdeauna opusă unei pirimidine, regula fiind că A este întotdeauna pereche cu T şi G cu C (AT şi GC)(Hyman, 1996). Atunci când are loc replicarea ADN-ului (necesară înaintea diviziunii celulare), dubla elice se desface şi fiecare şir de ADN serveşte ca model pentru sinteza unui nou şir complementar de ADN. Când se sintetizează ARN-ul (proces numit transcripţie), ADN-ul se desface într-o regiune locală a cromozomului şi doar un şir din cele două este folosit pentru a sintetiza un şir de ARN, care apoi se disociază de ADN, permiţând refacerea elicii duble originale (Hyman, 1996)(Figura 5). Figura 5. Transcripţie şi Translaţie Înăuntru nucleului, ADN-ul este organizat în cromozomi, fiecare compus din molecule foarte lungi de ADN, înfăşurate în jurul unor proteine structurale şi reglatoare. Fiecare cromozom conţine segmente multiple de ADN numite gene. O genă este o regiune a ADN-ului care este transcrisă pentru a forma un ARN. O parte a ARN îndeplineşte în mod direct funcţii celulare (ARN-ul ribozomal sau de transfer - ARNt), alta serveşte ca intermediar pentru sinteza de proteine (ARN-ul mesager). După transcripţie, ARN-ul mesager (ARNm) este procesat şi iese din nucleu, iar în ribozomi este translatat în proteine (Hyman, 1996) Codul genetic Eukariote se numesc organismele ale căror celule au ȋn mjloc un nucleu şi conţin şi alte organe, toate ȋncapsulate ȋntr-o membrană. La organismele eukariote, cele mai multe gene care codează proteine au secvenţele de ARNm întrerupte de secvenţe de ADN. Secvenţele din cadrul unei gene care codează un segment de ARNm sunt numite exoni ; secvenţele intermediare de ADN sunt numiţi introni. Atunci când este transcrisă o genă producătoare de proteine, este produs un şir lung de ARN transcriptul primar care este coliniar cu ADN-ul şi conţine atât exoni cât şi introni. Înainte ca ARN-ul să iasă din nucleu, intronii sunt înlăturaţi de către enzimele care procesează ARN-ul, iar exonii sunt înjumătăţiţi pentru a forma un ARN matur. Odată înjumătăţirea completă, ARNm părăseşte nucleul şi se leagă în citoplasmă de ribozomi, unde sintetizează proteine (Hyman, 1996)(vezi Figura 6).

13 Figura 6. Translaţia Regulile care guvernează translatarea ARNm în proteine se numesc «cod genetic». Secvenţele de nucleotide din ARNm sunt citite în ribozomi în ordine serială, în grupuri de câte 3: fiecare triplet de nucleotide numit codon specifică unul dintre cele 20 de blocuri de aminoacizi care formează o proteină. Translatarea ARNm într-o proteină depinde de prezenţa unei molecule adaptoare numită ARN de transfer (ARNt). Ribozomii găsesc un loc specific de start pe ARNm şi apoi se mişcă de-a lungul moleculei de ARNm translatând secvenţele de nucleotide un codon odată folosind ARNt pentru a adăuga aminoacizi la căpătul mereu crescând al lanţului de polipeptide (Hyman, 1996) Transcripţia Genele conţin două tipuri de regiuni funcţionale : una care specifică secvenţa ARN-ului transcris şi astfel secvenţa de aminoacizi a proteinei produse, şi o serie de regiuni reglatoare care determină în care celule, în ce circumstanţe şi în ce rată se va exprima gena. Transcripţia unei gene ce produce proteine este realizată de 1) enzima numită ARN polimeraza II şi 2) proteinele reglatoare asociate numite Factori de transcripţie. Procesul de transcripţie se împarte în 3 paşi : iniţiere, elongarea lanţului de ARNm şi terminarea lanţului. Iniţierea pare să fie cel mai important punct de control asupra fluxului de informaţii din genom spre sinteza de proteine. Reglarea iniţierii presupune 2 procese : - poziţionarea polimerazei la capătul corect de start al unei gene (vezi Figura 7), şi - controlul eficienţei iniţierii pentru a produce rata de transcripţie adecvată celulei respective. Aceste funcţii de control sunt îndeplinite de scurte segmente de ADN din cadrul unei gene numite elemente cis-reglatoare.

14 Figura 7. Iniţierea transcripţiei Secvenţe specifice din cadrul elementelor cis-reglatoare formează locuri de cuplare cu afinitate înaltă pentru anumiţi Factori de transcripţie. Factorii de transcripţie pot astfel creşte sau scădea rata de exprimare a genelor cu care ei interacţionează. Ei pot acţiona ca şi activatori ai transcripţiei, sau ca represori. Funcţia elementelor cis-reglatoare este de a potrivi Factorii de transcripţie adecvaţi la genele ţintă corecte. Regiunea de control a unei gene situată lângă locul de start al transcriţiei este numită promotor. Fiecare genă are o combinaţie specifică de elemente cis-reglatoare, natura, numărul şi aranjarea spaţială a lor determinând patternul unic de exprimare al genei respective, incluzând tipul de celulă în care ea se exprimă, momentul din timpul dezvoltării în care ea se exprimă şi nivelul la care ea se exprimă la adulţi atât la nivel bazal cât şi ca răspuns la semnale fiziologice (Hyman, 1996). Transcripţia este susţinută de 3 ARN polimeraze : ARN polimeraza I, II şi III. Fiecare dintre ele interacţionează cu o clasă diferită de gene cu elemente promotoare distincte. Totuşi, niciuna dintre ele nu poate recunoaşte secvenţa reglatoare a ADN-ului direct, ci acest lucru este realizat de către Factorii de transcripţie. Promotorii polimerazei II sunt utilizaţi de către gene care sunt transcrise pentru a forma ARNm şi astfel proteine. Promotorul bazal al celor mai multe gene transcrise de către polimeraza II este compus dintr-o secvenţă bogată în nucleotidele A şi T localizată între de baze în aval de locul de start al transcripţiei. Această secvenţă numită element TATA sau TATA box este locul în care este ansamblat procesul transcripţional. Dacă elementul TATA suferă mutaţii, iniţierea transcripţiei poate să nu aibă loc sau poate să nu fie corectă. Proteina cheie care se leagă de TATA box este numită TBP (TATA binding protein)(hyman, 1996) ADN-ul şi ARN-ul non-codante şi rolul lor ȋn dezvoltarea creierului Aşa numita «dogmă centrală» a geneticii este aceea că ADN-ul este transcris în ARN mesager iar acesta este translatat în proteine. Această dogmă este cu siguranţă validă în segmentul prin care explică producerea proteinelor, dar în ultimii ani a devenit evident că în genom există mult mai multă informaţie genetică, informaţie care este folosită pentru controlul ratei şi timing-ului proceselor care conduc la producerea proteinelor. În organismele superioare doar o minoritate dintre gene (aproximativ 2%) codează proteine. ARN-ul care este transcris din ADN dar nu produce proteine este numit ARN non-codant (ncrna) (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005).

15 Figura 8. Partea codantă a ADN-ului uman (Protein coding) Deci, la om doar aproximativ 2% din ADN codează aminoacizi, din care se produc proteinele. Cele 98 de procente rămase erau considerate până nu demult «umplutură» (junk DNA)(vezi Figura 8). Totuşi, în loc să fie un deşeu, relicvă sau umplutură, ncrna joacă un rol fundamental în reglarea expresiei genelor, astfel organizând dezvoltarea şi menţinerea vieţii. Unele studii au relevat că 80% din ncrna este localizat în introni sau în alte regiuni intergenetice (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Intronii, sunt asemenea unor imense «pauze publicitare» care întrerup programul TV doar că la nivelul ADN-ului ele ocupă 98% din «timpul de emisie»(vezi Figura 9). Studiile au arătat că gradul de complexitate al unui organism este slab corelat cu numărul de gene care produc proteine, însă corelează puternic cu numărul genelor ncrna (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Figura 9. Introni şi exoni O pseudo-genă are o structură de baze proteice perechi ca şi o genă normală, dar îi lipseşte secvenţa critică necesară pentru translaţie. O pseudo-genă poate fi transcrisă, dar ARN-ul mesager rezultat nu este translatat în proteine. În genomul uman au fost identificate aproximativ pseudo-gene, iar multe gene au pseudo-gene multiple, deseori localizate pe un cromozom diferit de cel al genei respective. Ele au fost iniţial considerate deşeuri genetice, fosile ale evoluţiei, dar ulterior s-a observat că multe pseudo-gene se conservă între specii deci nu prezintă rata normală de degradare specifică unei regiuni genetice non-

16 funcţionale. Pseudo-genele care sunt localizate lângă genele lor contribuie la mutaţia acestor gene (şi astfel creare de diversitate genetică) prin procesul conversiei genelor. Prin acest proces, care are loc în timpul meiozei, are loc un schimb de material genetic între genă şi pseudo-gena alăturată (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Pseudogenele au două surse: duplicarea genelor şi retrotranscripţia. Cele apărute din duplicare îşi păstrează secvenţa promotoare deci se pot exprima ca gene codante. A doua sursă de apariţie a pseudogenelor este retrotranspoziţia care apare atunci când un ARNm este retrotranscris în ADN-ul complementar şi inserat în genom. Ca efect a retrotranscripţiei se pierd secvenţele promotoare şi reglatoare deci gena rezultată nu mai are elementele necesare transcripţiei. Totuşi, în unele cazuri ele se pot insera în ADN-ul complementar într-o locaţie aflată downstream de o secvenţă promotoare şi în acest caz aceste gene se pot exprima (Zhang, 2003). Rata şi volumul de proteine sintetizate sunt relaţionate cu cantitatea de ARNm disponibil, care la rândul său reprezintă rata transcripţiei ADN-ului, rata degradării ARN-ului, şi alţi factori. Atât transcripţia cât şi degradarea par să fie în strânsă legătură, ncarn-ul fiind implicat în timing-ul şi cantitatea sintezei de proteine. Segmentele mici de ARN se constituie într-o funcţie celulară reglatoare, afectând direct timingul şi rata sintezei proteinelor. Aceste recent descoperite mecanisme de control ale exprimării genelor sunt văzute ca un «vârf de iceberg», anticipând şi alte funcţii reglatoare ale ncarn (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Una dintre funcţiile propuse pentru introni este aceea a unui cod de corectare a erorilor produse în transcripţia ADN-ului (Pearson, 2006). Scanarea genomului în vederea depistării cauzei pentru diverse boli complexe a găsit dovezi ale existenţei acestor markeri ai bolilor în cea mai mare măsură nu la nivelul exonilor ci al intronilor. De exemplu, a fost identificat un polimorfism non-codant (ncsnp) al genelor DTNBP1 şi NRG1, polimorfism asociat cu schizofrenia. Se pare că dereglări ale controlului transcripţiei sau translaţiei unei gene pot contribui la riscul pentru diverse boli (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Multe dintre gene se exprimă în doar un organ, ţesut sau tip de celule. Anumite secvenţe de ADN non-codant joacă un rol critic în a direcţiona când şi unde să aibă loc această exprimare. Ele sunt componente ale «comutatoarelor genetice» care pornesc sau opresc gene la timpul si în locul adecvat. Proteinele numite factori de transcripţie şi care se cuplează la ADN recunosc aceste secvenţe de ADN noncodant numite facilitatori (enhancers). Cuplarea factorilor de transcripţie la facilitatori în cadrul nucleului celulei, determină statusul genei respective pornită sau oprită. Fiecare genă are cel puţin un facilitator. Facilitatorii pot fi localizaţi pe oricare faţă a genei sau chiar în zona non-codantă a genei (introni). De asemenea, pot fi la distanţă mare de gena pe care o controlează. Unele gene au mai mulţi facilitatori, în special genele care encodează proteine care dau anatomia corpului. Fiecare facilitator reglează în mod independent exprimarea genei în diferite părţi ale corpului şi la momente diferite din viaţa organismului respectiv, astfel că exprimarea unei gene reprezintă de fapt o sumă de site-uri independente de exprimare. Aceşti facilitatori permit ca aceeaşi genă să fie folosită de mai multe ori în contexte diferite şi astfel măresc semnificativ versatilitatea unei gene. Mutaţii ale facilitatorilor permit ca trăsături specifice ale corpului să fie modificate selectiv fără a schimba genele sau proteinele (Carroll, Gompel şi Prudhomme, 2008). O nou descoperită familie de mici segmente de ARN non-codant este miarn (micro-arn-ul). Ele sunt estimate a fi între 200 şi 250, constituind aproximativ 1% din genele umane. Revista Science a subliniat importanţa acestor mici ARN-uri în înţelegerea evoluţiei şi operaţiilor genomului, numind în 2002 această descoperire «Breakthrough of the year» (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Funcţiile miarn includ reglarea proceselor post-transcripţionale cu rol în dezvoltare, moartea celulelor, diferenţierea celulelor sau proliferarea lor (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). miarn acţionează spre reglarea expresiei genelor prin

17 cuplarea la ARN-ul mesager ţintă, astfel blocând procesarea acestuia în ribozomi şi inhibând translatarea ARN mesager în proteine (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Se estimează că 40-50% din ARN mesager este reglat de miarn. Un mare număr par să fie specifici creierului şi sunt implicaţi în dezvoltarea şi diferenţierea neuronală (McClung şi Nestler, 2008). miarn precursor conţine o secvenţă scurtă de nucleotide mature incorporată într-o secvenţă mai lungă de nucleotide. Secvenţa matură este puternic conservată la nivelul diverselor specii, prin contrast cu restul secvenţei de miarn precursor, care prezintă diversitate evolutivă. miarn precursor este exportat din nucleu în citoplasmă unde este procesat de enzima DICER şi transformat în dsarn care include secvenţa matură şi omologul ei complementar. miarn acţionează spre reglarea expresiei genelor prin cuplarea la ARN-ul mesager ţintă, astfel blocând procesarea acestuia în ribozomi şi inhibând translatarea ARN mesager în proteine (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005)(vezi Figura 10). Figura 10. Blocarea sintezei proteinelor de către mirna Cea mai mare parte a modificărilor structurale care stau la baza plasticităţii apar la nivelul dendritelor şi spinilor dendritici. miarn se pare că are rol în reprimarea translaţiei proteinelor la nivel sinaptic în condiţii normale, iar această reprimare este înlăturată în urma stimulării sinapsei (McClung şi Nestler, 2008). Aceşti miarn suferă aşa-numitul proces de editare a ARN-ului şi este posibil ca să fie implicat în reglarea proceselor de translaţie locală a ARN mesager în sinapse, procese implicate în plasticitate (McClung şi Nestler, 2008). Multe tipuri de ARNm sunt transportate în sinapse unde are loc translaţia lor locală şi astfel remodelarea acestor sinapse. Multe dintre modificările structurale care stau la baza plasticităţii sinaptice apar la nivelul spinilor dendritici şi arborizaţiilor. miarn-ul ar putea fi implicat în represia translaţiei proteinelor la nivelul sinapselor în condiţii normale. În schimb, în condiţii de stimulare această represie este abolită. În hipocamp, există un miarn specific creierului mi134 localizat în compartimentul somato-dendritic al neuronilor unde el scade mărimea spinilor dendritici. Stimularea neuronală prin factorul de creştere neuronală BDNF stopează represia executată de către mi134 permiţând creşterea spinilor (McClung şi Nestler, 2008). Sfera editării ARN furnizează substratul molecular pentru dezvoltarea şi funcţionarea creierului, inclusiv a proceselor legate de encodarea, consolidarea şi reactualizarea informaţiei (Mehler şi Mattick, 2007).

18 Concluzii Ȋntreg organismul nostru este alcătuit din proteine care sunt produse de către gene. Genele sunt conţinute ȋn ADN. Procesele prin care informaţia genetică este transpusă ȋn proteine se numesc transcripţie şi translaţie. Deşi aceste procese sunt considerate ȋn mod clasic ca alcătuind Codul genetic, doar 1,8 % din ADN se conformează acestei reguli. Cea mai mare parte din el este numit ne-codant, pentru că nu transpune ȋn proteine informaţia encodată ȋn gene. Totuşi, funcţiile acestui ADN ne-codant sunt foarte importante, ele stând la baza multor procese psihice, cum ar fi ȋnvăţarea. Complexitatea unui organism este dată de mărimea ADN-ului ne-codant. Bibliografie obligatorie: 1. Hyman, S.E. Relevance of gene regulation to psychiatry. În C.J. Dickstein, M.B. Riba şi J.M. Oldman (editori) Review of psychiatry Vol. 15. American Psychiatric Press. Washington DC, Mehler, M.F. şi Mattick, J.S. Noncoding RNAs and RNA editing in brain development, functional diversification, and neurological disease. Physiological Review, 87, pp , McClung, C.A. şi Nestler, E.J. Neuroplasticity mediated by altered gene expression. Neuropsychopharmacology Reviews, 33, pp 3-17, Perkins, D.O., Jeffries, C. şi Sullivan, P. Expanding the central dogma : the regulatory role of nonprotein coding genes and implications for the genetic liability to schizophrenia. Molecular Psychiatry, Vol. 10, pp 69-78, 2005

19 Unitatea de învăţare 3 EVOLUŢIA GENELOR CARE CONSTRUIESC CREIERUL UMAN Introducere Deşi pentru mulţi evoluţia este o problemă discutabilă, ȋn lumea ştiinţei dovezile sunt foarte numeroase şi concludente. Odată descoperite mecanismele care stau la baza evoluţiei genelor, imaginea privind evoluţia a devenit tot mai complexă. A devenit clar că viruşii stau la baza evoluţiei tuturor speciilor, ei fiind răspunzători atât de mutaţii care au avantajat unele specii de-a lungul istoriei naturale dar ȋn acelaşi timp ei au lăsat seminţele funcţionării normale a unor procese cognitive precum ȋnvăţarea şi memoria. Mutaţiile nu sunt nici ceva rău nici ceva bun, ci ele crează diversitate care poate fi benefică ȋn condiţiile unui mediu schimbător Ce este evoluţia? Toate genele pot evolua prin selecţie naturală. Evoluţia reprezintă o modificare de-a lungul generaţiilor a frecvenţei ȋn rândul populaţiei a anumitor gene. Conform acestei definiţii, evoluţia presupune orice schimbare ȋn frecvenţa genelor indiferent dacă aceasta este folositoare sau dăunătoare pe termen lung (de altfel Charles Darwin nu prefera termenul evoluţie tocmai pentru că are conotaţie de progres. El numea procesul transmitere modificată)(kalat, 2004). Se pune ȋntrebarea cum se realizează evoluţia. Orice specie care se reproduce evoluează. Puii seamană cu părinţii lor, dar mutaţiile şi recombinările genetice introduc ocazional variaţii care se pot

20 transmite mai departe urmaşilor. Apoi, unii indivizi supravieţuiesc mai mult şi se pot reproduce mai frecvent, iar aceştia ȋşi pot transmite genele la mai mulţi urmaşi care vor semăna cu acest părinte supravieţuitor de succes. Deci orice genă sau combinaţie de gene care sunt asociate cu succesul reproducerii se vor găsi ȋn mai mare frecvenţă la generaţiile următoare. Acest principiu se cunoşte de mult timp că se aplică la plante şi animale, fiind descoperit de crescătorii care alegeau exemplare cu o anumită caracteristică şi le ȋncrucişau ȋntre ele. Procesul se numeşte selecţie artificială iar ȋn timp ea a condus la rase excepţionale de cai de curse, la sute de rase de câini, la găini care dau multe ouă sau la peşti de acvariu deosebit de frumoşi. Figura 11. Charles Darwin Idea lui Darwin a fost că Natura procedează la fel precum crescătorii selectând exemplarele care au mai mult succes ȋn a găsi hrană, a scăpa de duşmani, a se reproduce şi a-şi proteja puii, şi astfel genele lor se regăsesc ȋn mai mare măsură la generaţiile ulterioare (Kalat, 2004). Iată câteva ȋnţelesuri greşite ale termenului evoluţie: 1. Evoluţia omului s-a oprit. Una dintre cele mai sigure metode de investigare a evoluţiei este urmӑrirea mutaţiilor care au loc la nivel genetic. Prin aceastӑ metodӑ s-a descoperit cӑ acum 8 pȃnӑ la 12 milioane de ani, strӑmoşul maimuţelor antropoide (se numesc antropoide maimuţele mari precum cimpanzeul, gorila sau urangutanul) aici incluzȃnd şi omul a suferit o schimbare geneticӑ dramaticӑ: mici bucӑţi de ADN s-au duplicat şi sau rӑspȃndit de-a lungul cromozomilor precum puful de pӑpӑdie pe o pajişte. Dar, la fel ca şi ȋn cazul pӑpӑdiei, ele au purtat cu ele şi ceva iarbӑ şi seminţe de margarete adicӑ segmente de ADN care se aflau ȋn preajma lor. Acest fenomen ciudat s-a repetat ȋn locuri diferite din genom (genomul este totalitatea genelor) şi se regӑseşte doar la cimpanzei, gorile, urangutani şi oameni.

21 Cercetӑtorii de la University of Washington din Seattle au bӑnuit cӑ aceastӑ duplicare reprezintӑ substratul naşterii a noi gene. Iar genele din aceste regiuni duplicate par sӑ joace un rol important ȋn creier, fiind legate de creşterea noilor neuroni, dar şi de mӑrimea creierului. Aceste regiuni din care s-au desprins fragmente genetice şi au plecat prin genom creaȃnd noi gene au fost numite nucleul de dupliconi (vezi figura de mai jos). Nucleul de dupliconi acţioneazӑ ca şi punct iniţial pentru duplicӑri ȋn bloc ale genomului. Deşi nu se ştie sigur cum, nucleul pare sӑ mӑture segmentele de ADN vecine, duplicȃnd bucӑţi ȋntregi şi inserȃnd noile copii ȋntr-o nouӑ locaţie de pe cromozom. Acest proces pare sӑ creeze noi gene iar cȃnd sunt inserate noi duplicӑri ȋn genom, acestea aduc cu ele bucӑti de ADN noi, care pot produce noi tipuri de proteine, deci se construieşte un nou tip de organism. Date fiind acestea nucleul dupliconului pare a fi un element genetic extrem de instabil dar care furnizeazӑ reţeta evoluţiei. Este important de spus cӑ miezul dupliconul se aflӑ ȋn cei 98 % tӑcuţi ai ADN-ului, ADN-ul non-codant. El nu produce proteine, dar produce noi gene şi regleazӑ felul ȋn care funcţioneazӑ ȋn general toate genele. Aceastӑ zonӑ ascunsӑ este un fel de manager genetic (Singer, 2014). Acest fenomen de copy & paste pe care ȋl creazӑ dupliconii pare sӑ fie unic maimuţelor antropoide. La alte animale, regiunile duplicate sunt aliniate una lȃngӑ alta şi nu sunt dispersate prin tot cromozomul. Regiunile duplicate la aceste maimuţe antropoide şi la om sunt foarte active, ceea ce ȋnseamnӑ cӑ genele de aici sunt pornite mai des decȃt genele din alte zone şi produc mai multe proteine. Similar cu inelele din trunchiul unui copac care sunt mai recente la exterior şi mai vechi la interior, regiunile externe ale nucleului duplicon sunt cele mai noi. Aceste regiuni tind sӑ fie şi cele mai diferite de la un om la altul. Practic grupuri diferite de oameni sunt parte din reţete diferite ale evoluţiei. Aproximativ o treime dintre genele legate de nucleul dupliconului prezintӑ semne de selecţie pozitivӑ adicӑ ele favorizeazӑ supravieţuirea indivizilor care le posedӑ şi sunt transmise generaţiei urmӑtoare contribuind la evoluţie (Singer, 2014). Acum 3-4 milioane de ani un nucleu de duplicare din ceea ce astӑzi la om este numit cromozomul 1 a fӑcut unul din salturile sale caracteristice luȃnd cu el o copie a unei gene numite SRGAP2 (ȋn Figura 12 se vede că la om are mai multe copii decât la maimuţe). Un million de ani mai tȃrziu, el a sӑrit din nou creȃnd o nepoatӑ a genei originale. Nici un mamifer nu posedӑ copii multiple ale acestei gene, iar saltul coincide cu un punct crucial ȋn evoluţia omului Australopitecul a evoluat ȋn Homo habilis acum 2-3 milioane de ani, creierul hominidelor fiind pe cale de a-şi dubla mӑrimea. Gena nepoatӑ, numitӑ SRGAP2C este importantӑ pentu creierul uman. Cercetӑtorii de la Scripps Research Institute de lȃngӑ San Diego au descoperit cӑ ea declanşeazӑ apariţia spinilor dendritici care stau la baza sinapselor prin care se conecteazӑ ȋntre ei neuronii (Singer, 2014).

22 Figura 12. Gena SRGAP2 la om, cimpanzeu şi orangutan Majoritatea mutaţiilor care apar ȋn genom nu aduc nici beneficii nici nu fac rău ci se acumulează ȋntr-o rată constantă iar această rată este numită ticăitul ceasului molecular. Ȋn 2004 la Universitatea din California Santa Cruz s-a descoperit o bucată din genom alcătuită din 118 baze de nucleotide care la om a suferit modificări dramatice, comparativ cu alte specii. Astfel, dacă ȋntre găini şi maimuţele antropoide, timp de 310 milioane de ani, se schimbaseră doar 2 nucleotide, ȋn ultimele 6 milioane de ani, de la separarea ramurii omului de a maimuţelor precum cimpanzeul, s-au schimbat 18 nucleotide. Această bucată din genom a fost denumită Human Accelerated Region 1 (HAR1) datorită acestui comporatament evolutiv (vezi Figura 13). Figura 13. Regiunea HAR1 indicată cu săgeata la om (stânga) şi la maimuţe

23 HAR1 se suprapune peste două gene HAR1F şi HAAR1R. Cele două gene nu produc proteine, ele fac parte din ADN-ul necodant şi produc molecule care reglează producţia de proteine a altor gene. Astfel, HAR1F se exprimă ȋncepând cu a şaptea săptămână ȋn neocortexul embrionilor umani ȋn neuronii Cajal-Retzius care sunt răspunzători de aranjarea pe 6 straturi specifică creierului uman, şi de aspectul ridat al stratului 1 extern al creierului care prezintă circumvoluţiuni. Afectarea acestei gene duce la boala congenitală numită lissencefalie sau creier neted. De asemenea, disfuncţii ale neuronilor Cajal-Retzius sunt asociate cu schizofrenie la adult (Biello, 2006). Studii ulterioare au descoperit 201 regiuni de evoluţie accelerată ȋn genomul uman, majoritatea fiind parte din ADN-ul necodant. Ele au rol reglator spunându-le genelor de lângă ele să pornească sau să se oprească. Mai mult de jumătate dintre genele care se află ȋn apropierea acestor zone HAR sunt implicate ȋn dezvoltarea şi funcţionarea creierului (Pollard, 2009). Omul este ultimul reprezentat al familiei Hominidelor, care a apărut acum 7 milioane de ani odată cu o specie de om primitiv numită Sahelanthropus tchandensis. O concepţie greşită este că omul a evoluat din maimuţele moderne cimpanzeu sau gorilă. Adevărul este că vorbim despre două ramuri diferite cea a hominidelor şi cea a maimuţelor antropoide care deşi au un strămoş comun au evoluat separat. Din Sahelanthropus tchandensis au derivat nouă specii de hominide, cel puţin din câte se ştie până acum. O primă variantă de Homo Sapiens (aşa cum se numeşte specia umană) a apărut acum de ani ȋn Etiopia (vezi Figura 14). De acolo s-a răspândit ȋn toată lumea. Acum de ani deja colonizase toate continentele, mai puţin Antarctica. Figura 14. Evoluţia Homo sapiens

24 Deşi iniţial s-a crezut că odată cu ȋncheierea acestei migraţii a luat sfârşit şi evoluţia speciei, datele genetice arată ceva total diferit. Astfel, studii realizate la Universitatea Utah şi Wisconsin-Madison au descoperit că ȋn ultimii 5000 de ani s-au schimbat 7% din genele umane. Practic, ȋn ultimii de ani oamenii au evoluat de 100 de ori mai rapid decât au făcut-o când hominidele s-au separat de linia cimpanzeilor acum 5-6 milioane de ani. Un alt studiu realizat de data aceasta la Harvard a descoperit mai mult de 300 de regiuni din genomul uman care au suferit schimbări recente (Ward, 2008). Acum de ani oamenii nu puteau consuma carne gătită. Acest lucru a devenit posibil odată cu o mutaţie a genei AMY1 care produce amilaza salivară responsabilă de digestia amidonului. Acum de ani a apărut o mutaţie a genei LCT care produce enzima lactază, enzima care ne permite să digerăm lactoza din lapte şi astfel să putem consuma lapte de la animale. Cei care ȋn ziua de azi nu au această mutaţie au intoleranţă la lactoză, frecventă ȋn special ȋn Asia şi America Latină (Ward, 2008). 2. A doua interpretare greşită a evoluţiei este cea că evoluţia ȋnseamnă progres. Prin definiţie evoluţia ȋmbunătăţeşte numărul de copii ale unei gene care răzbat ȋn generaţiile următoare. Totuşi, gene care la un moment dat ajută un organism pot deveni dezavantajoase după un anumit timp. De exemplu, coada colorată a păunului ajută la a atrage partenerele. Dar dacă mediul ȋn care trăieşte păunul se schimbă şi apare un prădător care răspunde la culori aprinse avantajul anterior devine un handicap. Cu alte cuvinte, genele generaţiei actuale au evoluat pentru că au fost adaptative pentru generaţiile anterioare iar ele pot sau nu să mai fie adaptative ȋn prezent. Genele create de nucleul dupliconului de care pomeneam anterior, pot contribui atȃt la evoluţie cȃt şi la boli copii ȋn plus sau in minus ale unor gene importante afecteazӑ modul ȋn care funcţioneazӑ celulele sau organe ȋntregi. Genele legate de nucleul duplicon par a fi importante pentru proliferarea celulelor, fie grӑbind-o fie ȋncetinind-o. Ele se exprimӑ ȋn multe ţesuturi dar cel mai mult ȋn creier, deseori ȋn neuroni, şi deseori ȋn zone cu diviziune celularӑ rapidӑ, unele dintre aceste gene putȃnd provoca cancer cȃnd sunt prea active. Aceeaşi instabilitate geneticӑ care a permis crearea de noi gene poate distruge sau şterge gene existente sau crea prea multe copii, explicȃnd astfel susceptibilitatea omului la boli. Pӑrţi din blocurile de gene duplicate au fost asociate cu handicap mental, schizofrenie şi epilepsie. DUF1220 este o componentӑ geneticӑ parte din mai multe familii de gene, iar ea s-a duplicat la om mai rapid decȃt orice altӑ parte a genomului. Ea este rӑspunzӑtoare de mӑrimea creierului. O genӑ ȋn mod normal poartӑ 5 pȃnӑ la 50 de copii ale lui DUF1220. Oamenii au mai mult de 250 de copii, maimuţele antropoide , maimuţele mici 30 iar alte mamifere mai puţin de 10. S-a descoperit cӑ cu cȃt o specie are mai multe copii cu atȃt are mai multӑ substanţӑ cenuşie ȋn creier. DUF are ȋnsӑ şi efecte dӑunӑtoare. Copiile sale sunt concentrate ȋntr-o zonӑ instabilӑ a cromozomului 1 iar ştergerea sau duplicarea acestei regiuni este asociatӑ cu autism, schizofrenie, boli de inimӑ, macrocefalie şi microcefalie (adicӑ un cap mai mare sau

25 mai mic decȃt normalul)(singer, 2014). Deci evoluţia nu este neapӑrat ceva pozitiv. Evoluţie nu este egal Progres. Ci mai degrabӑ Evoluţie = Diversitate genetică. 3. A treia dilemă privind evoluţia este dacă evoluţia ajută individul sau specia? Răspunsul este pe niciunul. Ea ajută genele. Nu este corect să spunem că noi ne purtăm genele pentru a ne reproduce ci genele ne folosesc pe noi pentru a se reproduce. O genă se răspândeşte ȋntr-o populaţie doar dacă indivizii care o posedă se reproduc mai mult decât alţii. Spre exemplu, dacă o genă ne face să ne riscăm viaţa pentru a ne proteja copiii, acea genă se va răspândi ȋn populaţie chiar dacă ea poate să-i facă rău posesorului. O genă care ne face să ȋi atacăm pe alţii ȋn beneficiul copiilor noştrii se va răspândi ȋn populaţie chiar dacă poate face rău membrilor speciei (Kalat, 2004). Elementele mobile din ADN, aşa cum sunt retrotransponii sunt consideraţi cea mai creativă forţă care a construit genomurile de-a lungul evoluţiei pentru că ele sunt printre principalii responsabili de evoluţie. Retrotransposonii L1 sunt cel mai mult înrudite cu elementele din intronii mitocondriilor şi eubacteriilor şi pot fi văzute ca relicve ale primelor sisteme de auto-replicare ale vieţii, posibil mergând până la Lumea ARN care se presupune că a precedat Lumea ADN actuală. Aceste elemente intronice ale eubacteriilor au fost transmise la eukariote în timpul fuziunii iniţiale a genomului eubacteriilor cu al arheobacteriilor sau în timpul simbiozei care a dat naştere mitocondriilor. Aceste elemente se regăsesc la toate speciile inclusiv (cum o să vedem ȋn continuare) ȋn genomul oamenilor, fiind responsabile la ora actuală de adaptarea la mediul ȋn schimbare Cine este răspunzător de evoluţie? Se ştie cӑ evoluţia poate fi declanşatӑ de schimbӑri ȋn mediu (climatice, de relief sau ȋn calitatea/cantitatea hranei) dar şi de invadarea organismelor de cӑtre viruşi. Nu este clar ce anume a condus la crearea acelui nucleu duplicon menţionat anterior, dar una dintre teoriile cele mai vehiculate indicӑ spre viruşi, mai exact retroviruşi. Retroviruşii se pot insera ȋn genomul gazdelor şi sunt transmişi din generaţie ȋn generaţie iar ei sunt responsabili de crearea mecanismelor genetice prin care are loc evoluţia. Apoape jumӑtate din genomul uman se ştie cӑ s-a format din retroviruşi care şi-au lӑsat amprenta ADN-ului dar care nu mai sunt activi. Cercetӑtorii Universitӑţii Leicester din Marea Britanie cred cӑ la un moment dat al evoluţiei maimuţelor antropoide se pare cӑ a avut loc o explozie a activitӑţii retroviruşilor. Dintre retroviruşii umani (numiţi HERVs), specialiştii de la Universtity of California spun cӑ cel mai probabil candidat pentru infecţia cu retroviruşi este numitul HERV-K. El este prezent doar la om şi la maimuţele antropoide şi este asociat cu producerea de elemente Alu şi aşa-numitele jumping genes despre care voi

26 vorbi puţin mai târziu (sau elemente mobile ale genomului care realizeazӑ copii şi se mutӑ cu ele ȋn altӑ parte a genomului, aşa cum arӑtam mai sus)(singer, 2014). Figura 15. Familiile de retroviruşi endogeni umani (HERVs) Unele valuri de infecţie sunt comune la om şi la maimuţele antropoide, semn cӑ acei viruşi au infectat un strӑmoş comun, ȋn timp ce alţi viruşi au infectat doar strӑmoşii mai apropiaţi ai omului. Se ştie cӑ au fost mai multe valuri ale infectӑrii hominidelor cu variante ale HERV-K. Este interesant cӑ unul a fost acum de ani, adicӑ cu puţin ȋnaintea apariţiei Homo Sapiens şi a omului de Neanderthal. Deci specii diferite evolueazӑ ȋn funcţie de infecţia cu aceşti viruşi, nu doar pentru cӑ ele trӑiesc ȋn acelaşi mediu. De aceea nu toate maimuţele au devenit oameni. Dar cum au ajuns acesti retroviruşi ȋn organismul hominidelor? Cum de viruşii respectivi au supravieţuit ȋn organisme sau cum de le-au supravieţuit lor organismele pe care le-au invadat? Cel mai probabil retroviruşii de tipul HERV-K au fost transportaţi de aşa numiţii viruşi spumoşi. Aceştia sunt asemӑnӑtori cu virusul hepatitei B, se iau pe cale bucalӑ, dar cu toate cӑ duc la o infectare pe viaţӑ, nu produc nici un fel de simptome. Iar sistemul imunitar nu ȋi atacӑ. De altfel, din acest motiv se ȋncearcӑ azi folosirea lor ȋn terapiile genetice ca purtӑtori de gene corectoare (Singer, 2014) Transposonii elemente de bază ȋn crearea de diversitate genetică

27 La mamifere, există dovezi puternice privind rolul paraziţilor genetici (în special a retroviruşilor) în evoluţia placentei şi reglarea comportamentului social. Iar ei sunt parte din ADN-ul ne-codant. O parte din acesta este formată din transposoni. Transposonii se impart în 2 clase: transposoni ADN şi retrotransposoni. Primii constituie 3% din genomul uman şi se pot extrage singuri din genom, se deplasează sub formă de ADN şi se inserează în alte site uri in genom. Deşi ei nu mai sunt mobili la ora actuală în genomul uman, au fost activi de-a lungul evoluţiei timpurii a primatelor, până acum 37 milioane de ani. Un tip de ARN ne-codant numit small interferring ARN poate fi generat din transposoni. Acest tip de ARN contribuie la reglarea mobilităţi transposonilor şi expresia genelor în celulele somatice şi sexuale (Wolf şi Linden, 2012). Retrotransposonii se duplică prin intermediari ARN care sunt transcrişi invers (adică se ȋntorc ȋn nucleul celulei) şi inseraţi în noi locaţii în genom. Ei se pot împărţi în 2 subgrupuri în funcţie de prezenţa sau absenţa long terminal repeats (LTRs). Elementele LTR umane sunt HERVs care, împreună cu elementele înrudite cu ei, compun 8% din genom. Majoritatea HERVs s-au inserat în genomul uman acum mai mult de 25 milioane de ani, iar activitatea lor prezentă este foarte limitată, spre inexistentă (Cordaux şi Batzer, 2009). Prin contrast, majoritatea transposonilor umani au rezultat din activitatea trecută şi prezentă a non-ltr, incluzând aici elementele LINE, Alu şi SVA, care împreună compun o treime din genomul uman (Cordaux şi Batzer, 2009). LINEs şi SINEs sunt parte din familia retrotransposonilor, elemente mobile din genom situate la nivelul intronilor şi altor zone non-codante ale AND-ului, LINEs reprezentând 21% din genomul uman iar SINEs 13%. Elementele L1 sunt în număr de peste în genomul uman ca rezultat a mobilizării lor continue din ultimii 150 milioane de ani. Cea mai mare parte a L1 sunt inactivate de trunchiere, rearanjamente interne şi mutaţii. Doar mai puţin de 100 de copii sunt funcţionale (Cordaux şi Batzer, 2009). Un studiu recent a identificat 7743 de inserţii L1 în hipocamp şi în mai mică măsură în nucleul caudat uman. Multe dintre ele sunt localizate în gene care joacă un rol cheie în encodarea receptorilor dopaminei şi transportorului ei (Baillie şi colab., 2011). Structura elementelor L1 parte din LINEs este similară cu a unui virus, de aceea se consideră că LINEs sunt nişte retroviruşi care au infectat genomul şi au supravieţuit replicându-se. HERVs reprezintă 8 % din genomul uman.

28 Figura 16. Retrotransposonii din genomul uman Elementele Alu parte din SINEs sunt în număr 1,1 milioane la om comparativ cu aprox. 700 la cimpanzei ca rezultat al mobilizării lor de-a lungul a 65 milioane de ani şi par să-şi exercite efectele la toate nivelurile reglării genetice cu efecte profunde asupra specierii, interacţiunilor gene-mediu, modulării stresului şi susceptibilităţii la boli, reprezentând astfel o forţă importantă în evoluţia primatelor în ce priveste creşterea capacităţii creierului şi a complexităţii cognitive (Mehler şi Mattick, 2007). Aceste elemente sunt cele mai de succes ca şi număr în genomul uman, formând peste 10% din genom. Ele nu au capacitate de a coda proteine şi de aceea nu sunt autonome. Ele folosesc maşinăria retrotranspoziţiei generată de L1 (prin această retrotranspoziţie ei se pot reintegra ȋn ADN-ul din nucleul celulei, ȋn diverse locaţii ȋn apropierea a diferite gene). Din acest motiv, Alu sunt numite parazitul parazitului (Cordaux şi Batzer, 2009). Un studiu recent a identificat de inserţii Alu în hipocamp şi în mai mică măsură in nucleul caudat uman. Multe dintre ele sunt localizate în gene care joacă un rol cheie în encodarea receptorilor dopaminei şi transportorului ei (Baillie şi colab., 2011). Elementele SVA au fost active de-a lungul a 25 de milioane de ani ai evoluţiei hominidelor (hominidele sunt primatele cuprinzând oamenii şi maimuţele mari, şi s-au desprins de restul liniei maimuţelor acum 25 milioane de ani), şi sunt acum în număr de 3000 în genomul uman. Sunt elemente non-autonome şi sunt probabil mobilizate de către maşinăria de retrotranspoziţie a L1 (Cordaux şi Batzer, 2009). Un studiu recent a identificat 1350 de inserţii SVA în hipocamp şi în mai mică măsură nucleul caudat uman. Multe dintre ele sunt localizate în gene care joacă un rol cheie în encodarea receptorilor dopaminei şi transportorului ei (Baillie şi colab., 2011). Genomul mamiferelor a suferit câteva valuri de bombardamente cu transposoni, dar se pare că L1 a fost activ de-a lungul întregii evoluţii a mamiferelor, sugerând o legătură indisolubilă între L1 şi gazdele sale (Muotri, Marchetto şi Gage, 2008). Singura linie de L1 care este activă la ora actuală la oameni a evoluat acum 2,7 milioane de ani, după separarea hominidelor de cimpanzei o perioadă când acestea au început să utilizeze unelte. Această descoperire alimentează ipoteza cum că L1 a ajutat la construirea unui creier care putea să proceseze informaţia privind schimbările rapide de mediu furnizând astfel o adaptabilitate crescută la schimbări climatice şi de altă natură (Gage şi Muotri, 2012). La scală evolutivă, persistenţa non-ltr, nu numai la primate cât şi la mamifere în general, le pune într-o poziţie aparte printre alţi transposoni, atât la mamifere cât şi la alte eukariote. În genomul uman sunt la ora actuală mai mult de 200 de subfamilii Alu dar numai 6 subfamilii ale SVA mai există. Majoritatea subfamiliilor reprezintă un pattern de evoluţie continuă în care o subfamilie derivă succesiv din alta. De

29 exemplu, toate subfamiliile L1 din genomul uman au derivat dintr-o singură linie de-a lungul a 40 milioane de ani. Patternuri similare au fost observate şi la Alu şi SVA. Aceste observaţii pot fi explicate dacă se face asumpţia că doar câteva elemente (aşa-numite sursă sau master ) sunt implicate în procesul retrotranspoziţiei şi sunt responsabile de formarea tuturor celorlalte subfamilii. Reconstrucţia istoriei evolutive a elementelor Alu din linia Yb a arătat că originea ei este contemporană cu evoluţia primelor hominide, milioane de ani în urmă. În mod surprinzător, linia Yb s-a expandat dramatic la 2000 de copii în ultimele câteva milioane de ani în mod specific în genomul uman, celelalte primate hominide nonumane (cimpanzeu sau gorilla) purtând doar câteva elemente Alu Yb. De aceea, linia Yb a rămas în genom cu activitate foarte limitată timp de milioane de ani, dar şi-a prezervat abilitatea de a genera un număr ridicat de copii. Aceste elemente sursă cu activitate scăzută dar durabilă acţionează ca iniţiatori tăcuţi care ocazional produc copii, dintre care unele pot fi foarte active. Abilitatea de a menţine un nivel scăzut de activitate poate fi o trăsătură importantă ce a permis retrotransposonilor umani non-ltr să-şi menţină activitatea pe termen lung. LINEs, Alu şi SVA au avut un impact critic asupra evoluţiei primatelor în termeni atât de structură cât şi funcţie (Cordaux şi Batzer, 2009). Paraziţii genetici (retroviruşii şi LINEs) au fost activi în special în originea şi evoluţia primatelor. O consecinţă neaşteptată a acestei activităţi a fost inactivarea sistemului olfactiv şi mai ales feromonal pe care se baza recunoaşterea de grup, la maimuţele africane. Această pierdere a condus la o extindere compensatorie a capacităţii vizuale (inclusiv percepţia culorilor) în vederea recunoaşterii feţelor. Această capacitate necesită adaptări neurologice speciale, senzoriale, mnezice şi emoţionale, incluzând neuroniioglindă (Villareal, 2009) Jumping genes Variaţiile în genele moştenite de la părinţi joacă un rol important. Totuşi, chiar şi gemenii identici crescuţi de aceiaşi părinţi pot diferi semnificativ în funcţionarea mentală, trăsături de personalitate sau riscul pentru boli mentale sau degenerative. De fapt, şoareci selecţionaţi pentru a fi identic genetic şi care sunt manipulaţi identic în laborator prezintă diferenţe în abilitatea de învăţare, condiţionare evitativă sau răspunsul la stres chiar dacă sunt menţinute constant vârsta, sexul şi îngrijirea. Deci, se întâmplă ceva aici, mai mult decât se credea. Dovezi recente sugerează că variabilitatea poate fi indusă şi de aşa-numitele jumping genes, ca şi condiţie pentru realizarea unei adaptări rapide la un mediu în schimbare (Gage şi Muotri, 2012). Scopul elementelor mobile este de a se copia în genom în vederea trecerii de la o generaţie la alta. Prezenţa a mai mult de de copii ale retrotransposonilor L1 în genomul uman demonstrează succesul acestei

30 strategii (Martin, 2009). Se ştie că aproape 50% din genomul uman a fost făcut prin aceste inserţii de jumping genes. Acest mecanism de copy & paste alterează litere, cuvinte, paragrafe şi chiar capitole întregi ale ADN-ului neuronilor. Mecanisme similare de inducere a diversităţii au fost identificate şi în sistemul imunitar şi în spermă (Coufal şi colab., 2009). Figura 17. Mecanismele de cut-and-paste şi copy-and-paste Genomul uman a crescut ca urmare a acumulării a aprox L1, 7000 Alu şi 1000 SVA de-a lungul ultimilor 6 milioane de ani (Cordaux şi Batzer, 2009). Oamenii şi strămoşii lor au fost permanent sub atacul paraziţilor virali şi altor forme de invadatori care au expandat genomul uman folosind jumping DNA. Organismele lor nu au fost capabile să elimine complet aceşti invadatori, dar s-au adaptat pentru a coexista reducându-i la tăcere printr-o varietate de mecanisme inteligente care le produc mutaţii sau îi dezactivează. Totuşi, se pare în unele cazuri, genomul nostru a folosit maşinăria genetică a retroelementelor L1 pentru a ne facilita supravieţuirea, ceea ce poate fi motivul pentru care celulele permit sau chiar încurajează salturile L1, în condiţii controlate, prin genom (Gage şi Muotri, 2012). Cercetările au descoperit elemente genetice care modifică genomul sărind dintr-un loc în altul al ADN-ului în celulele din creier. Aceste elemente mobile sunt LINE 1 (L1). Aşa numitele jumping genes sunt piese mobile ale ADN-ului care inserează extra-copii ale lor în genom, proces numit retrotranspoziţie. Analiza comportamentului L1 a arătat că atunci când ceva iniţiază procesul de jumping, L1 mai întâi se transcrie într-un ARN simplu, care apoi călătoreşte din nucleu în citoplasmă unde serveşte ca şi template

31 pentru construcţia proteinelor specificate de unele părţi ale ADN-ului lui L1. Aceste proteine formează apoi un complex molecular cu partea încă intactă a ARN-ului, şi întreg acest complex se întoarce în nucleu. Acolo una dintre proteinele produse de L1, o enzimă numită endonuclează, realizează o crestătură într-un loc specific al ADN-ului. Asemenea transcripţie inversă din ARN în ADN este cunoscută ca fiind modul în care virusul HIV îşi face o copie ADN a genomului său ARN pentru a-şi asigura o casă permanentă în genomul celulei infectate (Gage şi Muotri, 2012). Figura 18. Retrotranscriţia (sau reverse transcription) Retrotranspoziţia uneori eşuează, ceea ce produce copii trunchiate, nefuncţionale ale ADN-ului original al L1. Aceste copii pot uneori ajunge în regiunea codantă a unei gene. Această manevră poate conduce la crearea unei noi variante a proteinei, care poate ajuta sau poate face rău organismului. Sau, această poziţionare poate împiedica producerea unei proteine. În alte cazuri, noul ADN inserat poate ajunge în afara regiunii codante, dar poate influenţa exprimarea genei. În felul acesta, L1 induce variabilitate genetică în celulele din organism şi din creier (Gage şi Muotri, 2012). La şobolani au fost identificate câteva gene care sunt influenţate de L1, de exemplu gene care produc receptori olfactivi, canale de ioni, formarea de sinapse, etc (Muotri, Marchetto şi Gage, 2008). Majoritatea proceselor de jumping apar în timpul dezvoltării creierului deoarece retrotranspoziţia necesită diviziune celulară proces care nu are loc în creier după copilăria timpurie, decât în două zone, in hipocamp şi bulbul olfactiv (Gage şi Muotri, 2012). Elementele L1 din creier sunt de 100 de ori mai numeroase decât în alte tipuri de celule ale corpului, cele mai multe fiind în hipocamp. Această diversitate somatică (sau mozaicism) permite construirea unui sistem nervos unic şi specific în funcţie de experienţele de viaţă proprii organismului respectiv (Coufal şi colab., 2009). Coufal şi colab. (2009) au identificat 19 locaţii din genom

32 unde au loc inserţii noi ale L1, multe fiind lângă gene care sunt exprimate în neuroni. Autorii au găsit că L1 sunt mult mai numeroşi în creierul adult uman decât în inimă, piele sau ficat, cele mai multe fiind în hipocamp şi în cortexul frontal, reflectând contribuţia mai mare a noilor neuroni care apar din celule progenitoare în aceste zone din creier. În timpul neurogenezei, aceste elemente devin active şi se inserează în mod aleator în genomul fiecărui neuron. Fiecare neuron uman suferă în medie 80 de evenimente cauzate de L1, o rată care conduce la o mare variaţie între celule şi în activitatea generală a creierelor diferiţilor indivizi (Gage şi Muotri, 2012) Memoria moştenită de la viruşi? Creierul are 100 miliarde de neuroni cu 100 de trilioane de sinapse, dar piesele mobile ale ADNului pot asigura fiecărui neuron o capacitate distinctă şi proprie. În felul acesta s-a dovedit falsă dogma care afirma că codul genetic al neuronilor adulţi este identic la toţi şi rămâne stabil de-a lungul vieţii acestora (Coufal şi colab., 2009). Elementele mobile LINEs L1 permit o strategie de expandare a numărului de neuroni distincţi funcţional ce pot fi produşi dintr-o bază de gene dată, nu foarte mare, la fel cum se intȃmplă cu limfocitele in sistemul imunitar. Este remarcabil să ne imaginăm că creierul este consecinţa retrotranspoziţiei din celulele primelor eukariote (Muotri, Marchetto şi Gage, 2008). Dat fiind numărul mare de elemente mobile L1 din hipocamp se poate lansa ipoteza că enzima revers-transcriptaza produsă de L1 este singura enzimă despre care se poate spune că scrie memorii, nu doar memorie genetică ci şi imunitară, precum şi memoria din creier. Unii autori au lansat ipoteza că interacţiunile dintre mediu şi sistemul nervos ar fi securizate prin modificarea genomului fiecărei celule implicate în interacţiunea respectivă, proces care ar explica transmiterea modificărilor epigenetice de la o generaţie la alta. Iar la nivelul unei singure generaţii ca urmare a acestor procese, neuronii individuali ar dobȃndi secvenţe genomice distincte şi diferite de genotipul parental (Mehler şi Mattick, 2007). Aceste ipoteze sunt susţinute de date experimentale care arată că hipocampul şi corpii striaţi zone unde are loc neurogeneză adultă prezintă cele mai ridicate rate de retrotranspoziţii. Se estimează că celulele hipocampale găzduiesc până la 800 de noi inserţii ceea ce indică o neaşteptat de mare plasticitate genomică (Jakovcevski şi Akbarian, 2012). Atât inserţiile L1 cât şi Alu afectează predilect gene care encodează receptorul D3 al dopaminei, transportorii aminoacizilor SLC6A5, SLC6A6 şi SLC6A9 (Jakovcevski şi Akbarian, 2012). De asemenea, se ştie că administrarea repetată de cocaină duce la o creştere a expresiei L1 ȋn nucleul acccumbens, zonă ştiut a fi implicată ȋn ȋnvăţare apetitivă ca urmare a consumului de droguri (Maze, Feng, Wilkinson, Sun, şi colab., 2011). De aceea se consideră că activitatea transposonilor ar putea contribui la diversitate neuronală şi chiar la plasticitate indusă de experienţe.

33 Genomul Homo Sapiens sau genomul lui Ion Popescu? Ȋn 2000 când a fost finalizată inventarierea tuturor genelor ADN-ului uman, suma lor a fost considerată genomul uman. Imediat după, a ȋnceput explorarea diferenţelor dintre indivizi, astfel debutând era genomului personal. Acum se intră ȋn era microgenomului, ȋn care cercetarea explorează lumile dinăuntrul nostru, examinând imperfecţiunile şi contradicţiile lor. Ȋn general se consideră că ADN-ul este schiţa după care suntem construiţi, codul nostru unic, identic ȋn fiecare dintre trilioanele de celule ale organismului. El ne face să fim un ȋntreg indivizibil, din cap până ȋn tălpi. Dar acest punct de vedere reprezintă doar o poveste. Ȋn realitate noi suntem un ansamblu de celule distincte din punct de vedere genetic, unele având intrucţiuni de operare radical diferite. Chiar dacă fiecare celulă a noastră conţine o replică a ADN-ului din oul fertilizat care a stat la baza vieţii noastre, odată ce zigotul a ȋnceput să se dividă au apărut mutaţiile, erorile de copiere şi de editare. Ȋn corpul adult ADN-ul este plin de mutaţii, de informaţii repetate excesiv, rearanjate, sau chiar având lipsă bucăţi mari cât un cromozom. Datele iniţiale sunt complet schimbate. Cea mai mare parte a specialiştilor ȋn genetică consideră că această diversitate a ADN-ului numită mutaţie somatică sau variaţie structurală este dăunătoare. Mutaţiile şi celelalte schimbări pot afecta funcţia celulei, de obicei ȋn detrimentul ei. ADN-ul dezorganizat poate duce la cancer iar variaţia genomică la boli ale creierului şi malformaţii. Ȋn ultimii ani ȋnsă, unele cercetări au raportat că undeva ȋntre 10-40% dintre celulele din creierul uman şi 30-90% dintre celulele ficatului uman sunt celule aneploide. O celulă aneploidă este o celulă ȋn care un cromozom ȋntreg fie lipseşte fie este duplicat. Aceste celule apar ca atunci când la divizarea unei celule cromozomii sunt ȋmpărţiţi inegal ȋntre cele două celule rezultante. Variaţii ȋn numărul de copii al cromozomilor, ȋn care sunt fie multiplicate fie eliminate ȋntre 100 şi câteva milioane de litere ale ADN-ului, par să fie un fenomen foarte răspândit la oamenii adulţi sănătoşi. Studii realizate la Universitatea din California San Diego a găsit că un sfert dintre celulele imature care dau naştere la neuroni ȋn creierul şoarecilor sunt aneploide. Ulterior s-a descoperit că celulele aneploide sunt ceva comun ȋn creierul şoarecilor mature, aceste celule formând conexiuni cu celelalte. La oameni s-a descoperit că 10% dintre neuroni sunt aneploizi (McGowan, 2014). Se pune problema ce ȋnseamnă toate aceste ciudăţenii. Joacă ele un rol important ȋn biologia noastră? Reprezintă un avantaj sau doar un defect? Unii cercetători precum cei de la Salk Institute din La Jolla California au propus ideea că această heterogenitate genetică ar face organismul nostru mai adaptativ şi mai rezistent. Ȋn biologia evoluţionistă diversitatea genetică este considerată benefică pentru o specie deoarece câţiva indivizi vor fi astfel mai bine echipaţi pentru a supravieţui la provocări ale mediului cum ar fi seceta sau epidemiile. Conform cu accest

34 punct de vedere, unii biologi au propus idea că diversitatea genetică ar fi benefică. Dacă noile condiţii de mediu ar necesita noi abilităţi sau funcţii, cum ar fi supravieţuirea ȋn faţa unei toxine sau ȋnvăţarea unui nou comportament, heterogenitatea genetică ar creşte şansele ca măcar unele celule să fie capabile a supravieţui noii condiţii. Cei de la Salk Institute au descoperit câteva tipuri de variaţii genetice care sunt frecvente ȋn creierul oamenilor adulţi, şi cred că această diversitate ar explica extraordinara structură şi flexibilitate a creierului. Omul nu poate prezice ce i se poate ȋntâmpla ȋn cei 80 de ani de viaţă aşa că a dezvoltat mecanisme de creare de diversitate care ȋl ajută să se adapteze la schimbări. Specialiştii ȋn biologia ficatului au propus o idee similară. Aproape jumătate din celulele hepatice sunt poliploide, adică ȋn loc să aibă obişnuita copie a doi cromozomi (de la mamă şi de la tată) ele au 4, 8 sau 16 iar aceşti cercetători au date preliminare care arată că diversitatea genetică poate face un organ mai rezistent (McGowan, 2014). Cercetătorii de la Salk Institute au descoperit că mici bucăţi de ADN numite elemente mobile pot declanşa mici modificări genetice ȋn neuronii nou apăruţi ȋn creierul uman. Astfel s-au identificat că ȋntre % dintre neuronii creierului uman posedă cel puţin o modificare a numărului normal de cromozomi iar unii au 10 sau mai multe. Ei au propus ipoteza că elementele mobile ale genomului precum şi modificările numărului de cromozomi există cu un anumit motiv: ele conduc la flexibilitate care la rândul ei poate fi esenţială ȋn perioade de schimbări bruşte. Oamenii sunt dotaţi cu o diversitate suplimentară care ȋi pregăteşte pentru schimbări neaşteptate. Asta conferă adaptabilitatea pe care nu o poate conferi un genom stabil. Aceste celule care conferă un avantaj supravieţuiesc şi realizează conexiuni cu alte celule. Cele care nu fac conexiuni, mor. Este aplicarea ȋn creier a legii evoluţioniste a supravieţuirii celui mai bine adaptat (McGowan, 2014). Bibliografie obligatorie: 3. Cȋrneci, D. Origin of the mind; From viruses to beliefs. LAP Lambert Academic Publishing, Saarbrucken, Cordaux, R. şi Batzer, M.A. The impact of retrotransposons on human genome evolution. Nature Review Genetics, 19(10): , Gage, F.H. şi Muotri, A.R. What makes each brain unique. Scientific American, 306: 26-31, Kalat, J.W. Biological Psychology; 8th edition. Wadsworth, Belmont CA, McGowan, K. Garbled DNA might be good for you Ward, P. The future of man How will evolution change humans?

35 9. Singer, E. A missing genetic link in human evolution Unitatea de învăţare 4 BAZELE GENETICE ALE COMPORTAMENTULUI SOCIAL Introducere. Nevoia de celălalt reprezintă o trebuință de bază, sociabilitatea fiind principalul nostru atribut în lupta pentru supraviețuire (deși nu este o caracteristică exclusiv umană). Sintagma creier social se referă la o serie de mecanisme neuronale hipercomplexe (implicând mai multe zone cerebrale și sute sau chiar mii de gene) ce mediază relația dintre indivizii unei specii și mediul lor social, instanțe orientate spre afiliere și cooperare. Este de extremă importanță înțelegerea faptului că între gene și mediu se stabilește o relație de intercondiționare, astfel încât nu doar genele determină comportamentul față de mediu, dar și reciproc: odată realizat comportamentul corespunzător unui rol social (de exemplu, a accede la o poziție dominantă în grup) se poate modifica expresia unei gene. În același timp trebuie înțeles și faptul că există mai multe niveluri ale reglării neuronale şi neuroendocrine care se interpun între genom şi comportamentul social. Acest capitol va trata despre mecanismele neuroendocrine implicate în comportamentele sociale, prezentându-vă mai ales rolul genelor oxitocinei, vasopresinei, dopaminei și serotoninei, precum și efecte ale polimorfismelor acestor gene Evoluţia genetică a comportamentelor sociale Cercetӑtorii au ajuns la concluzia conform cӑreia comportamentul social, inclusiv cel uman, a evoluat în mod clar de multiple ori, dar întotdeauna în interiorul unui cadru bine conservat de mecanisme neuronale numit creier social (Robinson, Fernald şi Clayton, 2008). Numeroase date indică ȋnsӑ faptul că există o conservare a mecanismelor moleculare care reglează comportamentele sociale între diverse specii, incluzând specia umană (Donaldson şi Young, 2008). O Connell şi Hofmann (2012) au analizat expresia a 10 gene din 12 regiuni ale creierului relevante pentru luarea deciziei la 88 de specii, din cadrul a 5 linii de vertebrate. Ei au găsit că aceste regiuni sunt semnificativ conservate de-a lungul a 450 milioane de ani de evoluţie. Analiza lor sugerează că diversitatea comportamentului social la vertebrate poate fi explicată, în parte, prin variaţii pe aceaşi temă ale reţelelor neuronale şi genetice conservate de-a lungul timpului.

36 Una dintre primele demonstraţii privind răspunsul genelor la stimuli sociali a fost rolul genelor timpurii (immediate early genes) numite egr 1 (egr 1 sunt o clasă de gene denumite diferit la specii diferite, spre exemplu zif 268, zenk, krox-24, tis8, etc.). Aceste gene au fost studiate iniţial la păsările cântătoare. Păsările cântătoare se angajează în interacţiuni sociale complexe, mediate de cântecele lor, cântece care sunt de fapt nişte semnale vocale învăţate. La masculii de Zebra Finch (Taeniopygia guttata) cântecul altui mascul induce expresia genei egr 1 într-o subregiune specifică a cortexului auditiv dedicată auzului. Expresia acestei gene este legată în mod specific de relevanţa socială a mesajului din cântec, iar expresia ei variază în funcţie de familiaritatea cântecului: cântecele care nu au mai fost auzite declanşează o expresie mai accentuată, în timp ce cântecele familiare declanşează o expresie slabă sau chiar deloc. Răspunsul egr 1 este amplificat de ascultarea unui alt membru al speciei aşa-numitul efect de audienţă, un fenomen în cadrul căruia performanţa individuală depinde de prezenţa sau absenţa altei persoane (Robinson, Fernald şi Clayton, 2008). În multe societăţi animale sau umane ierarhia structurează toate interacţiunile sociale, poziţia în ierarhie guvernând accesul la resurse ceea ce determină cine se va reproduce şi cât de des. Masculii subordonaţi au o fertilitate redusă. Atunci când un mascul alfa este înlăturat dintr-un grup, un mascul subordonat începe rapid să afişeze comportamente dominante. În această ascensiune socială, el îşi modifică culoarea şi comportamentul în doar câteva minute. După apariţia modificărilor comportamentale dar în interval de minute este indusă expresia egr 1 în aria preoptică mediană a hipotalamusului, zonă cu neuroni care conţin hormonul-eliberator al gonadotropinei (GnRH), o peptidă esenţială în reproducere. Aceşti neuroni cresc în mărime şi arborizaţii dendritice, dar îşi cresc şi producţia de GnRH. Aceste modificări apar doar ca urmare a oportunităţii sociale şi ascensiunii spre dominanţă, ele nu apar la indivizii care sunt deja dominanţi (Robinson, Fernald şi Clayton, 2008). Deci, egr 1 poate fi indusă de experienţe scurte, expresia genei atinge un vârf la minute după experienţă, iar egr 1 poate creşte sau suprima imediat transcripţia altor gene, în funcţie de proteinele cu care interacţionează în diferite celule. Un alt exemplu este gena for pe care o întâlnim la musculiţa de oţet. Musculiţele cu un nivel mai ridicat al acestei gene au o activitate exploratoare mai acccentuată. Activitatea exploratoare nu este una socială, dar dacă căutăm gena for la insectele sociale, precum albinele, găsim că expresia acestei gene este mai puternică la albinele care au un rol explorator în colonie, prin contrast cu cele care rămân în stup. Această modificare a apărut după ce albinele respective îşi încep rolul de albină lucrătoare, iar modificări în expresia genei for indusă de modificări ale rolului social sunt frecvent printre insectele sociale. Interesant este că omoloaga genei la vertebrate gena foxp2 influenţează comportamente cu rol social important la mai multe specii, în special în ce priveşte vorbirea la om sau alte forme de comunicare la animale (Robinson, Fernald şi Clayton, 2008).

37 Figura 19. Evoluţia genei FoxP2 Roiurile de albine şi creierele complexe precum cel uman prezintă multe paralele în felul în care iau decizii. În ambele cazuri, populaţii separate de unităţi (albine sau neuroni) integrează evidenţe privind alternativele iar, atunci când o populaţie depăşeşte un prag, alternative pe care ea o reprezintă este aleasă. Seeley şi colaboratorii evidenţiază că o trăsătură-cheie a creierului şi anume inhibarea reciprocă dintre populaţiile care acumulează evidenţe, există şi în modul în care un roi de albine îşi alege viitorul cuib. Cercetaşii trimit prin felul în care zboară semnale inhibitorii către alţi cercetaşi într-un dans elaborat, determinându-i să înceteze dansul, fiecare cercetaş alegându-şi ca ţintă un cercetaş care prezintă o altă variantă de cuib decât cea proprie. Cei care rămân mai mulţi în cadrul dansului nefiind anihilaţi de un contracandidat, câştigă. Va fi ales cuibul găsit de ei (Seeley, Visscher, Schlegel, şi colab., 2012). Este clar la ora actuală că răspunsul la stimuli sociali poate fi masiv, implicând sute sau mii de gene şi probabil mai multe zone din creier consecutiv (Robinson, Fernald şi Clayton, 2008) Comportamentul social şi genele oxitocinei Toate sistemele care alcătuiesc comportamentul social împărtăşesc aceleasi trăsături: a) sunt foarte sensibile şi responsibile la informaţii sociale dar şi la alte informaţii din mediul înconjurător; b) aceste informaţii sunt procesate de unul sau mai multe căi senzoriale primare; c) aceste mesaje procesate primar sunt apoi procesate şi integrate în circuite specifice ale creierului cu ajutorul unor sisteme neuromodulatoare; d) starea internă rezultată ca urmare a acestor procesări controlează în final comportamentul social. Există mai multe niveluri ale reglării neuronale şi neuroendocrine care se interpun între genom şi comportamentul social, incluzând aici transcripţia, translaţia, modificări post-translaţie, modificări epigenetice, ale metabolismului creierului, ale activităţii electrochimice şi neuromodulatoare din sinapsă (Robinson, Fernald şi Clayton, 2008). Ocitocina, vasopresina şi variantele lor prezente la vertebratele ne-mamifere au apărut acum 700 de milioane de ani înainte de separarea genelor între vertebrate şi nevertebrate. Ele sunt neuropeptide produse de gene care se găsesc una lângă cealaltă pe acelaşi cromozom 20 (Donaldson şi Young, 2008).

38 Cele două acţionează fie ca neurotransmiţători la nivel central fie ca neurohormoni la nivel periferic Oxitocina este sintetizată de celulele magnocelulare din nucleii supraoptic şi paraventricular hipotalamici dar şi în neuronii parvovelulari din nucleii paraventriculari. Atât oxitocina cât şi vasopresina modulează căile recompensei şi cele implicate în procesarea informaţiei sociale, precum şi cele ale percepţiei limbajului, mai exact a intonaţiei vocii (Donaldson şi Young, 2008). Iniţial studiatӑ la specii de rozӑtoare, oxitocina s-a dovedit a juca roluri foarte importante ȋn comportamentul social uman. Oxitocina este asociată cu comportamentul socio-sexual, actul sexual, graviditatea, lactaţia, ataşamentul matern şi formarea cuplurilor prin formarea preferinţei faţă de partener (Donaldson şi Young, 2008). Ea este implicată în memoria feţelor, inferarea de stări mentale ale altora («Theory of mind»), generozitate, monitorizarea pericolului social, altruism, empatie, exprimarea fricii şi anxietăţii (Tost şi colab., 2010). În experimentele realizate pe oameni adulţi sănătoşi s-a observat că administrarea intranazală de ocitocină a crescut încrederea între partenerii implicaţi într-o activitate, astfel crescând beneficiile rezultate din interacţiunile sociale. Ea nu modifică percepţia riscurilor în general ci creşte în mod specific dorinţa de a accepta riscurile sociale ce apar în interacţiunile interpersonale. Atât ocitocina cât şi vasopresina excită populaţii neuronale distincte din nucleul central amigdalian facând parte dintr-un circuit inhibitor care modulează în manieră opusă integrarea informaţiilor excitatorii provenite din nucleul bazolateral amigdalian precum şi din cortex. În acest fel, cele două neuropeptide reglează răspunsurile vegetative, endocrine şi comportamentale specifice fricii, răspunsuri declanşate de către nucleul central amigdalian. Astfel se explică diminuarea prudenţei care se manifestă făţă de persoanele de care suntem ataşaţi. Studiile au arătat că administrarea unei forme sintetice de oxitocină (Syntocinon) creşte performanţa oamenilor de a recunoaşte şi denumi expresii faciale emoţionale (ruşine, teamă sau surpriză) citite în fotografii care prezintă doar ochi de persoane (Domes şi colab., 2007). Gena care produce unul dintre receptorii oxitocinei (OXTR) este localizată pe cromozomul 3 şi conţine 4 exoni şi 3 introni. A fost identificat un polimorfism al acestui receptor la nivelul celui de al 3-lea intron rs Acest polimorfism este asociat cu deficite în sensibilitatea maternă, empatie, ataşament şi afecte pozitive, dar şi cu manifestări de tip autist. De asemenea, produce la bărbaţi o scădere a volumului de substanţă cenuşie în hipotalamus, amigdală şi cingulatul dorsal şi o creştere a conectivităţii între hipotalamus şi amigdală toate asociate cu un scor mai scăzut la scala Reward Dependence din chestionarul TPQ a lui Cloninger (Reward Dependence reprezintă un tip de personalitate caracterizat prin empatie, comunicare socială şi nevoie de contact interpersonal). E interesant că şi un polimorfism al genei care produce receptorul AVPR1A al vasopresinei este asociat cu acelaşi deficit (Tost şi colab., 2010). De asemenea, a fost identificată o relaţie între un SNP ale genei care produce receptorul OXTR şi stilul decizional în Dictator Game dar şi în Social Value Orientation unde subiectul ia decizii privind primirea de bani pentru sine şi pentru altă persoană necunoscută, stilul decizional putând fi unul cooperativ, individualist sau competitiv (Israel şi colab., 2009 ; apud Ebstein şi colab., 2010). Femeile care posedă genotipul l/l al genei OXTR sunt mai puţin înclinate să folosească contracepţie şi sunt mai predispuse să facă copii (Prichard şi colab., 2007 ; apud Ebstein şi colab., 2010) Comportamentul social şi genele vasopresinei Vasopresina (cunoscută şi sub numele de hormon antidiuretic) este tot o neuropeptidă care la nivel central influenţează comportamentul socio-sexual la masculi inclusiv comportamentele agresive, erecţia, ejacularea, teritorialitatea, apărarea partenerului şi ataşamentul în cuplu (Donaldson şi Young, 2008). Ea este secretată în celulele magnocelulare din nucleii supraoptici şi paraventriculari ai hipotalamusului. La o

39 specie de rozătoare monogame (Microtus pennsylvanicus), la care ocitocina şi vasopresina facilitează formarea preferinţei faţă de un partener, receptorii acestora sunt exprimaţi la nivel ridicat în nucleul accumbens (pentru oxitocină) şi în pallidum-ul ventral (pentru vasopresină), structuri implicate in condiţionarea apetitivă. Dacă manipulăm exprimarea receptorului V1a al vasopresinei în pallidum-ul ventral facilităm formarea preferinţei faţă de un partener. Aceşti receptori sunt prezenţi la toate speciile monogame de rozătoare şi primate, dar nu şi la speciile poligame (Insel şi Young, 2001)(vezi Figura 20). Diferenţele dintre specii în ce priveşte distribuţia acestor receptori sunt datorate diferenţelor în zona promotoare a genei receptorului V1a. Experimentele care au crescut expresia genei care encodează receptorul V1a la rozătoarea poligamă de munte au condus la creşterea preferinţei faţă de un partener (Lim şi colab., 2004). Figura 20. Expresia genei AVPR1A ȋn pallidumul ventral la rozătoarea de prerie comparativ cu cea de munte Un număr de studii au relevat şi la om existenţa a 4 polimorfisme ale genei AVPR1A care produce receptorul V1a. Aceste polimorfisme au fost asociate cu diverse trăsături de personalitate sau cu diverse comportamente sociale. Un studiu realizat pe 203 subiecţi a legat polimorfismul RS3 334 de altruism, subiecţii cu varianta lungă (l/l) a alelei tinzând să dea mai mulţi bani unei persoane necunoscute într-un joc «Dictator game». In Dictator game, un prim jucător - "dictatorul - determină modul de a împărți nişte bunuri (cum ar fi un premiu în bani) între el și al doilea jucător. Al doilea jucător - "destinatarul" - pur și simplu primește restul de bani lăsat de dictator, dacă acesta doreşte acest lucru. Rezultatele experimentale au arătat că adulții din rolul dictatorului alocă bani de cele mai multe ori la destinatari, reducând astfel suma de bani care ȋi rămân dictatorului. Într-un studiu realizat pe 500 de oameni în Suedia alela RS3 334 a fost asociată cu probleme maritale în rândul bărbaţilor şi divorţ, precum şi cu o slabă calitate a relaţiei declarată de către partenerele lor. Aceşti bărbaţi de altfel erau şi mai puţin predispuşi la a se căsători. Subiecţii cu probleme maritale erau şi mai predispuşi la egoism în sarcina «Dictator game» folosită în studiul menţionat la altruism. Această alelă a fost asociată şi cu un nivel mai mare de activare a amigdalei într-o sarcină de tip «emotional face-matching task» în care se solicită clasificarea unor feţe pe baza expresiei lor emoţionale (Donaldson şi Young, 2008). Bărbaţii cu genotipul l/l al AVPR1a RS3 tind să aibă primul contact sexual înainte de 15 ani, comparativ cu cei care posedă genotipul s/s (Cherkas şi colab., 2004 ; apud Ebstein şi colab., 2010). Prepulse inhibition (PPI) of the startle reflex reprezintă un răspuns autonom care rezonează cu cogniţia socială atât la oameni cât şi la animale. O analiză eficientă a realităţii, incluzând cea socială, depinde de capacitatea de a ignora sau inhiba percepţia unor asemenea stimuli. Alela lungă

40 AVPR1a RS3 (l/l) este asociată cu niveluri mai ridicate ale PPI, în special la masculi. La oameni, analizele postmortem ale hipocampusului au arătat că nivelul ARNm al AVPR1 este mai ridicat la cei cu alela lungă (l/l) comparativ cu genotipul s/s al RS3 (Knafo şi colab ; apud Ebstein şi colab., 2010). În plus, studii relativ recente au demonstrat o corelaţie între alela AVPR1a RS3 334 bp şi supra-activarea amigdaliană bilateral (dar mai semnificativ la cea stângă) la vederea unor feţe ameninţătoare (Meyer-Lindenberg şi colab., 2008 ; apud Ebstein şi colab., 2010) Comportamentul social şi genele dopaminei Oxitocina modulează eliberarea dopaminei din VTA. Deci oxitocina acţionează asupra circuitului mezolimbic dopaminergic, iar aceasta creşte mecanismele implicate în diverse forme de condiţionare. Efectele s-ar observa în special în nucleul accumbens şi nucleul median al amigdalei, ambele bogate în receptori ai oxitocinei, şi s-ar concretiza în memoria socială şi recunoaşterea socială, ştiut fiind că inhibarea receptorului D2 din nucleul median al amigdalei inhibă consolidarea memoriilor privind un partener (Insel şi Young, 2001). Figura 21. Nucleii amigdalei (nucleul median ȋn partea din stânga sus) Studii realizate de Everitt şi colab. (1998)(apud Insel şi Young, 2001) au evidenţiat rolul receptorilor D2 din nucleul accumbens în formarea preferinţei faţă de un partener la aceste rozătoare. Studii mai recente au arătat că receptorul D2 al dopaminei din zona rostrală a nucleului accumbens, facilitează formarea unui cuplu, în timp ce receptorul D1 o inhibă. Mai mult, după consumarea unui act sexual, receptorul D1 previne trecerea masculului de la femela cu care s-a cuplat la alta disponibilă (Edwards şi Self, 2006). La oameni, băieţii cu alela A1 a genei DRD2 mutaţie care reduce cu până la 40% densitatea receptorilor D2 în corpii striaţi ventrali tind să-şi înceapă mai repede viaţa sexuală dar sunt mai puţin

41 înclinaţi să dezvolte relaţii îndelungate cu o parteneră (Holden, 2008). Aceştia nu îşi doresc copii şi nici nu doresc să se căsătorească (Emanuele şi colab., 2007 ; apud Ebstein şi colab., 2010). Un alt receptor de tip D2, receptorul D4 are rol în exprimarea altruismului. Astfel, s-a stabilit că polimorfismul DRD4-7R corelează la adulţi cu scoruri mai scăzute la scalele de altruism în schimb ce polimorfismul DRD4-4R corelează cu scoruri mai ridicate la altruism (Selflessness Scale şi TPQ), deci afectează măsură în care ne comportăm în vederea obţinerii unei recompense făcând bine altora (Bachner- Melman şi colab., 2005). De asemenea, alela mai puţin eficientă a genei DRD4, dar şi a genei COMT, sunt asociate cu stilul parental mai rece (van Ijzendoorn şi colab., 2008 ; apud Ebstein şi colab., 2010) Comportamentul social şi genele serotoninei Un nivel scăzut de serotonină corelează cu sensibilitatea la respingere socială şi pierdere, acest nivel scăzând dramatic în aceste situaţii, fapt care conduce la femei în general la panică iar la bărbaţi în general la impulsivitate agresivă (după Buck, 1999). Un SNP din zona promotoare a genei HRT2 care produce receptorul 5-HT2A al serotoninei este asociat cu popularitatea, el explicând până la 8% din această dimensiune (Burt, 2008 ; apud Ebstein şi colab., 2010). Părinţii care posedă varianta mai puţin eficientă a genei SLC6A4 5-HTTLPR şi un SNP al OXTR (rs53576) au un răspuns mai sensibil la nevoile emoţionale ale copiilor (Bakermans-Kranenburg şi Van Ijzendoorn, 2008 ; apud Ebstein şi colab., 2010). E interesant că polimorfismele combinate AVPR1a şi SLC6A4 sunt asociate cu memoria muzicală şi cea fonologică, fiind mai frecvent întâlnite în familiile cu mai multe generaţii de muzicieni (Granot şi colab., 2007 ; apud Ebstein şi colab., 2010). Gena SLC6A4 (sau SERT) este situată pe cromozomul 17q11.2 şi este alcătuită din 14 exoni ce encodează o proteină compusă din 630 de aminoacizi. 5-HTTLPR este prezentă doar la oameni şi la primate iar alelele sale sunt cel mai frecvent compuse din elemente care se repetă de 14 (sau alela scurtă) şi de 16 ori (sau alela lungă). Populaţia nord-americană prezintă în proporţie de 57% alela lungă şi 43% alela scurtă. Aceste alele conduc la diferenţe în ARN-ul mesager şi densitatea proteinei transportoare, precum şi în recaptarea serotoninei, alela scurtă fiind asociată cu o exprimare mai scăzută a genei SERT (Murphy şi colab., 2004). Oamenii care posedă alela scurtă a genei transportorului serotoninei sunt mai sensibili la stimuli care semnifică ameninţarea cu respingerea socială (Canli şi Lesch, 2007). Persoanele care prezintă două copii ale alelei scurte (s/s) a genei SLC6A4 care produce proteina transportoare a serotoninei ȋn sinapsă, prezintă o activitate crescută a amigdalei bazolaterale drepte precum şi a zonei ventromediane prefrontale drepte cu care aceasta este cuplată, în situaţia prezentării unor imagini aversive, indicând o creştere a procesării emoţionale a stimulilor aversivi (Heinz şi colab., 2005). Aceşti oameni prezintă o activare amigdaliană mai puternică atât la procesarea uneor feţe speriate sau furioase, iar în cazul celor cu fobie socială după un discurs public (Canli şi Lesch, 2007).

42 Figura 22. Conectarea amigdalei cu zona ventromediană prefrontală la putătorii alelei lungi a genei SLC6A4 (stânga) versus la purtătorii alelei scurte (dreapta) De asemenea, alte studii au evidenţiat faptul că indivizii adulţi sănătoşi care prezintă combinaţia polimorfismului 5-HTTLPR s/s cu alela met158 a genei COMT, prezintă o activare amigdaliană bilaterală mai puternică la expunerea unor stimuli vizuali aversivi. Gena COMT (Catecol-O-Metiltransferaza) este localizată pe cromozomul 22q11 şi metabolizează dopamina eliberată în sinapsă împreună cu MAO (mono amino oxidaza). O modificare la codonul 158 a genei COMT afectează durata rămânerii dopaminei la nivelul sinapsei deci şi a efectelor acesteia asupra receptorilor neuronilor postsinaptici. Indivizii care au alela met cu mutaţia completă (met/met), la expunerea la feţe speriate sau furioase, prezintă o cuplare mai puternică a neuronilor ce leagă sistemul limbic (amigdală şi hipocamp) de orbitofrontalul lateral. La aceşti oameni, activarea amigdaliană corelează cu tendinţa subiectivă de a evita feţele speriate sau furioase (Smolka şi colab., 2005). Alte studii realizate pe copii de 12 luni au arătat că aceia care prezentau combinaţia de polimorfism 5-HTTLPR s/s (adică două copii ale alelei scurte a genei transportorului serotoninei) şi polimorfism al alelei DRD4-7R al genei ce encodează receptorul D4 al dopaminei, prezintă o puternică reacţie de frică la apropierea unei persoane străine, refuză interacţiunea cu aceasta multă vreme, habituarea fiind îndelungată, prin comparaţie cu cei care au acelaşi polimorfism al dopaminei (DRD4-7R) dar varianta lungă a alelei genei transportorului serotoninei (5-HTTLPR l/l). Aceşti copii nu prezintă nici măcar reacţie de precauţie la apropierea unui străin, reacţie socotită normativă între 9 şi 18 luni (Lakatos şi colab., 2003). Alela scurtă a mai fost asociată cu unele trăsături de personalitate precum anxietate, neuroticism şi comportament evitativ (Murphy şi colab., 2004). Nici una dintre genele studiate până acum nu s-a descoperit a fi răspunzătoare în aşa mare măsură precum SERT în etiologia neuroticismului, tulburărilor anxioase şi depresive (Holden, 2008). Copiii inhibaţi comportamental prezintă următoarele caracteristici atunci când sunt confruntaţi cu situaţii nefamiliare (în special prezenţa unei persoane nefamiliare): oprirea din activitate, latenţă lungă la comportamentul de abordare, evitare activă, tăcere sau comportament vocal diminuat şi apropierea de persoanele familiare (cum este mama) (Fox, Henderson şi Marshall, 2001). Inhibiţia comportamentală poate fi văzută ca şi echivalentul neuroticismului din unele modele ale personalităţii. Alte studii au descoperit o mai puternică activare la prezentarea de stimuli sociali la nivelul amigdalei drepte (dar şi a cortexului prefrontal median şi dorsomedian) la persoanele adulte normale care prezentau polimorfismul C178T în regiunea reglatoare a genei ce encodează receptorul 5-HT3A al serotoninei (Iidaka şi colab., 2005), precum şi mutaţii ale genei care sintetizează receptorul 5-HT2C

43 (Bonasera, Schenk şi Tecott, 2005). Alela TT (mutaţia completă a polimorfismului T102C) a genei care produce receptorul 5-HT2A este asociată cu o activitate mai redusă a serotoninei în cortexul prefrontal şi conduce la un stil de ataşament evitativ, distanţare emoţională într-o relaţie, discomfort faţă de apropiere interpersonală, deschidere şi interdependenţă, persoanele respective fiind etichetate ca fiind mai puţin agreabile. Concluzii Numeroase date indică faptul că există o conservare a mecanismelor genetice şi moleculare care reglează comportamentele sociale între diverse specii, incluzând specia umană. Diversitatea comportamentului social la vertebrate poate fi explicată, în parte, prin variaţii pe aceaşi temă ale reţelelor neuronale şi genetice conservate de-a lungul timpului. Cele mai studiate sunt polimorfisme ale genelor răspunzătoare de receptorii oxitocinei, vasopresinei, dopaminei şi serotoninei, precum şi enzime implicate ȋn degradarea ȋn sinapsă a catecolaminelor şi proteine implicate ȋn transportul serotoninei. Bibliografie obligatorie 1. Canli, T. şi Lesch, K.P. Long story short: the serotonin transporter in emotion regulation and social cognition. Nature Neuroscience, Vol. 10 (9), pp , Cȋrneci, D. Variaţii în structura şi funcţionarea circuitelor cortico-limbice ca şi moderatori ai interacţiunilor sociale în situaţii nefamiliare. Ȋn Elemente de Psihopedagogie Specială (coordonator Vasile Preda), pp , Editura Eikon, Cluj- Napoca, Ebstein, R.P., Israel, S., Chew, S.H., şi colab. Genetics of human social behavior. Neuron, 65: , Insel, T.R. şi Young, L.J. The neurobiology of attachment. Nature Reviews Neuroscience, 2: , Robinson, G.E., Fernald, R.D. şi Clayton, D.F. Genes and social behavior. Science, 322, pp , 2008

44 Unitatea de învăţare 5 BAZELE GENETICE ALE COMPORTAMENTELOR ORIENTATE SPRE CÂŞTIG ŞI EXPLORARE Introducere Deși este adevărat că mediul și educația au un rol major în șlefuirea unor trăsături de personalitate implicate în comportamentul explorator, impusivitate și agresivitate, fundamentală este determinarea biologică, astfel că diferenţele interpersonale la nivelul acestor comportamente sunt tributare polimorfismelor genelor ce controlează circuitele menționate. În același sens, veți înțelege că și unele dintre simptomele prezente în anumite patologii (adicții, tulburarea de conduită, sau tulburarea de personalitate antisocială, imposibilitatea amânării unui comportament/recompense în cazul ADHD) sunt determinate de anumite gene ce reglează producţia unor receptori, proteine transportoare şi enzime care degradează oxidativ transmiţătorii la nivelul sinapselor Bazele genetice ale sensibilităţii faţă de recompense Comportamentul este motivat de sursele de recompensă precum şi de evitarea lucrurilor neplăcute. Creierul face in permanenţă calcule probabilistice privind deciziile de acţiune in funcţie de balanţa de mai sus. Studiile neurofiziologice, farmacologice, biochimice şi imagistice au arătat interdependenţa dintre procesarea apetitivă, răspunsul emoţional consecutiv şi condiţionarea apetitivă.

45 O componentă cheie a acestui circuit este sistemul dopaminergic mezolimbic: un set de celule nervoase cu originea în aria ventrală tegmentală (VTA) din mezencefal care trimite proiecţii în partea frontală, în special către nucleul accumbens. Aceşti neuroni din VTA comunică prin eliberarea neurotransmiţătorului dopamină prin vârful axonilor lor cu receptorii neuronilor din nucleul accumbens. Calea VTA-accumbens acţionează precum un reostat al recompensei: ea spune altor centrii nervoşi cât de recompensatorie este o activitate. Cu cât este ea mai recompensatorie cu atât organismul şi-o va reaminti mai bine şi o va repeta mai mult. Cînd o celulă nervoasă din VTA este excitată ea trimite un semnal electric de-a lungul axonului propriu către accumbens. Semnalul duce la eliberarea dopaminei din vârful axonului în spaţiul sinaptic ce separă acest axon de un neuron din accumbens. Din spaţiul sinaptic, dopamina se leagă de receptorul ei din dendrita neuronului postsinaptic şi îşi transmite semnalul în acesta. Apoi neuronul din VTA îndepărtează dopamina din spaţiul sinaptic şi o recaptează (prin proteina transportoare a dopaminei DAT) pentru o folosi ulterior, întrerupând în felul acesta semnalul ei (Nestler şi Malenka, 2004). Figura 23. Sistemul dopaminergic mezolimbic şi mezocortical Există suficiente dovezi care leagă variaţii in funcţionarea sistemului dopaminergic implicat in condiţionarea apetitivă şi a structurilor creierului asociate cu el de diferenţele inter-individuale in ce priveşte sensibilitatea faţă de recompense, evaluată fie prin deschiderea faţă de nou şi căutarea de senzaţii (ca şi trăsături ale personalităţii) fie prin diferite patologii comportamentale. Din punct de vedere biochimic sensibilitatea faţă de recompense şi căutarea de senzaţii sunt asociate cu activitatea din corpii striaţi, activitatea dopaminergică prea ridicată dar şi cea prea scăzută conducând la alegeri riscante în situaţiile în care se anunţă posibile recompense (Casey, Duhoux şi Cohen, 2010). Ca parte a rolului lor general în motivaţia de a învăţa lumea înconjurătoare, neuronii dopaminergici sunt capabili să semnaleze valoarea

46 unei informaţii, atât privind recompense sau pedepse cât şi privind evenimente neutre emoţional dar posibil relevante informaţional (Bromberg-Martin şi Hikosaka, 2009). Componenta tonică dopaminergică variază non-liniar cu probabilitatea primirii unei recompense, ea fiind maximă când incertitudinea e maximă (50%). Componenta tonică se declanşează la apariţia stimulului care anunţă recompensa, iar maximul de incertitudine este relaţionat cu atenţia susţinută şi motivaţia maximă (Caldu şi Dreher, 2007). Gena COMT produce enzima cu acelaşi nume cu rol ȋn degradarea oxidativă a catecolaminelor ȋn sinapsă. Oamenii cu alela COMT met au o componentă dopaminergică tonică mai ridicată în cortexul dorsolateral prefrontal, orbitofrontal lateral şi în corpii striaţi ventrali. Nivelul de dopamină este mai ridicat la aceştia iar activarea în aceste zone este mai crescută în condiţiile anticipării unei recompense în condiţii de incertitudine. Efectul este însă şi mai pregnant în cazul interacţiunii a două alele şi anume COMT met + DAT-9R. Această combinaţie afectează sensibilitatea la recompense, conduce la căutare de senzaţii şi adicţie. De altfel se ştie că şi componenta fazică este asociată cu probabilitatea şi mărimea unei recompense anticipate, această componentă manifestându-se în corpii striaţi (Yacubian şi colab., 2007b) Bazele genetice ale explorării Trăsătura de personalitate numită căutarea noului reflectă un entuziasm puternic ca răspuns la stimuli care semnalizează posibile recompense. Aceşti oameni se simt mai recompensaţi de experienţe noi, sunt mai exploratori, mai excitabili şi impulsivi şi in lipsa stimulării se plictisesc foarte uşor. Această trăsătură este genetică şi a fost în repetate rânduri asociată cu densitatea receptorilor D2 din corpii striaţi (Suhara şi colab., 2001). Căutarea noului este asociată cu cuplarea dopaminei de receptorul D2 din nucleul caudat stâng (Pickering şi Gray, 2001). Scorurile la trăsătura Novelty Seeking a chestionarului TPQ a lui Cloninger corelează în cazul apariţiei de stimuli noi cu activarea corpilor striaţi ventrali stângi, în aceaşi zona a circuitului dopaminergic mezolimbic care se activează la procesarea recompenselor şi a erorii pozitive în predicţie (Wittmann şi colab., 2008). Aceştia prezintă conexiuni mai puternice între neuronii care leagă corpii striaţi ventrali de amigdală şi hipocamp, în emisfera stânga mai ales. Această reţea dedicată procesării noului este una dopaminergică mezolimbică implicată atât în detectarea stimulilor noi cât şi în procesarea erorii în predicţie (Cohen şi colab., 2008). Oamenii tind să valorizeze aceşti stimuli în mai mare măsură decât pe cei familiari (chiar recompensatori), asignându-le o posibilă valoare de recompensă mai mare şi alegându-i preferenţial, deci explorând posibilitatea ca aceştia să conducă spre recompense mai importante. Pe lângă activarea striatală, acest gen de stimuli activează şi alte zone ale circuitelor mezolimbic şi mezocortical dopaminergice cum ar fi : VTA, amigdala, orbitofrontalul şi zona mediană prefrontală (Wittmann şi colab., 2008). Studii imagistice au relevat o concentraţie dopaminergică mai crescută şi în

47 cortexul insular drept la oamenii cu scoruri ridicate la căutarea noului şi extraversiune, concentraţie atribuită densităţii receptorilor D2/D3 din această zonă. Cortexul insular are conexiuni reciproce cu cortexul frontal şi amigdală. În cortexul insular se găsesc neuronii de proiecţie Von Economo care prezintă receptori D3 receptori cu mare afinitate pentru dopamină şi care se descarcă maxim în condiţii de anticipare a unei recompense în condiţii de incertitudine (Allman şi colab., 2005). Receptorii D2 sunt localizaţi atât pe neuronii piramidali cât şi pe interneuronii GABAergici, iar eliberarea dopaminei este reglată de către interneuronii GABAergici prin intermediul receptorilor D2. O activitate dopaminergică mai ridicată în această zonă reflectă o inhibiţie GABAergică mai scăzută (Suhaba şi colab., 2001). Studiile genetice au relevat faptul că indivizii purtători ai alelei A1 a genei care produce receptorul D2 au un răspuns mai redus al orbitofrontalului median, accumbens, amigdală şi hipocamp la primirea unei recompense, deci reducerea densităţii receptorilor D2 (produsă de alela A1) reduce sensibilitatea la recompense aşa numitul «reward deficiency syndrom» - ceea ce-i face pe aceştia mai expuşi la adicţii (Caldu şi Dreher, 2007). Figura 24. Densitatea receptorilor D2 la posesorii alelei A1 (dreapta) comparativ cu posesorii alelei A2 (stânga) Adicţiile se pare că sunt asociate cu un răspuns mai redus a striaţilor ventrali şi a orbitofrontalului (incluzând ventromedianul prefrontal) la procesarea recompenselor altele decât drogul (Peters şi Buchel, 2011). De asemenea, băieţii cu această mutaţie sunt mai delincvenţi, ei tind să-şi înceapă mai repede viaţa sexuală dar sunt mai puţin înclinaţi să dezvolte relaţii îndelungate cu o parteneră (Holden, 2008). Receptorul D4 al dopaminei joacă un rol important în modularea plasticităţii sinaptice în cortexul prefrontal (Wang şi colab., 2003). Indivizii care posedă cel puţin o alelă lungă repetată a genei DRD4, situată pe cromozomul 11 şi care encodează receptorul D4 al dopaminei, au scoruri ridicate la Scala de Căutare a Noului (Swanson şi colab., 2000; Ding şi colab., 2001). Acest polimorfism se găseşte şi la copiii cu ADHD, provocând simptomele de plictiseală rapidă în absenţa stimulării intense şi probleme în amânarea unui comportament sau a alocării unei recompense (Swanson şi colab., 2000).

48 Bazele genetice ale impulsivităţii şi agresivităţii reactive Valoarea unei recompense este encodată de către creier după trei parametri: mărime, probabilitate de primire şi timpul estimat până la primire (Gregorios-Pippas, Tobler şi Schultz, 2005). Atunci când aşteptăm o recompensă, amânarea ei şi incertitudinea primirii îi scad valoarea, proces numit discounting (reducere a valorii). Cu alte cuvinte, o recompensă de 60$ e mai important dacă e primită azi decât peste o lună. La oamenii numiţi impulsivi o asemenea reducere are loc mai rapid (Gancarz şi colab., 2005). Deciziile care sunt influenţate de procesul de discounting ca urmare a amânării se numesc decizii intertemporale. Acestea sunt frecvente în viaţa cotidiană, şi apar în educaţie, sănătate, sisteme de pensii, investiţii, etc. De asemenea, ele caracterizează unele boli precum abuzul de substanţe, adicţiile, pathological gambling şi ADHD-ul (Peters şi Buchel, 2011). Procesele de anticipare a primirii sau apariţiei unei recompense sunt uneori percepute subiectiv intr-o manieră negativă, in funcţie de timpul estimat. Iar rezultatul atȃt cel subiectiv cȃt şi cel comportamental bazat pe primul - sunt in mod tradiţional asociate cu trăsături de personalitate precum impulsivitatea sau agresivitatea reactivă. Agresivitatea reactivă este cea declanşată ȋn urma unei provocări, unei situaţii stresante sau frustrante. Ea nu este un act calculat ci unul spontan, impulsiv. Un nivel prea scăzut al serotoninei afectează creditul acordat recompenselor distale, mărind impactul celor prezente (Tanaka şi colab., 2005 ; Doya, 2008). Oamenii cu disfuncţii serotonergice care implică zona ventrală prefrontală în jocurile de tip Ultimatum Game au o mai puternică tendinţă de a refuza ofertele considerate incorecte (mai mici decât cele anticipate) chiar dacă în felul acesta nu mai primesc nimic (Crockett şi colab., 2008). Oamenii ce prezintă polimorfismul 861C al genei ce encodează receptorul 5-HT1B al serotoninei prezintă cu 20% mai puţini asemenea receptori în cortexul prefrontal şi sunt caracterizaţi prin comportament agresiv (Huang şi colab., 2003). Receptorii 5-HT1B exprimaţi ȋn perioada postnatală contribuie la dezvoltarea sistemelor neuronale care stau la baza agresivităţii la adult. Dopamina din nucleul accumbens este crescută ȋn absenţa receptorilor 5-HT1B iar acest lucru corelează cu impulsivitatea. Exprimarea ȋn timpul adolescenţei a acestor receptori influenţează comportamentul agresiv la această vârstă ȋn timp ce un set distinct de receptori 5-HT1B modulează impulsivitatea la adult (Nautiyal, Tanaka, Barr, Tritschler, şi colab., 2015). E interesant că studiile făcute pe şoareci modificaţi genetic (NC900 puternic agresivi) au indicat o corelaţie între funcţionarea serotonergică scăzută din cortexul lor frontal, corpii striaţi ventrali şi amigdală şi agresivitate dar şi anxietate socială. Se pare că serotonina reprezintă elementul de legătură între agresivitatea reactivă şi anxietatea socială (adică o reactivitate crescută la apariţia unui străin)(nehrenberg şi colab., 2005). Alela scurtă a genei SERT care produce proteina transportoare a serotoninei este asociată cu un răspuns exagerat la stres, iar barbaţii ce prezintă acest polimorfism sunt mai predispuşi să răspundă

49 agresiv în condiţii de stress (Nelson şi Trainor, 2007). Aceşti oameni sunt mai intoleraţi, mai rigizi şi percepuţi ca fiind mai puţin agreabili (Canli şi Lesch, 2007). De altfel, studiile imagistice au arătat că adolescenţii clasificaţi ca inhibaţi comportamental în copilărie (deci purtători ai acestei alele) prezintă o mai mare sensibilitate faţă de stimuli care anunţă o recompensă iminentă, şi concomitent o activare mai puternică a nucleului caudat şi nucleului accumbens (Guyer şi colab., 2006). Alelele MAOA-2R şi -3R ale genei MAOA (care produce enzima mono-amino-oxidază care reglează serotonina ȋn sinapsă) conduc la o exprimare mai mare a genei respective, iar bărbaţii cu aceste polimorfisme prezintă un răspuns serotonergic mai redus şi scoruri mai ridicate la impulsivitate şi agresivitate. Alela MAOA-3R este frecventă printre băieţii caracterizaţi de părinţi şi educatori ca fiind agresivi la modul persistent (Nolan şi Trainor, 2007). Aceşti oameni sunt mai intoleraţi, mai rigizi şi percepuţi ca fiind mai puţin agreabili (Canli şi Lesch, 2007). Această mutaţie este mai frecventă la asiatici (60%) decât la caucazieni (40%). Ea este frecventă de exemplu printre bărbaţii tribului Maori din Noua Zeelandă, renumiti prin faptul că sunt risk-taking, agresivi, antisociali, predispuşi la gambling şi adicţii (Holden, 2008). De asemenea tendinţa observată în jocurile de tip Ultimatum Game de a refuza ofertele considerate incorecte (mai mici decât cele anticipate) chiar dacă în felul acesta nu mai primesc nimic mai este asociată şi cu polimorfisme ale genelor DRD2 şi DRD4 care produc receptorii D2 şi D4 ai dopaminei, şi alela Val158Met a genei COMT (Peters şi Buchel, 2011). Indivizii putători ai alelei A1 (gena A produce receptorii D2) ce conduce la o scădere a densităţii receptorilor D2 din sistemul mezolimbic sunt caracterizaţi ca fiind impulsivi, excitabili şi uşor de înfuriat. Această alelă se regăseşte în proporţie de 50% la copiii cu ADHD, în proporţie de 60% printre adolescenţii diagnosticaţi ca violenţi patologic şi cu Tulburare de Conduită (Conduct Disorder) şi printre adulţii cu Tulburare de Personalitate Antisocială. Receptorii D2 din corpii striaţi ventrali (nucleul caudat) şi prefrontalul median se ştie că sunt fundamentali în encodarea experienţelor ce semnifică furie, agresiune cât şi în exprimarea acestor stări. Ei sunt implicaţi în perceperea expresiilor faciale furioase, a tonului vocal furios şi chiar în reamintirea sau imaginarea unor scene furioase (Harmer şi colab., 2001; Calder şi colab., 2004; Chakrabarti, Baron-Cohen şi Bullmore, 2005). Efectul receptorului D2 asupra agresivităţii pare a fi mediat prin intermediul răspunsului la stres. Şoarecii masculi care prezintă polimorfismul ce implică lipsa formei lungi a acestui receptor (D2L) prezintă o agresivitate mult mai redusă decât cei cu prezenţa acestei variante (Nolan şi Trainor, 2007). Gena DRAPP-32 produce proteina cu acelaşi nume implicată în funcţionarea receptorului D1 în corpii striaţi. Receptorul D1 este implicat în plasticitate şi învăţarea apetitivă iar oamenii care posedă alela T mutaţia completă (T/T) a genei DARPP-32 au o expresie mai puternică a genei comparative cu cei care posedă alela C şi dezvoltă în mai mare măsură comportamente care conduc spre recompense imediate (Frank şi colab., 2009).

50 Concluzii Comportamentul explorator, cel impulsiv şi agresivitatea reactivă sunt toate mediate de circuitul dopaminergic mezolimbic. Diferenţele interpersonale la nivelul acestor comportamente sunt determinate din punct de vedere biologic de către polimorfisme (sau alele) ale genelor care controlează acest circuit, atât legate de dopamină, cât şi de serotonină şi alte catecolamine. Aceste gene reglează producţia unor receptori, proteine transportoare şi enzime care degradează oxidativ transmiţătorii la nivelul sinapselor. Bibliografie obligatorie: 10. Caldu, X. şi Dreher, J-C. Hormonal and genetic influences on processing reward and social information. Annals of New York Academy of Science, 1118, pp 43-73, Cȋrneci, D. Origin of the mind; From viruses to beliefs. LAP Lambert Academic Publishing, Saarbrucken, Nestler, E.J. şi Malenka, R.C. The addicted brain. February 13, Peters, J. şi Buchel, C. The neural mechanisms of inter-temporal decision-making: undestanding variability. Trends in Cognitive Sciences, 15 (5), pp , Swanson, J. şi colab. Attention deficit/hyperactivity disorder children with a 7-repeat allele of the dopamine receptor D4 gene have extreme behavior but normal performance on critical neuropsychological tests of attention. PNAS, 97 (9), pp , 2000

51 Unitatea de învăţare 6 BAZELE GENETICE ALE STRESULUI Introducere Este de domeniul evidenței faptul că la același factor stresor, oameni diferiți reacționează în moduri diferite, atât din punctul de vedere al instalării unui răspuns cât și al amplitudinii acestuia. Această unitate de învățare este dedicată integrării rezultatelor cercetărilor recente în domeniul geneticii stressului, evidențiind unele mecanisme biochimice răspunzătoare de stres şi depresie, determinate de polimorfisme ale genelor răspunzătoare de eliberarea hormonilor de stress. Putem vorbi astfel despre o predispoziție genetic determinată la unii indivizi pentru tulburări afective și tulburări de stress Un model genetic al tulburărilor de stres Bazȃndu-se pe datele imagistice, genetice, studiile gemelare şi prospective, Admon, Milad şi Hendler (2013) au furnizat un model cauzal privind anormalităţile in tulburările de stress care afirmă că disfuncţii ale cingulatului dorsal şi amigdalei (vezi Figura 25) reprezintă un factor predispozant in timp ce interacţiunile disfuncţionale dintre ventromedianul prefrontal şi hipocamp devin evidente doar după apariţia bolii.

52 Figura 25. Cortexul cingulat anterior dorsal şi amigdala Studiile anterioare folosind SPECT au stabilit că o supra-activare a zonei cingulatului anterior este asociată cu tendinţa spre îngrijorare, anticipări negative, ruminaţii şi iritabilitate (Amen, 2002a). Apoi, mai multe studii folosind atât RMN funcţional, PET sau SPECT au evidenţiat scăderi în fluxul sangvin regional în cortexul cingulat anterior stâng şi drept la pacienţii depresivi. Este interesant că regiunea hipoactivată în depresie majoră (regiunile dorsale ariile 32, 24 şi 32 ) pare să fie diferită de cea găsită a fi hiperactivă la cei care răspund la tratament cu inhibitori selectivi ai receptorilor serotoninei (ariile rostrală şi pregenuală). Figura 26. Diviziunile cortexului cingulat În timp ce starea de depresie este asociată cu reducerea activităţii în cingulatul caudal, remisia depresiei este caracterizată prin creşterea activităţii în aceaşi regiune. Similar, o creştere a activităţii în cingulatul rostral s-a observat la pacienţii care răspund la tratament (Davidson şi colab., 2002). Aceste date indică unele mecanisme biochimice răspunzătoare de stres şi depresie, mecanisme ale căror gene le vom trece ȋn revistă ȋn cele ce urmează Polimorfisme ale genelor hormonilor de stres Pe fond de stres se secretă hormonii adrenalină şi cortizol. Ambii se secretă de către glandele suprarenale - parte a axei HPA - iar odată ajunşi ȋn creier ei conduc la secreţia noradrenalinei. Diverse studii au luat ȋn evidenţă polimorfisme ale genelor hormonilor de stres care sunt asociate cu predispoziţia spre stres şi boli legate de stres precum anxietatea şi depresia.

53 Astfel, s-a descoperit că oamenii care prezintă polimorfismul N363S al genei care produce receptorul GR al glucocorticoizilor au un răspuns mai puternic al cortizolului după expunerea la un test de vorbit în public (Trier Social Stress Test) şi la fel după o sarcină de matematică. O alelă a genei FKBP5 induce o recuperare ineficientă a axei HPA după expunerea la Trier Social Test. Polimorfismul ce cuprinde 3 SNPs în intronul 1 al genei care produce receptorul CRH1 (CRH ȋnseamnă hormonul eliberator al cortizolului) influenţează tendinţa de a dezvolta depresie la adulţii care în copilărie au fost abuzaţi, în timp ce alte polimorfisme (rs şi rs242940) au efect protectiv (Feder, Nestler şi Charney, 2009). Gena ADRA2B este implicată în transportarea noradrenalinei. Oamenii care prezintă un polimorfism al acestei gene (aprox. 30 % din caucazieni şi 12 % din africani) au un transport mai accentuat al noradrenalinei la nivel sinaptic, proces relaţionat cu arousalul emoţional, iar aceşti oameni sunt mai predispuşi la a avea flash-back-uri după evenimente traumatizante. Acest efect este relaţionat specific cu evenimentele emoţionale şi nu afectează procesarea emoţională sau memoria propriu-zis. Contează doar dacă evenimentul provoacă emoţie plăcută sau neplăcută amintirile oamenilor fără semnificaţie emoţională nefiind afectate (de Quervain, Kolassa, Ertl, şi colab., 2007) Stresul asociat cu polimorfisme ale genelor care reglează dopamina Deşi ȋn mod tradiţional dopamina este asociată cu plăcerea şi motivaţia de abordare, ea este ȋn egală măsură implicată ȋn mecanismele stresului. Dopamina la nivel sinaptic are o componentă tonică şi una fazică. Cea tonică este mai prelungită iar cea fazică este caracterizată prin descărcări scurte. Componenta tonică este reglată de enzima COMT şi receptorii D1 ȋn timp ce componenta fazică de proteina transportoare a dopaminei DAT şi de receptorii D2. Oamenii cu alela Met/Met a genei COMT care au o componentă tonică dopaminergică mai ridicată (şi o inhibare a componentei fazice) au şi un efect analgezic mai scăzut şi o eliberare mai redusă a opioidelor endogene (Leknes şi Tracey, 2008). Opioidele endogene (cum sunt endorfinele) cresc efectul fazic al dopaminei în nucleul accumbens inhibând interneuronii locali GABA din VTA, ȋn felul acesta calmânduse durerea (Leknes şi Tracey, 2008). O componentă tonică crescută este asociată cu stres şi durere în timp ce o componentă tonică redusă care duce la o creştere a componentei fazice este asociată cu căutarea de senzaţii, impulsivitatea şi abuzul de substanţe (Leknes şi Tracey, 2008). Şobolanii cu predispoziţie spre stres au niveluri mai ridicate ale enzimei COMT în zona mediană prefrontală dreaptă şi consecutiv niveluri mai scăzute de răspuns la stress ale dopaminei în această zonă (Zhang şi colab., 2005). Indivizii care au alela met a genei COMT cu mutaţia completă (met/met), la expunerea la feţe speriate sau furioase, prezintă o cuplare mai puternică a neuronilor ce leagă sistemul limbic (amigdală şi hipocamp) de orbitofrontalul lateral (Drabant şi colab., 2005). La aceşti oameni, activarea amigdaliană corelează cu tendinţa subiectivă de a evita feţele speriate sau furioase (Mattay şi colab., 2005). Oamenii, şi in special femeile, purtătoare a alelei met mutaţia completă (met/met) au un răspuns de tresărire şi de clipire mai accentuat la prezentarea de imagini neplăcute sau la apariţia unui zgomot neaşteptat. Ei sunt în general mai neurotici, mai înclinaţi spre frică, anxietate şi gândire negativă (Holden, 2008). În schimb şobolanii cu mutaţia val/val prezintă o sensibilitate la durere mai mare şi fac mai greu condiţionare aversivă la durere (Holden, 2008). Polimorfismul Val108/158Met al genei COMT care reglează catecolaminele dopamină şi noradrenalină afectează encodarea informaţiei aversive în cortexul orbitofrontal drept. Subiecţii prezentând alela Met (adică o activitate redusă a genei) au o cuplare mai

54 puternică între prefrontal şi hipocamp în timpul encodării informaţiei favorizându-se astfel formarea de memorii aversive (Schott şi colab., 2006). Receptorii dopaminei D2 din corpii striaţi au o sensibilitate crescută faţă de nivelurile scăzute de dopamină şi deci un rol semnificativ în plasticitatea sinaptică ceea ce explică faptul că receptorii postsinaptici striatali D2 sunt fundamentali în integrarea semnalelor declanşate de nivelurile scăzute de dopamină datorate feedback-urilor negative. Aceste funcţii sunt dependente de genotipul genei DRD2 care este răspunzătoare de densitatea receptorilor D2. Alela A1 care produce o diminuare cu până la 40% a densităţii receptorilor D2 în corpii striaţi ventrali în special în nucleul caudat ventral şi putamen este asociată cu anxietate, ataşament nesigur-anxios (Gilllath şi colab., 2008). Polimorfismul C957T care afectează translatarea ARNm al genei DRD2 conduce la o funcţionare crescută a acestei gene şi la o mai bună abilitate de a evita stimulii aversivi cei mai probabili (Frank şi colab., 2007). Ca urmare a învăţării aversive are loc o creştere a densităţii receptorilor D2 în VTA, substanţa neagră, hipocamp, amigdală, nucleul accumbens, nucleul caudat şi cortexul frontal. Este vorba de forma scurtă a receptorului D2 (D2S), cele două forme find diferite doar printr-o inserţie la nivelul celui de-al 29 aminoacid al buclei intracelulare (Smith şi colab., 2002) Stresul asociat cu polimorfisme ale genelor care reglează serotonina Unul dintre neurotransmiţătorii care au fost cel mai mult asociaţi cu stresul, anxietatea şi depresia este serotonina. Ȋn acest context au fost studiate gene răspunzătoare de gena care mediază producerea serotoninei, de proteina transportoare a serotoninei şi de receptorii săi. Astfel, s-a descoperit că variaţii genetice ale genei TPH2 (gena tryptofan hidroxilazei care mediază producerea serotoninei din aminoacidul tritofan) precum TPH2 G(-844)T alela T sunt asociate cu o activitate anormală a enzimei care sintetizează serotonina din triptofan, şi cu un risc crescut de a dezvolta tulburări emoţionale (Brown şi colab.,2005). Enzima TPH, alături de transportorul dopaminei (DAT) şi de dehidrogenaza aldehidică (ALDH1), influenţează activitatea amigdalei şi conduc la tendinţa acesteia până la vârsta de 8 zile (la şoareci) de a realiza preferinţe şi faţă de stimuli care sunt asociaţi cu aversivitate, fenomen care ar explica fenomenele de ataşament paradoxal, în care copiii rămân ataşaţi de părinţii care i- au abuzat la vârste precoce (Barr şi colab., 2005). La victimele suicidului s-a găsit un prag de funcţionare scăzut al receptorilor postsinaptici serotonergici 5-HT1A şi 5-HT2A din cortexul ventromedian prefrontal. Acest prag scăzut ar putea reprezenta un răspuns compensator la o activitate neuronală serotonergică scăzută. În cazul receptorilor 5- HT2A acest prag scăzut este asociat cu o creştere a expresiei genei (Mann, 2003). Pacienţii cu Tulburare Borderline ce au comportament suicidar prezintă o sensibilitate scăzută a receptorului 5-HT1A la serotonină (Hansenne şi colab., 2002). O asemenea funcţionare serotonergică redusă a fost identificată şi la alţi oamenii care au tendinţa de a se auto-mutila în condiţii de stress sau de a consuma alcool (Dolan şi colab., 2001). Administrarea de Prozac (un inhibitor selectiv al receptorilor serotoninei) modifică exprimarea receptorului 5-HT1B prin transportarea sa către membrana terminală a neuronilor serotonergici. Această modificare conduce la reducerea simptomelor caracteristice depresiei (Svenningsson şi colab., 2006). Încă de la începutul anilor 2000 s-a observat că tratamentele cu Prozac, care acţionează asupra receptorului 5- HT1A al serotoninei de la nivelul hipocampului (Santarelli şi colab., 2003), stimulează la depresivi procesul de neurogeneză adultă în hipocamp (Malberg şi colab., 2000). Acest receptor 5-H1A al serotoninei se ştie că este implicat în procesul de sinaptogeneză din hipocamp şi neocortex, iar deficite în funcţionarea lui în

55 primele luni de viaţă conduc la efecte permanente la nivel comportamental şi anume de anxietate în condiţii de stres (Gross şi colab., 2002). Ȋn fine, s-a descoperit că persoanele care prezintă două copii ale alelei scurte a genei SLC6A4 care encodează transportorul serotoninei 5-HTT prezintă o activitate crescută a amigdalei bazolaterale drepte precum şi a zonei ventromediane prefrontale drepte cu care aceasta este cuplată, în situaţia prezentării unor imagini aversive, indicând o creştere a procesării emoţionale a stimulilor aversivi (Heinz şi colab., 2005). Ei prezintă şi o mai puternică tendinţă spre condiţionare aversivă (Murphy şi colab., 2004). Alela scurtă a mai fost asociată cu unele trăsături de personalitate precum anxietate, neuroticism, comportament evitativ, condiţionare aversivă şi răspuns cardiovascular exagerat la stimuli stresanţi, tulburări de somn şi durere cronică (Murphy şi colab., 2004). Alela 5-HTTLPR s/s (a genei ce encodează transportorul serotoninei) a fost găsită ca fiind asociată cu depresia şi tentative de suicid la adult (Caspi şi colab., 2003). Oamenii care prezintă acest polimorfism au un volum mai redus de substanţă cenuşie în cortexul limbic şi amigdală, precum şi în cortexul cingulat subgenual şi rostral. De asemenea, ei prezintă o mai slabă cuplare interneuronală între amigdală şi cortexul subgenual (Pezawas şi colab., 2005). Conectivitatea redusă observată între zona cingulată şi amigdală la oamenii cu polimorfismul 5- HTTLPR s/s poate fi cauzată de inabilitatea transportorului serotoninei de a diferenţia neuronii glutamatergici, care reprezintă neuronii de proiecţie majori în interacţiunile cortico-corticale (Pezawas şi colab., 2005). Apoi, oamenii care prezintă combinaţia 5-HTTLPR s/s (a genei ce encodează transportorul serotoninei) cu alela COMT met158 prezintă o activare mai puternică în ambele amigdale, hipocamp şi girusul cingulat, la expunerea la stimuli aversivi, iar acest genotip explică până la 42% din variaţiile de funcţionare ale acestui circuit neuronal (Smolka şi colab., 2005a). Proteina transportoare mediază răspunsul la stress al axei HPA. Şoarecii cu polimorfismul 5- HTTLPR s/s şi s/l (mutaţia incompletă) crescuţi într-un mediu stresant au o secretie de cortizol şi de noradrenalină mai crescute decât cei cu alela l/l (Murphy şi colab., 2004; Caspi şi Moffitt, 2006). Serotonina reglează eliberarea de CRH (precursorul cortizolului) din nucleul periventricular hipotalamic prin activarea receptorului 5-HT2C. Răspunsul axei HPA ca răspuns la serotonină reprezintă un circuit ce mediază răspunsul neuroendocrin la stres (Heisler şi colab., 2007). Expunerea şoarecilor imediat după naştere la manipulare, stimuli noi sau stresori naturali activează axa HPA (hipotalamus - glanda pituitară hipofiză) care secretă cortizolul. Proteina transportoare 5-HTT mediază răspunsul la stress al axei HPA. Şoarecii cu polimorfismul 5-HTTLPR s/s şi s/l (mutaţia incompletă) crescuţi într-un mediu stresant au o secretie de cortizol şi de noradrenalină mai crescute decât cei cu alela l/l (Murphy şi colab., 2004; Caspi şi Moffitt, 2006). Alela 5-HTTLPR s/s a a genei 5-HTTLPR (numită şi SERT) care encodează transportorul serotoninei fost găsită ca fiind asociată cu tulburarea bipolară, depresia majoră, depresia recurentă, tentative de suicid, tulburarea psihoafectivă şi depresia psihotică (Caspi şi colab., 2003; Murphy şi colab., 2004), dar studii ulterioare au evidenţiat că la aceste simptome ajung doar acei purtători ai alelei care în copilărie au fost crescuţi într-un mediu social stresant, au crescut fără părinţi sau care au fost abuzaţi (Kaufman şi colab., 2004). Studiile au arătat că 43% dintre purtătorii mutaţiei complete dacă au fost expuşi la evenimente stresante de viaţă dezvoltă episoade depresive majore, mai mult decât dublu comparativ cu cei care au varianta 5-HTTLPR l/l (Holden, 2008). Deci, nu este vorba de o genă a depresiei ci o modificare genetică ce modulează răspunsul serotonergic la stres (Murphy şi colab., 2004) Stresul şi genele care controlează creşterea celulară

56 Ȋn general se ştie că stresul inhibă creşterea organismului iar modul ȋn care funcţionează factorii care sunt implicaţi ȋn creştere celulară reprezintă un aspect critic al rezistenţei la stres. BDNF este o neurotropină produsă de gena cu acelaşi nume cu rol de factor de creştere neuronală ce se găseşte în principal în hipocamp, amigdală şi neocortex. Ea controlează mecanismele implicate în formarea celulelor, moartea lor şi procesele de plasticitate şi este unul dintre factorii de protecţie a celulelor nervoase la efectele cortizolului, modulȃnd răspunsul axei HPA spre exemplu la stresul social produs de Trier Social Test (Shalev şi colab., 2008; apud Ebstein şi colab., 2010). Neves-Pereira şi colab. (2002) au arătat că indivizii ce prezintă alela A3 a genei BDNF prezintă un risc crescut de a dezvolta tulburări bipolare. De asemenea, polimorfismul Met66 al genei BDNF este asociat cu Tulburarea Obsesiv-Compulsivă (Hall şi colab., 2003). Şi unele trăsături de personalitate precum novelty seeking sunt un bun predictor al vulnerabilităţii la stres. În timp ce şobolanii cu scoruri ridicate sunt vulnerabili la inducerea unor simptome de tip depresiv ca urmare a expunerii la stres social (social defeat stress), cei cu scoruri mici nu sunt. Aceştia din urmă prezintă o creştere a nivelului de BDNF in aceste situaţii, in timp ce primii nu. Această diferenţă in expresia BDNF din hipocamp facilitează vulnerabilitatea celor cu novelty seeking şi rezistenţa celor fără (Duclot şi Kabbaj, 2013). Mai mult, autorii au identificat o modificare reglatoare la nivelul exonului VI a genei BDNF in hipocamp, modificare cu rol critic in rezistenţa la stres, subliniind importanţa factorilor epigenetici in medierea răspunsului adaptativ/dezadaptativ la indivizi diferiţi. Concluzii Deşi ȋn mod tradiţional stresul, anxietatea şi depresia sunt asociate cu gene care reglează serotonina, adevărul este unul mult mai complex. Majoritatea neurotransmiţătorilor sunt implicaţi ȋn stres iar disfuncţii ale genelor care ȋi produc sau ȋi reglează se constituie ȋn factori predispozanţi sau protectori. Stresul reprezintă modul ȋn care celulele nervoase răspund la semnale pe care le percep ca fiind ameninţătoare iar persistenţa acestor semnale conduce la distrugerea celulelor. Genele care mediază răspunsul la nou ȋntr-o manieră de explorare şi ȋnvăţare reprezintă factori protectori sau adaptativi. Bibliografie obligatorie 1. Caspi, A. şi Moffitt, T.E. Gene-enviroment interactions in psychiatry: joining forces with neuroscience. Nature Reviews Neuroscience, 7, pp , Cȋrneci, D. Stresul din mintea noastră şi războiul din lumea celulelor. Editura Fundaţiei România de Mâine, Bucureşti, Holden, C. Parsing the genetics of behavior. Science, 322, pp , Murphy, D.L. şi colab. Serotonin transporter: Gene, genetic disorders, and pharmacogenetics. Molecular Interventions, 4 (3), pp , Pezawas, L. şi colab. 5-HTTLPR polymorphism impacts human cingulate-amygdala interactions: a genetic susceptibility mechanism for depression. Nature Neuroscience, 8 (6), pp , 2005

57 Unitatea de învăţare 7 ABERAŢIILE GENETICE ŞI DEFICIENŢA MENTALĂ Introducere Aberațiile cromozomiale reprezintă lipsa, neregularitatea sau surplusul unei porțiuni a ADN-ului cromozomial. Această unitate de învățare va trata Sindromul Down, Sindromul X fragil, Sindroamele Williams și Turner, dar și Fenilcetonuria, insistând asupra complexului simptomatologic caracteristic, a deficitelor mentale ce rezultă ca urmare a acestor condiții genetice, dar și a testelor ce pot fi folosite pentru determinarea deficitelor cognitive specifice acestor sindorame Sindromul Down Indivizii cu Sindrom Down prezintă o relativ slabă memorie auditivă; ei sunt mai favorizaţi în procesarea vizuală putând copia sau desena forme sau imagini, dar omiţând unele detalii interne; abilităţile de recepţie a limbajului sunt mai dezvoltate decât cele de expresie, adică sunt mai capabili să înţeleagă ce li se spune decât să vorbească; au comportamente de abordare socială aproape normale, deşi sunt limitaţi în capacitatea de a înţelege graniţele impuse social; prezintă pierderi auditive care pot părea o lipsă de atenţie, ei însă nu pot percepe sunetele moi sau unii indici fonetici subtili; în schimb, demonstrează abilităţi vizuo-spaţiale relativ bine demonstrate şi o memorie vizuo-spaţială relativ bine dezvoltată; au o abilitate în a se exprima prin gesturi folosind mâinile; sunt capabili să-şi dea seama de emoţiile celorlalţi, deşi strategiile pe care le folosesc diferă de a oamenilor normali; prezintă un interes crescut pentru muzică, şi trăiesc emoţii puternice când ascultă muzică (Wood, Bellugi şi Lichtenberger, 1999). În concluzie, putem spune că ei prezintă abilităţi vizuo-spaţiale şi sociale relativ bine dezvoltate dar slabe abilităţi în procesarea auditivă a limbajului şi în menţinerea atenţiei. Cu alte cuvinte, sunt mai capabili în a vedea şi face lucruri decât în a asculta şi vorbi. Dificultăţile în exprimare apar de foarte devreme în dezvoltare, dat fiind faptul că la aceşti copiii apare o întârziere a trecerii de la lalaţie la cuvinte, iar deficitul se adânceşte în copilărie.

58 Teste folosite în depistarea deficitelor cognitive specifice Sindromului Down O probă folosită pentru testarea receptării limbajului este Testul de Comprehensiune Auditivă a Limbajului Varianta Revizuită (TACL-R)(Carrow-Woolfolk, 1985). Aceasta este o probă foatre des folosită în care subiectul trebuie să deseneze dintr-un set de 3 itemi pe cel care se potriveşte cu cel pe care în descrie examinatorul. TACL-R este organizat în 3 subteste: Categorii de cuvinte şi Relaţii între cuvinte, care se axează pe vocabular; Gramatică, care se axează pe propoziţii şi legarea morfemelor cum ar fi timpul trecut și pluralul; şi Elaborarea de propoziţii, care se axează pe diferite patternuri sintactice formate din mai multe cuvinte, cum ar fi diateza pasivă şi interogaţiile. Copiii cu Sindrom Down testaţi cu TACL-R au scoruri mai mici comparativ cu copiii de aceaşi vârstă fără Sindrom Down şi de asemenea, sub performanţa lor nonverbală măsurată cu subtestele scalei Stanford-Binet (Abbeduto şi colab., 2002). O probă care evidenţiază abilităţile de exprimare este Subtestul de Exprimare Orală din Scalele Limbajului Oral şi Scris (OWLS)(Carrow-Woolfolk, 1995). Acesta este un test relativ recent în care subiectul este pus de către examinator să descrie diferite imagini. Descrierea poate varia de la un singur cuvânt până la o propoziţie sau chiar un scurt paragraf în cazul performanţei superioare. Ţinta testului este de a evidenţia abilităţile semantice, sintactice şi de articulare a cuvintelor. Prin contrast cu TACL aici este posibilă calcularea scorului doar pentru întreg testul OWLS nu şi separat pentru domeniul investigat de subtestul respectiv. Copiii cu Sindrom Down testaţi cu OWLS au scoruri mai scăzute comparativ cu copiii de aceaşi vârstă fără Sindrom Down şi de asemenea, sub performanţa lor nonverbală măsurată cu subtestele scalei Stanford-Binet. Mai mult decât atât, performanţa la OWLS este mai slabă decât la TACL-R, diferenţa care nu se observă la copiii normali. Deci problemele de exprimare le depăşesc pe cele de receptare a limbajului. Deficitele lor în exprimare se regăsesc doar în condiţii de complexitate sintactică, deficitul primar fiind deci de natură gramaticală (Abbeduto şi colab., 2002). Theory of mind este un concept care se referă la cunoştinţele despre mintea umană pe care le folosim în mod obişnuit pentru a explica sau prezice comportamentul nostru sau al altora. Ea este o dimensiune a cogniţiei sociale, şi reprezintă baza necesară într-un număr mare de sarcini sociale cum ar fi: ghicirea a ce se aşteaptă un ascultător să-i spunem, crearea unei naraţiuni coerente şi comprehensibile, confirmarea că ai înţeles propoziţia formulată de o altă persoană, reacţia la distresul emoţional al altei persoane sau comportamentul de disimulare (prefacere).

59 Una dintre cele mai folosite sarcini de măsurare a Theory of mind este Sarcina Falsei Convingeri (False Belief task)(benson şi colab., 1993). Scopul acesteia este de a evidenţia abilitatea subiectului de a face raţionamente despre convingerile altei persoane ale cărei convingeri sunt diferite de ale subiectului. Abilitatea de a depista asemenea convingeri este considerată piatra de temelie a Theory of mind. Iată o descriere a sarcinii: subiectul ascultă o povestioară ilustrată cu poze sau desene. Aspectul principal al povestioarei este acela că unul dintre personaje crede un lucru despre care subiectul ştie că este fals. După ascultarea povestioarei, subiectul este întrebat dacă îşi dă seama că: 1) personajul are o convingere falsă şi 2) comportamentul personajului va fi guvernat de acea convingere falsă. Nivelul de dificultate al sarcinii poate varia, introducându-se distincţia dintre raţionamente de ordinul I, şi raţionamente de ordinul II. Raţionamentul de ordinul I implică evaluarea reprezentărilor pe care o altă persoană le are despre lume (ex: Ştie Dan că..?); raţionamentul de ordinul II implică evaluarea reprezentărilor pe care le are o persoană despre reprezentările despre lume ale unei a treia persoane (ex: Ştie Dan că Maria ştie că.?). Subiecţii cu Sindrom Down dau mai puţine răspunsuri corecte la întrebările puse decât copiii de aceaşi vârstă fără Sindrom Down, demonstrând faptul că aceştia au o dizabilitate în a raţiona despre reprezentările mentale ale unei persoane care are convingeri diferite de ale lor, iar aceasta abilitate este mai slabă decât abilitatea de a face raţionamente nonverbale măsurate de subtestele Scalei Stanford-Binet (Abbeduto şi colab., 2002) Sindromul X fragil Sindromul X fragil este o tulburare genetică relaţionată cu cromozomul X, mai exact cu modificarea genei FMR1 de pe cromozomul X, modificare ce induce o alungire excesivă a secvenţei repetitive CGG (citozină, guanină, guanină) a trinucleotidelor ce alcătuiesc molecula de ADN. Această alungire opreşte funcţionarea genei care nu mai produce proteina FMRP. FMRP se găseşte în concentraţii mari în sistemul nervos central. Deoarece sindromul este legat de cromozomul X, boala este mai frecventă la băieţi (afectând 1 din 4000) decât la fete (1 din 8000). Sindromul X fragil este a doua cauză majoră a retardului mental după Sindromul Down. IQ-ul copiilor cu X fragil, în special al băieţilor cu mutaţia completă, este similar cu al celor cu Sindrom Down. Această similaritate este importantă, deoarece ne ajută să interpretăm diferenţele de grup dintre cele două categorii ca fiind legate mai degrabă de sindrom şi nu de IQ. Există însă şi diferenţe între cele două categorii, cum ar fi incidenţa mai crescută a problemelor comportamentale şi psihopatologiei (hiperactivitate, probleme de atenţie, anxietate socială, comportament autist) la cei cu X fragil. Copiii cu X fragil nu diferă de cei normali la proba de receptare a limbajului TACL-R, şi nici la cea de evaluare a exprimării limbajului OWLS. De asemenea, nu prezintă diferenţe de

60 performanţă între cele două tipuri de probe. La probele de Theory of mind ei au o performanţă normală, demonstrând că asincronia între Theory of mind şi cogniţia non-verbală observată la Down nu se regăseşte la X fragil (Abbeduto şi colab., 2002) Sindroamele Williams şi Turner Ambele sindroame sunt cauzate de anormalităţi în conţinutul cromozomial: Sindromul Williams este cauzat de o ştergere a unei părţi a cromozomului 7q (tehnic vorbind este o monosomie), iar Sindromul Turner este cauzat de o monosomie totală sau parţială a cromozomului X. Ambele boli sunt consecinţa monosomiei mai multor gene, cea ce face greu de identificat efectele unei singure gene. Figura 27. Caracteristicile faciale ale unui copil cu sindrom Williams Sindromul Williams este o boală congenitală rară ce apare o dată la de naşteri, diagnosticată pe baza unei întârzieri în dezvoltare, unei feţe caracteristice şi unei anomalii cardiace (stenoza supravalvulară aortică şi stenoza arterei pulmonare periferice). Testele neuropsihologice au demonstrat că subiecţii ce prezintă acest sindrom prezintă o discrepanţă evidentă între performanţele verbale şi IQ-ul general. Comparativ cu copiii de aceeaşi vârstă şi copiii cu Sindrom Down, copiii cu Sindrom Williams au abilităţi sintactice şi lexicale aproape normale, dar o performanţă vizuo-spaţială scăzută. Abilităţile verbale se dezvoltă mai rapid decât cele non-verbale, sugerând că anormalitatea genetică afectează mai

61 ales traiectoria de dezvoltare şi nu în mod direct abilităţile vizuo-spaţiale. În plus, apar elemente comportamentale şi de personalitate cum ar fi: interacţiuni sociale inadecvate, hiperactivitate, anxietate, tulburări de somn şi hiperacuzie (Flint, 1999). Sindromul Turner nu este un sindrom propriu-zis al retardului mental, căci deşi scorurile IQ sunt mai slabe decât la copiii normali de aceeaşi vârstă, retardul mental este rar întâlnit. Totuşi se cunoaşte că femeile cu Sindrom Turner au un deficit în abilităţile non-verbale sau în cele spaţiale, caracteristice emisferei drepte. Studiile pe gemeni au arătat că copilul afectat avea un IQ cu 18 puncte mai scăzut decât sora sa neafectată, în timp ce IQ-ul verbal era cu 7 puncte mai slab. De asemenea, prezenta dificultăţi în abilităţile spaţiale şi matematice. Subiecţii cu sindrom Turner se împart în cei ce au cromozomul X de la mamă (Xm) şi cei care îl au de la tată (Xp). În testele de inhibiţie comportamentală în care subiecţii iniţial învaţă o asociere (să spună unu când văd cifra 1) şi apoi să-şi inhibe acest răspuns (să spună doi când văd cifra 1), scorurile fetelor cu Xp sunt mai mari decât al celor cu Xm, iar scorurile fetelor cu Xp sunt similare cu ale fetelor normale. Se consideră că efectul genetic al sindromului este unul distal iar profilul psihologic al fetelor cu Sindrom Turner poate reprezenta o exagerare a diferenţelor cognitive existente în mod normal între sexe (bărbaţii având abilităţi spaţiale mai pregnante, iar femeile abilităţi verbale), implicând mai multe gene diferite şi interacţiuni între gene (Flint, 1999) Fenilcetonuria Problema fundamentală în fenilcetonurie (PKU) este o mutaţie a genei de pe cromozomul 12 (12q22-12q24.1) ce encodează enzima numită fenilalanin-hidroxilază. Fenilalanin-hidroxilaza este esenţială pentru hidroxilarea (sau convertirea) aminoacidului fenilalanină (Phe) în aminoacidul tirozină (Tyr). La aproximativ 1 din de oameni ce se nasc cu PKU, activitatea fenilalanin-hidroxilazei este fie absentă fie foarte redusă. De aceea, PKU este membră a clasei de tulburări numite erori înnăscute de metabolism. În cazul PKU este vorba despre metabolismul Phe. Pentru că foarte puţină Phe este metabolizată, nivelul acesteia din sânge ajunge periculos de ridicat. Dacă PKU nu este tratată, nivelul sangvin al Phe depăşeşte de 10 ori normalul. Pentru că nu mai este produsă Tyr din Phe, nivelul sanvin al Tyr este scăzut. Dacă dezechilibrul sangvin al Phe şi Tyr nu este corectat rapid, duce la traume cerebrale extinse şi retardare mentală severă. PKU este una dintre cele mai frecvente cauze biochimice ale retardării mentale. Cauza primară a masivei deteriorări cerebrale o constituie efectul toxic al nivelului ridicat de Phe.

62 Tratamentul PKU şi persistenţa deficitelor cognitive La copiii cu PKU ce urmează o dietă constituind în reducerea acumulării de Phe şi suplimentarea moderată a Tyr se observă niveluri ridicate moderate ale Phe şi reduse moderate ale Tyr în circulaţia sangvină. Dat fiind că dieta constând în concentraţii scăzute ale Phe nu conduce la niveluri normale ale Phe şi Tyr, se pare că problema continuă să existe. Numeroase studii au evidenţiat deficite cognitive semnificative la copiii cu PKU ce urmaseră o dietă adecvată (vezi Diamond, 2001). De exemplu, IQ-ul acestor copii este de cele mai multe ori mai scăzut decât al celor de aceeaşi vârstă. Copiii cu PKU chiar dacă urmează o dietă adecvată imediat după naştere, au un IQ de 80 sau 90 sub scorul mediu de 100 al celor fără PKU, deşi aceste scoruri îi încadrează totuşi la un nivel acceptabil al inteligenţei. Studiile efectuate în anii 80 au evidenţiat probleme privind menţinerea informaţiei activate în memoria de lucru, rezolvarea de probleme şi în funcţiile executive la copiii cu PKU care urmaseră dietă. Aceste probleme sunt similare cu deficitelor observate consecutiv unor traume cerebrale ale cortexului prefrontal. Traume ale cortexului prefrontal în mod tipic conduc la o scădere la IQ-ului la 80-90, adică aceleaşi valori observate la copiii cu PKU trataţi dietar. Impactul acestor date a fost însă mic la vremea respectivă, pentru că cercetătorii nu au sugerat nici un mecanism prin care funcţiile cognitive dependente de cortexul prefrontal ar putea fi afectate la copiii cu PKU trataţi, în timp ce alte funcţii rămân normale. Cercetătorii din neuroştiinţe ce se ocupau de sistemul dopaminergic frontal la şoareci şi pediatrii ce tratau PKU nu ştiau nimic unii de ceilalţi, aşa că nu s-a putut face o centralizare a datelor în folosul celor din urmă. Copiii cu PKU trataţi imediat după naştere şi continuu prezintă o creştere moderată a raportului sangvin Phe/Tyr. Tyr este un precursor al dopaminei. Proteinele din dietă produc fenilalanină, care este transformată de fenilalanin- hidroxilază în tirozină, care la rândul ei este transformată de tirozin-hidroxilază în DOPA iar aceasta prin DOPA-decarboxilază trece în dopamină. Acest dezechilibru moderat afectează în mod selectiv proiecţia dopaminergică în cortexul prefrontal (Diamond, 2001) Performanţa la sarcini cognitive a copiilor trataţi de PKU Diamond (2001) a observat că acei copii cu PKU care au primit o dietă săracă în Phe din prima lună de viaţă, dar care au niveluri moderat ridicate ale Phe (de 3-5 ori mai mari decât normalul) prezintă performanţă mai scăzută la sarcinile ce necesită atât menţinerea informaţiei în memoria de lucru cât şi inhibarea unui răspuns dominant, ambele sarcini dependente de cortexul dorsolateral prefrontal (DL-PFC) şi al cortexului cingulat anterior (CCA)( A not B, recuperarea obiectului, Stroop-ul Zi/Noapte, Tapping

63 test). Performanţa nu este afectată în sarcinile ce necesită doar memorie de lucru (6 Cutii). Faptul că chiar şi copiii de 6 luni prezintă aceste afectări ale performanţei sugerează că inervaţia dopaminergică a cortexului prefrontal este importantă pentru exprimarea acestor abilităţi chiar din primul an de viaţă. Aceste deficite ale memoriei de lucru şi controlului inhibitor dependente de cortexul DL-PFC şi CCA au apărut la toţi copiii indiferent de alte variabile ce ţin de starea sănătăţii lor sau alte caracteristici ale mediului din care provin, care au fost comparaţi cu copii cu PKU cu niveluri mai scăzute ale Phe, cu fraţii lor şi cu grupuri de control. Cu cât este mai ridicat nivelul curent al Phe (adică raportul Phe/Tyr), cu atât sunt mai slabe performanţele la sarcinile ce necesită concomitent memorie de lucru şi control motor. Copiii cu niveluri ale Phe menţinute la 2-6mg/dL au o performanţă comparabilă cu a grupurilor de control. Deci faptul că aceşti copiii s-au născut cu PKU nu înseamnă automat un deficit cognitiv. Efectul nivelului ridicat al Phe pare să fie unul acut nu cronic: performanţa la aceste sarcini este corelată semnificativ cu nivelul curent al Phe sangvin nu cu nivelul mediu al Phe de-a lungul primului an de viaţă, sau primei luni de viaţă. În timp, schimbări ale nivelului Phe la acelaşi copil sunt acompaniate de modificări în performanţa la sarcinile menţionate. Nivelul de dopamină la nivelul cortexului prefrontal variază concomitent cu raportul Phe/Tyr, modificările la nivel cognitiv fiind de natură funcţională nu structurală. De asemenea, alte studii (Welsh şi colab., 1990; apud Diamond, 2001) au evidenţiat o relaţie inversă între I.Q., performanţa şcolară şi nivelul curent al Phe. Ca urmare a legăturii între deficitele cognitive şi nivelul de Phe de 6-10 mg/dl, s-au modificat nivelurile Phe considerate acceptabile în Marea Britanie, S.U.A. şi Danemarca. Copiii ce au înregistrat performanţe slabe la sarcinile de memorie de lucru şi inhibarea răspunsului dominant au avut totuşi o performanţă bună la sarcinile dependente de alte sisteme neurale cum ar fi cortexul parietal sau lobul temporal median (Diamond, 2001). Deci, chiar dacă nivelul Phe este de 6-10 mg/dl, efectele cognitive sunt selective. Aceasta se datorează sensibilităţii unice a neuronilor dopaminergici ce proiectează în ariile prefrontale la reduceri chiar şi moderate ale concentraţiei precursorului dopaminei tirozina. Concluzii Aberaţiile genetice influenţează nu doar comportamentele şi emoţiile cât şi abilităţi cognitive precum inteligenţa, atenţia, limbajul şi ȋnvăţarea. De regulă, aceste aberaţii produc deficite cognitive care sunt cuprinse sub umbrela conceptuală a deficienţei mentale (sau handicapului mental). Sindroamele Down, X-fragil, Turner, Williams precum şi Fenilecetonuria reprezintă cele mai cunoscute exemple de deficienţă mentală produsă de aberaţiile genetice. Ele sunt şi printre puţinele boli genetice pentru care există screening prenatal.

64 Bibliografie obligatorie: 15. Abbeduto, L. şi colab. The linguitic and cognitive profile of Down syndrome: Evidence from a comparison with fragile X syndrome. Down Syndrome Information Network, Cȋrneci. D. Demascarea secolului: Ce face din noi creierul? Introducere în neuroştiinţele dezvoltării. Editura Eikon, Cluj-Napoca, Diamond, A. A model system for studying the role of dopamine in the prefrontal cortex during early development in humans: Early and continuously treated Phenylketonuria. În C.A. Nelson şi M. Luciana (editori) Handbook of developmental cognitive neuroscience, MIT Press, Massachusetts, Flint, J. The genetic basis of cognition. Brain, Vol. 122, Nr. 11, pp , 1999

65 Unitatea de învăţare 8 EPIGENETICA COMPORTAMENTULUI Introducere Noutatea abordării din capitolul de față este aceea că și genele au memorie. Astfel, experiențele timpurii produc anumite modificări la nivelul genomului uman, cu atât mai mult cu cât intervin în așa-numitele ferestre critice de dezvoltare, caracterizate printr-o ridicată plasticitate, reprezintând perioade de dezvoltare cu impact pe termen lung. Mecanismele epigenetice sunt așadar mecanisme prin intermediul cărora mediul influențează genele. Relația dintre un organism și mediul în care se dezvoltă (incluzând aici totalitatea experiențelor cărora le este supus), este una de intercondiționare de o mare complexitate Ce este epigenetica În centrul proceselor de epigeneză stă ideea că genele au o «memorie». Viaţa bunicilor noştrii ce au respirat, mâncat, chiar lucrurile pe care le-au văzut ne pot influenţa după decenii, deşi noi nu am experienţiat acele lucruri. Iar ceea ce facem noi, poate afecta viaţa nepoţilor noştrii. Deci memoria unui eveniment poate fi «pasată» din generaţie în generaţie. Un stimul simplu din mediul în care trăim poate porni sau opri anumite gene, iar această modificare poate fi transmisă urmaşilor afectȃnd genele speciei. De aici şi importanţa pe care brusc o capătă experienţele de viaţă. Sărăcia din anii copilăriei inhibă peste 6000 de gene. Refugiaţii din diferite conflicte de prin Africa sau Orientul mijociu poartă cu ei nu doar propria cultură ci şi memoria genetică a traumelor şi privaţiunilor la care au fost expuşi. Iar aceste modificări odată dobȃndite in viaţa cuiva sunt şanse să fie transmise copiilor. Deci cȃnd alegeţi mȃncarea copilului, atenţia, căldura, educaţia şi in general mediul in care el va creşte aveţi grijă că transmiteţi un mesaj genelor lui. Iar ele au o memorie foarte bună. Mecanismele epigenetice adaugă un nivel cu totul nou genelor, dincolo de ADN-ul aşa cum îl ştiam. Epigeneza propune un sistem de control, de comutatoare care pornesc şi opresc genele şi sugerează că lucrurile pe care oamenii le trăiesc de la hrană la stres pot controla aceste comutatoare, cu efecte care se pot transmite generaţiei următoare. Modificările epigenetice permit transferul non-genetic al informaţiei, sau transmiterea culturală, iar o asemenea specializare este foarte dependentă de nivelul cognitiv dobândit de specii, nivel legat direct de complexitatea reţelelor neuronale. Mecanismele epigenetice sunt responsabile de crearea de sinapse şi neuroni adulţi impactȃnd invăţarea şi adaptarea la contexte noi. Descoperirea mecanismelor epigenetice - adică influenţele asupra genelor - poate afecta la modul

66 semnificativ ideea de heritabilitate. Tot mai multe cercetări au demonstrat existenţa unui complex mecanism epigenetic care reglează activitatea genelor fără a altera codul genetic, şi care are efecte de durată de modificare a funcţionării neuronilor maturi. În ultimii ani mii de articole, numeroase conferinţe şi chiar o nouă revistă au fost dedicate subiectului epigenezei. Ea reprezintă cea mai fascinantă parte a biologiei actuale şi este prezentată de presă ca o ştiinţă revoluţionară, un antidot la ideea că suntem «pre-cablaţi» de către genele noastre Mecanismele epigenetice În nucleul celulei, ADN-ul există sub forma unei structuri foarte comprimate formate din ADN şi proteine, numită cromatină. Factorii epigenetici includ un nivel de control al informaţiei genetice încorporat în cromatină proteinele care înconjoară cromozomul. Cromatina serveşte la izolarea şi protejarea ADNului de degradare, transcripţie şi interacţiuni cu alte proteine, inclusiv ncarn (Perkins, Jeffries şi Sullivan, 2005). Cromatina este un complex nuclear format din ADN, histone şi proteine non-histonice. Unitatea fundamentală a cromatinei este nucleozomul format din aproximativ 147 de perechi de baze ADN înfăşurate în jurul unui octamer histonic. Fiecare octamer conţine câte 2 copii ale histonelor H2A, H2B (dimeri), H3 şi H4 (tetrameri). Figura 28. Nucleozomul, histonele şi cozile histonelor

67 Terminaţiunile histonelor sau cozile lor proiectează afară din miezul nucleozomului şi interacţionează cu ADN-ul (Levenson şi Sweatt, 2005). Interacţiunile dintre histone şi ADN sunt mediate de către cozile amino N-terminale ale histonelor. Aceste cozi pătrund dincolo de cromozomi şi servesc ca şi platforme de integrare a semnalelor externe, în timp ce modificările post-translaţionale sunt combinate într-un aşa-numit «cod histonic» care direcţionează activitatea factorilor de transcripţie şi a maşinăriei transcripţionale în general. Codul histonic este un pattern specific de modificări post-translaţionale ale unei histone anume din cromatină. În cadrul terminaţiunilor histonelor (cozilor) sunt câteva site-uri unde au loc modificări post-translaţionale, iar modificările la nivelul acestora modulează structura generală a cromatinei. Cromatina există într-o stare inactivată sau condensată numită heterocromatină, care nu permite transcripţia genelor, precum şi într-o stare activată sau deschisă numită eucromatină, care permite transcripţia genelor. Structura cromatinei permite ADN-ului să fie strâns împachetat în nucleu insă mecanismele de remodelare ale cromatinei asigură ca ADN-ul să rămână accesibil maşinii transcripţionale. Aceste mecanisme epigenetice alterează activitatea genelor prin modularea interacţiunilor dintre ADN şi proteine, fără a modifica codul genetic (Tsankova şi colab., 2007). Există două tipuri de modificări ale cromatinei care reglează transcripţia genelor care produc proteine : unele sunt activatoare şi duc la inducerea unor gene iar altele sunt represoare şi conduc la reprimarea (oprirea) unor gene (Berger, 2007). Figura 29. Heterocromatina (dreapta) şi eucromatina (stânga)

68 Există 4 modificări post-translaţionale ale cozilor histonelor : acetilarea, metilarea, ubiquitilarea şi fosforilarea, toate servind ca şi markeri epigenetici (Levenson şi Sweatt, 2005). Deschiderea cromatinei este asociată cu acetilarea histonelor adiacente. Prin contrast cu acetilarea, metilarea histonelor corelează atât cu activarea cât şi cu inhibarea genelor, în funcţie de metilarea reziduală aflată în derulare. Fosforilarea histonelor este de asemenea asociată cu inhibarea sau activarea cromatinei (Tsankova şi colab., 2007). În cazul activării, fosforilarea este asociată cu activarea genelor imediate ca răspuns la tratarea cu factori de creştere (McClung şi Nestler, 2008). Dintre genele neuronale, cea mai des studiată în legătură cu remodelarea cromatinei este factorul de creştere neuronală BDNF. Remodelarea cromatinei este legată intrinsec de activarea sau represia genelor de către activitatea sinaptică şi ȋn felul acesta remodelarea cromatinei joacă un rol important în reglarea neuronilor maturi. Asemenea mecanisme reglează expresia unor seturi de gene importante pentru activitatea neuronală, supravieţuirea, morfologia neuronilor şi reglarea comportamentelor complexe (Tsankova şi colab., 2007). Modificările cromatinei sunt numite «markeri epigenetici» ȋnsă epigenomul reprezintă atât cromatina cât şi patternurile de metilare a ADN-ului, care apar ca rezultat al interacţiunii dintre genom şi mediu. Metilarea ADN-ului este o modificare chimică a citozinei care adaugă un grup metil (-CH3) printro legătură covalentă. Metilarea este catalizată de o clasă de enzime numite ADN metil-transferaze (DNMT). DNMT transferă grupuri metil la reziduurile de citozină dintr-un lanţ ADN, în mod specific la nivelul poziţiei 5 al inelului pirimidinei. Nu toate citozinele pot fi metilate ci de obicei cele care sunt imediat urmate în lanţ de guanină numite citozină post guanină (CpG). Aproximativ 70% din dinucleotidele CpG sunt metilate. Figura 30. Metilarea citozinei

69 Metilarea ADN-ului este implicată în reglarea activităţii genelor în creierul adult, atât în condiţii normale cât şi patologice. Metilarea anormală a ADN-ului produce funcţionarea anormală a neuronilor şi moarte neuronală sau scăderea neurogenezei (Tsankova şi colab., 2007) Transmisia transgeneraţională a modificărilor epigenetice Mecanismele epigenetice implică modificări ale structurii cromatinei, care la rândul lor reglează exprimarea genelor. Descoperirea mecanismelor epigenetice - adică influenţele mediului asupra genelor - poate afecta la modul semnificativ ideea de transmisie genetică. Epigeneneza adaugă un nivel cu totul nou genelor, dincolo de ADN-ul aşa cum îl ştiam. Ea propune un sistem de control, de comutatoare care pornesc şi opresc genele şi sugerează că lucrurile pe care oamenii le trăiesc de la hrană la stress pot controla aceste comutatoare, cu efecte care se pot transmite urmaşilor. Mecanismele responsabile pentru inducţia, expresia şi menţinerea plasticităţii sinaptice sunt similare cu cele implicate în formarea memoriilor, deci inducţia plasticităţii sinaptice poate implica mecanisme epigenetice similare celor implicate în formarea memoriilor pe termen lung (Levenson şi Swatt, 2005). Studiile realizate pe şobolani au arătat că expunerea timp de 4 săptămâni la un mediu îmbogăţit cu stimuli conduce la modificări ale cromatinei precum acetilarea histonelor genelor relaţionate cu plasticitatea sinaptică la nivelul hipocampului, şi consecutiv la formarea de sinapse, creşterea plasticităţii sinaptice, creşterea dendritelor şi îmbunătăţirea memoriei (Fisher şi colab., 2007). Aceleaşi procese care duc la formarea memoriilor de lungă durată duc şi la influenţele epigenetice asupra genomului. Mecanismele epigenetice sunt folosite pentru formarea şi stocarea informaţiei celulare ca răspuns la semnalele din mediu, iar această stocare a informaţiilor este analogă stocării memoriilor în sistemul nervos (Levenson şi Sweatt, 2005). Exemple ale efectelor reversibile şi rapide ale modificărilor histonelor şi metilării ADN-ului în creierul adult sunt legate de învăţare şi memorie, deci mecanismele epigenetice stau la baza funcţiilor neuronale componente ale memoriei. Orice perturbare a proceselor care reglează structura cromatinei poate afecta formarea memoriilor pe termen lung (Levenson şi Swatt, 2005). Lahiri şi Maloney (2006) au propus ipoteza că mediul acţionează asupra substratului genetic producând un aşa-numit epitip somatic. Acest epitip somatic produce la modul direct influenţă genetică asupra etiologiei neuropatologiilor. Epitipurile somatice sunt o formă a genotipului ce apare prin influenţa mediului asupra genotipului, dar spre deosebire de transmiterea genetică clasică, această influenţă apare dea lungul unei singure vieţi. Un studiu realizat recent la University of Pennsylvania a descoperit că expunerea şobolanilor masculi sănătoşi la 6 săptămȃni de stres le condamnă puii la a fi şi ei stresaţi. La două săptămȃni de la incetarea stresului, acestora li s-a oferit şansa să se reproducă iar cu ocazia asta au transmis mai departe

70 modificări la nivelul unor molecule care reglează gene responsabile cu stresul mai exact cu secreţia hormonului de stres numit cortizol. Traduse in cronologia umană, şase săptămȃni inseamnă 3 ani jumătate iar două săptămȃni inseamnă cam un an şi două luni. Adică, mai pe inţelesul tuturor, un bărbat poate fi genetic ȋn regulă, dacă 3 ani este expus la stres şi apoi face copii la mai puţin de un an şi jumătate după perioada nefericită, sunt şanse mari să-i transmită copilului toată suferinţa sa, sistemul lui nervos formȃnduse ca şi cum el ar fi fost expus la stres. Copilul respectiv va răspunde mai emoţional sau mai agresiv la provocări, va fi mai timid cu străinii, se va descuraja mai uşor, va tinde să fie mai pesimist şi se va imbolnăvi mai uşor Stresul conduce la modificări epigenetice Studiile longitudinale au arătat că atât răspunsul corticosteroid cât şi cel dopaminergic la stress la omul adult sunt relaţionate cu grija parentală din copilărie, grijă percepută subiectiv de către aceştia. Experienţele aversive precoce, din primul an de viaţă, s-a dovedit că inhibă plasticitatea creierului prin creşterea sensibilităţii la glucocorticoizi, diminuându-se astfel abilitatea girusului dentat al hipocampului de a răspunde la stress (Mirescu, Peters şi Gould, 2004). Şobolanii adulţi care au fost separati de mame în primele zile de viaţă au mai puţini transportori ai dopaminei (DAT) în corpii striaţi ventrali (nucleu accumbens). Acest deficit conduce la aceste animale la un răspuns dopaminergic crescut şi mai persistent in condiţii de stress. Similar, oamenii adulţi care raportează relaţii familiale sărace au o secreţie de dopamină mai crescută la expunerea la stresori în condiţii de laborator (Pruessner şi colab., 2004). Expunerea la experienţe stresante scade numărul de noi neuroni în hipocamp. Stresul apărut în perioada de creştere poate altera permanent producerea de noi neuroni, acest efect continuând şi în perioada adultă. Activarea de către stres a axei HPA scade producerea de noi neuroni în hipocamp datorită efectului cortizolului (Gould şi Gross, 2002). Studiile realizate pe animale de laborator, precum cele ale lui Poeggel şi colab. (2003), au evidenţiat modificări ale neuronilor şi dendritelor în cortexul cingulat anterior, hipocamp şi amigdala mediană la şoareci după separări repetate parentale la vârsta de 3 săptămâni. Astfel, ei au găsit o creştere a densităţii dendritelor din hipocamp, şi reducerea semnificativă a dendritelor din nucleul median al amigdalei (nucleul median este implicat în memoria socială şi ataşament). Separarea maternă în copilărie este asociată cu o creştere a densităţii terminaţiilor nervoase în neuronii din hipocamp observată la şoarecii adulţi, iar stresul acut sau cronic alterează densitatea terminaţiilor nervoase ale neuronilor hipocapali la şoarecii adulţi. Studiile realizate pe şobolani au evidenţiat faptul că abuzul la vârste precoce (între ziua 8 şi 12 postpartum) induce deficite în comportamentul social vizibile chiar şi în această perioadă imediat de după naştere. Totuşi, simptomele de depresie se observă doar la adolescenţă. Deci comportamentul social

71 deficitar din primul an de viaţă poate fi o cauză a psihopatologiei ulterioare (Raineki şi colab., 2012). Studiile realizate pe copii ȋn vârstă de 12 ani instituţionalizaţi, au arătat că există o activare semnificativă a sistemului nervos simpatic şi a axei HPA doar la cei care au fost instituţionalizaţi ȋntre 18 şi 24 de luni. Aceste date sugerează că există o perioadă critică şi la oameni ȋn care mediul este capabil să altereze sistemele neuronale care răspund la stres (McLaughlin, Sheridan, Tibu, Fox, şi colab., 2015). Figura 31. Axa HPA Există la şoareci o perioadă între ziua a 5-a postnatală şi ziua 21 când receptorii 5-HT1A din hipocamp şi cortex sunt esenţiali în stabilirea unui răspuns normal la stimuli stresanţi, iar blocarea lor în această perioadă conduce la comportamente anxioase (Gross şi colab., 2002). Aceşti şoareci ajunşi la maturitate prezentau comportamente emoţionale anormale (Ansorge şi colab., 2004). Într-un studiu longitudinal, Burghy şi colab. (2012) au descoperit că, în cazul fetelor, un stres mai puternic în primul an de viaţă prezice un nivel mai crescut de cortizol la 4,5 ani, care la rândul lui prezice o mai slabă conectivitate în stare de repaus între amigdală şi ventro-medianul prefrontal la 18 ani. La fete, conectivitatea funcţională în stare de repaus este invers corelată cu simptomele de anxietate şi corelează pozitiv cu simptomele de depresie, sugerând căi de dezvoltare diferite pornind de la nivelul crescut de cortizol din copilărie la conectivitatea amigdală-ventromedianul prefrontal şi de aici la anxietate şi depresie (Burghy şi colab., 2012).

72 Figura 32. Zona subgenuală la om Zona limbică a cortexului cingulat anterior (subgenuală la om) prezintă cele mai puternice modificări sinaptice ca urmare a separărilor parentale repetate, în timp ce alte zone limbice cum ar fi hipocampul şi amigdala prezintă efecte mai subtile (Poeggel şi colab., 2003) De asemenea, aceste modificări din timpul perioadei de stress conduc la o scădere a activităţii metabolice din cingulatul anterior dorsal şi din hipocamp, iar eliberarea de hormoni, neurotransmiţători (adrenalină, noradrenalină, dopamină şi glutamat), factori de creştere (BDNF) şi inducţia unor gene pot fi parte din maşinăria moleculară ce induce modificările sinaptice menţionate (Poeggel şi colab., 2003). Aceste rezultate demonstrează că experienţele stresante repetate alterează echilibrul inputurilor sinaptice excitatorii în neuronii piramidali din sistemul limbic şi formaţiunilor paralimbice. Asemenea modulări induse de către stress pot influenţa viaţa emoţională şi psihosocială ulterioară. Factorii din mediu care apar la vârste precoce pot modifica structura cromatinei şi altera astfel exprimarea unor gene la vârsta adultă, în felul acesta genomul reacţionând la experienţe. La animale, o creştere a activării HPA şi a răspunsului la stimuli noi sunt asociate cu expresia alterată a genei care encodează CRH şi receptorii glucocorticoizilor (GR). Răspunsul crescut al HPA este probabil mediat de o sensibilitate la feedback redusă faţă de corticosteronul sangvin, sensibilitate rezultată din densităţi mai reduse ale receptorilor glucocorticoizilor din hipocamp (Pruessner şi colab., 2004). Implicaţiile sunt răspunsul la stress mediat de aceşti receptori care este fixat epigenetic la nivelul transcripţiei genei respective (Bird, 2007). Iar aceste modificări comportamentale ale puilor, se transmit la urmaşii lor deşi genomul moştenit este unul care i- ar predispune la stress şi anxietate, comportamentul este similar cu cel produs de un genom care îi protejează de stres (Levenson şi Sweatt, 2005). Stresorii din mediu s-a descoperit că alterează controlul epigenetic şi asupra transcripţiei genei transportorului serotoninei conducând la afectări de durată ale circuitelor menţionate şi a rezistenţei la stress (Canli şi Lesch, 2007). În hipocamp, separarea de mamă induce modificări în dendritele neuronilor serotonergici (Poeggel şi colab., 2003). S-a stabilit că finalul celei de a doua săptămâni postnatale şi