Sulla patogenesi dell'Alzheimer

N.B. Questo articolo è una traduzione a grandi linee di un articolo originale che si può visualizzare con il link seguente: http://acbjournal.org/Synapse/Data/PDFData/1049ACB/acb-43-332.pdf e a cui si rimanda per le References.

Il morbo di Alzheimer (Alzheimer’s Desease, AD) è la più comune causa di demenza in età senile. Regioni del cervello adibite all’apprendimento, alla memoria e al comportamento emotivo  corteccia entorinale, ippocampo, amigdale, telencefalo basale) si riducono di volume nei pazienti affetti da AD come risultato della degenerazione sinaptica e infine per la morte delle cellule neuronali. Le caratteristiche molecolari della patologia consistono in grovigli neurofibrillari intracellulari e in placche amiloidi extracellulari (Ab). Nonostante l’influenza di vari fattori genetici e ambientali, come l’invecchiamento ,nell’esordio dell’AD, diverse prove derivanti da studi su modelli sperimentali e su tessuto cerebrale affetto da AD hanno dimostrato che la neurodegenerazione che soggiace alla AD è associata a caratteristiche morfologiche e biochimiche dell’apoptosi.  Studi sull’uomo hanno mostrato una significativa condizione patologica delle sinapsi nell’AD e hanno identificato la perdita delle sinapsi come principale causa della deficienza cognitiva nella malattia. Tra i meccanismi di morte cellulare, l’apoptosi è stata proposta per spiegare la perdita di cellule osservata in molti disordini neurodegenerativi.  Vi sono due vie principali dell’apoptosi, la via intrinseca e la via estrinseca. Nella via intrinseca l’interazione tra la proteina anti-apoptotica Bcl2 e la proteina pro-apoptotica Bax gioca un ruolo chiave nell’attivazione dei segnali apoptotici che coinvolgono i mitocondri con il rilascio del citocromo C. Successivamente l’iniziatore caspasi-9 è attivato e può condurre l’attivazione della caspasi esecutiva, principalmente caspasi-3. L’attivazione della caspasi-3 porta la cellula a distruzione attraverso proteolisi.

Vie dell'apoptosi

Le Neureguline (NGRs) sono altamente espresse nel sistema nervoso, mentre ErbB4 (un recettore di NGR) è molto espresso nei neuroni durante lo sviluppo del cervello. NGR1 e il suo recettore ErbB tirosina chinasi sono espressi non solo nel sistema nervoso in sviluppo, ma anche nel cervello adulto. Inoltre  la funzione di NGR1 è largamente mediata da una classe di recettori tirosina chinasi che includono ErbB2, ErbB3 e ErbB4. Tra i recettori ErbB, ErbB4 sembra essere il mediatore primario della funzione di NRG1 nel sistema nervoso centrale. Recenti studi biochimici indicano che ErbB4 è presente maggiormente nelle PSD delle sinapsi eccitatorie e nei terminali presinaptici GABAergici della corteccia cerebrale. In più, nell’ippocampo, l’mRNA di NRG1 è espresso nell’area CA3, una regione presinaptica per CA1 che mostra espressione di ErbB4. NRG1, inoltre, può essere neuroprotettiva per i neuroni corticali, i neuroni motori, i neuroni dopaminergici, i neuroni sensoriali della coclea e le cellule PC12. Queste scoperte suggeriscono che il segnale NGR1/ErbB4 potrebbe essere importante nei processi cognitivi, di apprendimento e formazione della memoria attraverso la modulazione della plasticità sinaptica e la sopravvivenza neuronale ed è una molecola critica nelle malattie neurodegenerative.

Immunoreattività a ErbB4 e Bax in neuroni apoptotici dell'ippocampo in pazienti affetti da AD e confronto con campione di controllo.

La regolamentazione della famiglia delle proteine ​​Bcl-2 è fondamentale per il mantenimento dell'integrità e della funzione mitocondriale in tal modo di decidere il destino di una cellula in seguito a stress severo. (Il peptide Aβ1-42 induce la morte delle cellule nel neuroblastoma umano per l'attivazione della caspasi-3, inizialmente tramite un aumento di rapporto Bax/Bcl-2. Inoltre l’induzione di Bcl2 e Bax ha dimostrato di essere collegata all’iperfosforilazione di tau e alla morte neuronale indotta da acido okadaico nel cervello di ratto). Studi di espressione genica ad ampio spettro hanno dimostrato analoga deplezione dei membri anti-apoptotici del gene della famiglia Bcl-2 nell'ippocampo affetto da AD e nella neocorteccia superiore del lobo temporale e uno spostamento verso l'espressione più pro-apoptotica della famiglia Bcl-2 specie Bax,Bad, Bid e Bik. Nonostante ciò l’immunoreattività a ErbB4 si riscontra insieme a quella per Bax nei neuroni piramidali apoptotici delle zone dell’ippocampo. Recentemente, ErbB4 ha dimostrato di giocare un ruolo chiave nella maturazione, in seguito ad attivazione, e nella plasticità della funzione sinaptica eccitatoria. Inoltre è stato dimostrato che NRG1 attiva ErbB4 e regola la trasmissione GABAergica nel cervello adulto. E’ stato dimostrato che l’immunoreattività di ErbB4 e NRG1 è associata a placche neuritiche in cervello affetto da AD così come in un modello transgenico di AD. NGR dunque può svolgere un ruolo nella plasticità sinaptica, il mantenimento e la regolazione della struttura sinaptica, o combinazioni di queste funzioni nel cervello dell’adulto.  L'immunoreattività ErbB4 è risultata significativamente aumentata nel cervello umano affetto da AD e colocalizzata con Bax in neuroni piramidali apoptotici delle regioni ippocampali. Tuttavia, se l'aumento di immunoreattività di ErbB4 o la colocalizzazione di ErbB4 con Bax in neuroni piramidali apoptotici siano stati coinvolti in pathway di sopravvivenza o di morte non è stato dimostrato. Indipendentemente da ciò, risultati in vitro di AD sperimentale hanno mostrato chiaramente che è necessario ErbB4 per la tutela di NRG1 nella morte delle cellule neuronali. Simile a APP, ErbB4 è un substrato per la γ-secretasi e, come tale, presenta una prima scissione per mezzo di TACE e rilascia un peptide solubile extracellulare che contiene il sito di legame per NRG1 (ecto-ErbB4). Il frammento rimanente di 80 kDa che rimane ancorato alla membrana plasmatica (cioè ErbB4-CTF) è ulteriormente scisso da una γ-secretasi presenilina-dipendente nel suo dominio transmembrana e in un dominio intracellulare (ErbB4-ICD) che viene rilasciato e che trasloca nel nucleo e regola la trascrizione. 

L’immunostaining di ErbB4  è significativamente aumentata nel nucleo, suggerendo che la scissione della presenilina-dipendente di ErbB4 può essere coinvolta nella progressione della patologia AD. Ulteriori analisi del ruolo della NRG1 in AD potrebbe essere utile nella comprensione della patogenesi di AD stessa. Collettivamente, gli studi mostrano chiaramente che l’immunoreattività ErbB4 è significativamente aumentata nel cervello affetto da AD, rispetto ai controlli di pari età e che l’immunoreattività di ErbB4 è colocalizzata con Bax in neuroni piramidali apoptotici dell'ippocampo, suggerendo che la segnalazione NRG1/ErbB4 possa servire come un segnale di sopravvivenza in progressione di AD.

Regolazione patologica delle spine dendritiche delle cellule di Purkinje

La concentrazione intracellulare del Ca^2+   è coinvolta nelle principali funzioni neuronali e viene regolata da canali ad esso permeabili o da proteine con la capacità di legarlo alla propria struttura. I canali del Ca^2+ voltaggio dipendenti (VDCC) sono i regolatori principali della concentrazione di questo ione nel neurone.  Essi sono composti da una subunità a1  che descrive un poro nella membrana ed è voltaggio sensibile e da altre subunità accessorie (β,γ,δ,a2); vengono inoltre distinti in base alle caratteristiche farmacologiche ed elettrofisiologiche della loro subunità  in L, N, P/Q e R. Il tipo P/Q è espresso nel SNC, in particolare nelle cellule del Purkinje e nelle cellule dei granuli della corteccia cerebellare. Delle mutazioni a carico di questo canale sono collegate a diversi disturbi neurologici nell’uomo come l’atassia spino-cerebellare di tipo 6, l’emicrania emiplegica familiare e l’atassia episodica di tipo 2. 

Il topo “rolling Nagoya” (Cacna1a^tg.rol) presenta una mutazione puntiforme spontanea al segmento S4 voltaggio sensibile della subunità a1a. Recenti studi di elettrofisiologia[1] hanno rivelato che in questi topi avviene una diminuzione dell’ampiezza del PPSE nelle sinapsi che le Purkinje compiono con le fibre parallele e un aumento del PPSE nelle sinapsi tra le stesse Purkinje e le fibre rampicanti. Attraverso l’utilizzo di un HVEM[2] (high voltage electron microscope) sono state osservate nei topi “rolling Nagoya” numerose spine dendritiche là dove nei topi sani sono per lo più assenti, ovvero sui dendriti prossimali delle cellule di Purkinje; queste inoltre fanno sinapsi con le fibre rampicanti. Sull’arborizzazione dendritica terziaria invece la densità e la dimensione delle spine dendritiche risultano minori rispetto a condizioni normali e persino la loro forma ed orientamento si presentano più irregolari. Prendendo in considerazione uno  studio di Segal et al.[3], uno dei principali fattori che modulano la morfologia delle spine dendritiche è la concentrazione del Ca^2+ intracellulare: un moderato aumento della sua concentrazione aumenterebbe il numero e la dimensione delle spine dendritiche, al contrario basse o alte concentrazioni porterebbero alla soppressione delle stesse. La concentrazione di Ca^2+ nei dendriti terziari delle cellule di Purkinje dei topi “rolling Nagoya” risulta diminuita in conseguenza all’inefficienza del canale del  P/Q  e ciò concorda con la scomparsa delle spine dendritiche a questo livello e il conseguente calo del PPSE.  Le spine ectopiche sui dendriti prossimali delle cellule di Purkinje possono spiegare su basi morfologiche l’aumento del PPSE nelle sinapsi delle cellule di Purkinje con le fibre rampicanti, in quanto offrono una maggiore superficie in qualità di elemento post-sinaptico. La presenza di spine ectopiche può essere a sua volta spiegata dall’alterata omeostasi del Ca^2+, la mutazione del canale P/Q viene compensata in vari modi: con una maggiore attività dei canali del Ca^2+, del tipo N e L, con la modulazione di proteina leganti Ca^2+ e la down-regulation di canali del Ca^2+ intracellulari come RyR1. Le indagini morfologiche nei topi “rolling Nagoya” hanno rivelato inoltre alterazioni caratteristiche delle sinapsi tra le varicosità delle fibre parallele e le spine dendritiche delle cellule di Purkinje, queste sinapsi vengono contratte infatti tra una sola varicosità della fibra parallela con più di 3 spine dendritiche. La diminuzione del PPSE nelle sinapsi tra cellule del Purkinje e fibre parallele, causata dalla diminuzione delle spine dendritiche delle Purkinje stesse, indurrebbe la formazione di queste sinapsi multiple attraverso una ipertrofia delle varicosità.

La morfologia delle spine dendritiche delle cellule di Purkinje e di conseguenza la microcircuiteria principale del cervelletto è il risultato di un’orchestrazione che avviene tra l’omeostasi del calcio e le due maggiori afferenze eccitatorie: le fibre rampicanti e le fibre parallele

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[1] Matsushita et al. (2002) Purkinje cell spines of rolling mouse Nagoya. J Neurosci 22: 4388-4398

[2] Sen-Ich Oda et al. (2010) Differential regulation of Purkinje cell dendritic spines in rolling mouse Nagoya. Abc.2010.43.3.211

[3] Segal et al. (2000) Dendritic spines formation and pruning: common cellular mechanisms? Trends Neurosci 23: 53-53

Corea di Huntington

"bisogna avere il caos dentro di sé per partorire una stella danzante" F.W.Nietzsche

Questo particolare tipo di corea a carattere ereditario prende il nome da un giovane medico di Long Island, George Huntington, il quale nel 1871, osservando un padre e un figlio che camminavano davanti a lui tenendosi per mano e agitati da movimenti bizzarri e involontari, intuì il carattere ereditario della malattia distinguendola dalle forme non ereditarie di corea.
La corea di Huntington è una malattia neurodegenerativa ereditaria a trasmissione autosomica dominante. Nonostante la malattia sia congenita, l'insorgenza è spesso tradiva, i primi sintomi infatti compaiono tra i 30 e i 45 anni e porta alla morte entro 10-15 anni dall'esordio.
Il quadro clinico è caratterizzato da movimenti involontari che interessano qualsiasi porzione del corpo con l'aspetto di danza, donde il nome corea; sopraggiunge negli stadi più avanzati disartria e quindi incomprensione del linguaggio e impossibilità della deglutizione.
La malattia è caratterizzata inoltre dalla morte cellulare dei neuroni di medie dimensioni del caudato e del putamen e quindi dalla compromissione della proiezione GABAergica striato-pallidale e del sistema colinergico intrastriatale. La distruzione della proiezione GABAergica diretta al segmento esterno del globo pallido libera quest'ultimo dall'inibizione permettendo dunque lo sviluppo dell'ipercinesia.
L'apoptosi dei neuroni dello striato sarebbe causata da agglomerati di una particolare proteina, l'huntingtina (348 kD). Il gene codificante per questa proteina si colloca sul braccio corto del cromosoma 4 e nella corea di Huntington presenta la ripetizione anomala, da 36 a 120 contro le 10-30 ripetizioni dei soggetti normali, di triplette CAG codificanti per la glutammina. L'huntingtina in condizioni normali stimola la produzione di BDNF  (Brain Derived Neurotrophic Factor) avendo come bersaglio una sequenza di 55 paia di basi che ha funzione di interruttore nei confronti del gene di BDNF e altri 20 geni fondamentali per la sopravvivenza dei neuroni. Nella malattia la mutazione dell'huntingtina fa perdere alla proteina questo importante controllo sull'interruttore bersaglio e il BDNF non viene più prodotto. Inoltre l'huntingtina mutata forma degli agglomerati citotossici che vengono accumulati nel nucleo finché non si giunge a morte cellulare programmata.
Non vi è una terapia efficace. Nei modelli animali, trapianti di tessuto striatale fetale nello striato affetto migliora le prestazioni cognitive. Inoltre è stato osservato che l'attività dell'enzima caspasi-1 è aumentata nei pazienti e negli animali affetti dalla malattia e che in topi mutanti privi di questo enzima la progressione della malattia è rallentata.

References:
Pontieri et Al., "Patologia Generale" ed. Piccin, 2010
Ganong, "Fisiologia Medica" ed Piccin, 2008
Stranding et al., "Anatomia del Gray" ed. Elsevier Masson, 2009

Si consiglia la visualizzazione di:
http://www.bio.davidson.edu/Courses/Molbio/MolStudents/spring2003/McDonald/Huntingtin.htm#Locating
http://www.aichroma.com/
http://www.nature.com/nrn/journal/v6/n12/full/nrn1806.html