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Malattia di Huntington: le evoluzioni delle ipotesi patogenetiche dopo 30 anni

Introduzione

La malattia di Huntington è una malattia ereditaria e neurodegenerativa con sintomi fisici, cognitivi ed emotivi devastanti. In tutto il mondo, circa una persona su 7000 può sviluppare la malattia di Huntington. La malattia di Huntington è causata da una mutazione nel gene che codifica la proteina chiamata huntingtina (Htt). Attualmente non esiste una terapia disponibile per alterare il decorso della malattia. L’unico farmaco disponibile, la tetrabenazina, serve unicamente ad avere un certo controllo dei sintomi neurologici o psichiatrici. Sono al vaglio le ipotesi dello stress ossidativo e della possibilità di frenarlo attraverso molecole o farmaci antiossidanti.

Non a caso, è stato recentemente scoperto che una porzione della proteina huntingtina, chiamata dominio N17, è un sensore per i radicali liberi ossidanti. Ma la maggior parte degli studi fino a 5 anni fa si sono concentrati sulla tossicità di questa proteina mutata, attraverso l’ipotesi degli aggregati proteici simili alla proteina beta-amiloide dell’Alzheimer. L’aggregazione proteica nelle malattie neurodegenerative non è esclusiva delle malattie da poliglutammina ed è un tema comune con altre malattie amiloidi, comprese le encefalopatie spongiformi trasmesse, il morbo di Parkinson e il morbo di Alzheimer. Le malattie da poliglutammina sono state spesso storicamente considerate malattie da amiloide.

La teoria amiloide-simile

Con l’identificazione delle ripetizioni CAG espanse del gene dell’atrofia muscolare spinale e bulbare legata all’X (SBMA o malattia di Kennedy) presso il recettore degli androgeni nel 1991, seguito dal gene della malattia di Huntington (HD) nel 1993 e dalla clonazione del gene dell’atassia spinocerebellare di tipo 1 (SCA1), il tratto poliglutaminico espanso come risultato di un’espansione del DNA CAG è diventato al centro di intenso interesse per i ricercatori in queste malattie. In quel periodo apparvero due documenti fondamentali che presentavano ipotesi riguardanti il ​​meccanismo patogeno dell’espansione delle poliglutamine. Uno era del premio Nobel Max Perutz, che dimostrava il concetto di interazioni “cerniera polare” della poliglutammina con i gruppi laterali dei residui di glutammina. Perutz si è concentrato sul fatto che la genetica di alcune (ma non tutte) malattie da poliglutammina ha dimostrato che la durata minima dell’espansione della poliglutammina richiesta per la malattia era di 37 ripetizioni. Soltanto una lunghezza di ripetizione superiore a 37 portava a un esordio precoce della malattia.

Quel documento ha dimostrato che la sola poliglutamina era tossica per Escherichia coli e le cellule ovariche di criceto cinese e ha concluso che la poliglutammina aveva la capacità di adottare una struttura β-foglio pieghettata che potrebbe causare uno spostamento delle molecole d’acqua e quindi rendere la proteina insolubile. Questa teoria era coerente con il guadagno di funzione genetica osservato con la proteine ​​mutante atassina-1 nell’atassia spinocerebellare (SCA) di tipo 1 e in altre malattie da poliglutammina. Si prevedeva che le cerniere polari formassero interazioni più strette con l’aumento della lunghezza della poliglutamina, influenzando così potenzialmente la gravità della malattia. Coerentemente con questa ipotesi, non si osservano aggregati di proteine ​​nelle proteine ​​che esprimono la poliasparagina, un amminoacido che differisce dalla glutammina per un solo gruppo metilico. Sebbene ciò che esattamente gli aggregati di poliglutammina stessero facendo per innescare la tossicità non è stato ipotizzato dagli autori, hanno concluso che questa proprietà tossica era universale per tutti i tipi di cellule e specie.

Il secondo documento fondamentale riguardante la previsione dell’aggregazione delle proteine ​​della malattia da poliglutammina è stato il rapporto sul primo modello di topo Huntingt che utilizza la tecnologia di inserimento transgenico. Per questo studio, gli autori hanno espresso il primo esone dell’huntingtina umana mutante come transgene nel topo, esprimendo così il tratto poliglutaminico espanso. Le risultanti linee di topo “R6 / 2” hanno sviluppato una grave malattia in sole 3 settimane e evidenti disturbi del movimento che assomigliavano alla corea vista nell’Huntington, così come una certa perdita di massa cerebrale e perdita di peso corporeo totale. L’imaging di frammenti di cervello di questi topi ha rivelato l’abbondanza di inclusioni ricche di ubiquitina di frammenti di huntingtina in molte aree del cervello, suggerendo che queste inclusioni potrebbero essere l’innesco tossico della morte cellulare e della disfunzione che porta al fenotipo simile alla malattia in questi topi. Come risultato di questi due articoli, la ricerca sull’Huntington si è concentrata su quale fosse il guadagno di funzione degli aggregati di poliglutammina.

Il lavoro pubblicato su questo piccolo frammento di Htt ha implicato il suo ruolo nel sequestrare importanti proteine ​​negli aggregati, nel bloccare il traffico delle vescicole cellulari, nell’inibire la corretta funzione del proteasoma e nella titolazione tossica degli chaperoni dal resto della cellula. L’importante distinzione di questo lavoro è che definiscono gli aggregati mutanti di Htt come proteine ​​statiche, ripiegate in modo errato e precipitate, che il meccanismo cellulare di eliminazione ha un problema nel trattare. Il tema centrale è che la natura tossica dell’Htt dipende dalla formazione di “aggregati” proteici. Sebbene queste inclusioni ricche di ubiquitina siano evidenti nei modelli murini dell’esone 1 dell’huntingtina e in altri modelli HD a piccoli frammenti, possono essere eliminate nei modelli di espressione condizionale che correggono il fenotipo della malattia a normale, sia per i modelli dell’esone 1 dell’huntingtina che per i modelli SCA1. I modelli di espressione condizionale sono i più promettenti per il trattamento di queste malattie, il che implica che anche al punto di un fenotipo grave, gli effetti tossici possono essere invertiti interrompendo la produzione della proteina mutante.

Nei modelli murini genetici Htt a lunghezza intera, gli aspetti del fenotipo della malattia sembrano più simili alla malattia umana, ad eccezione della perdita specifica di cellule striatali. Questi modelli hanno causato un ripensamento sugli aggregati nella malattia da poliglutamina, aumentando la possibilità che, sebbene possano essere visti nei modelli di malattia indotta e nei cervelli in vivo, potrebbero non essere il fattore scatenante patogeno della malattia. Uno dei problemi concettuali riguardanti la patologia degli aggregati nei modelli dell’esone 1, è che i meccanismi patogeni implicati non spiegano la specificità della malattia in alcune popolazioni neuronali. Molte delle proteine ​​della malattia da poliglutammina sono espresse in molti tipi di cellule, anche al di fuori del cervello, ma la patologia è tipicamente limitata alla perdita di cellule specifiche in alcune aree del cervello. L’esempio più eclatante di questo è nell’atassia SCA17, dove la proteina interessata è la proteina legante la TATA box (TBP), che è in tutte le cellule e serve per l’inizio della trascrizione della RNA polimerasi II nella maggior parte dei promotori. Però, si manifesta solo come atassia quando espansa oltre le 60 ripetizioni.

SCA17 sfida molti aspetti delle ipotesi riguardanti la tossicità delle poliglutamine, poiché la proteina TBP ha lunghezze del tratto poliglutaminico polimorfico normali che possono superare le 40 ripetizioni senza malattia ed è una normale proteina nucleare. La manifestazione delle nove malattie umane specifiche sfida il concetto che l’espressione espansa della poliglutammina da sola sia tossica per tutte le cellule. Ci sono altre proteine nucleari che possiedono dei domini di poliglutammina, ad esempio ATRX e RERE; esse hanno normali funzioni nel nucleo e non sono affatto patologiche. Quindi la tossicità in casi di espansione poli-glutammina può essere benissimo dipendente dal tipo cellulare, anche all’interno di tutte le stesse aree cerebrali. Non si sono rivelate anomalie periferiche in altri organi nei pazienti con morbo di Huntington, il che fa pensare che al di fuori del cervello la Htt mutata non trovi altri partners proteici con cui interagire per esplicare tossicità. Oppure, la sua eliminazione può essere normale perché le cellule in periferia (es. fegato, reni, cuore, intestino, muscoli, ecc.) hanno proteasi o sistemi di eliminazione specifica che le cellule neuronali non esprimono.

Le nuove teorie non amiloidee

Circa quattro anni fa dei ricercatori della McMaster University ha scoperto che esiste un tipo unico di segnalazione proveniente dal DNA danneggiato, che segnala l’attività della huntingtina nella riparazione del DNA e che questa segnalazione è difettosa nella malattia di Huntington. Il team ha sviluppato una nuova teoria che è stata accolta favorevolmente per aver promesso di aprire nuove strade allo sviluppo di farmaci per la condizione. Il concetto è che se la molecola di segnalazione di nuovo in eccesso viene applicata, anche oralmente, questa segnalazione può essere ripristinata nel cervello del topo della malattia di Huntington. Il risultato è stato che è stata aggiustata la modifica dell’huntingtina non osservata nel huntingtina mutante nel morbo stesso. Usando questa ipotesi, il gruppo di studio ha scoperto una molecola chiamata N6-furfuril-adenina, derivata dalla riparazione del danno al DNA, che ha corretto il difetto osservato nel huntingtina mutante.

Il professor Ray Truant, autore senior dello studio nel Dipartimento di Biochimica e Scienze biomediche presso McMaster, ha dedicato la sua carriera alla ricerca sulla malattia di Huntington e su come la mutazione porti al suo sviluppo. Il suo laboratorio fu il primo a dimostrare che l’huntingtina normale era coinvolta nella riparazione del DNA. Nel 2013 il suo team ha pubblicato uno studio che dimostrava la presenza di un motivo di entrata nucleare (NLS) sulla Htt, che permette di interagire con le proteine Ran e CRM1 sulla membrana nucleare. Questo ha confermato che esiste un razionale sul perché la proteina Htt si trova anche nel nucleo cellulare, oltre che nel citoplasma. Tuttavia, è possibile che la Htt mutata diventi tossica con l’età perché la sua mutazione non le permette di entrare bene nel nucleo come farebbe una Htt normale. Secondo il team del professor Truant, può essere eccessivamente semplicistico considerare il nucleo o il citoplasma come unici siti di tossicità.

Invece, il problema principale potrebbe essere l’incapacità di spostarsi in modo efficiente tra i due compartimenti, causando un’interruzione della segnalazione cellulare. L’interruttore di risposta allo stress mediato dall’huntingtina può quindi essere bloccato in uno stato di attivazione o disattivazione, perdendo la sua capacità di passare dinamicamente tra i due. L’aspetto interessante di questa ipotesi è che implica che questa funzione dell’huntingtina è più importante con l’invecchiamento del cervello umano, durante il quale è noto che gli stress metabolici aumentano, insieme alla diminuzione dell’efficienza mitocondriale. Come conseguenza, si sa che aumentano i famosi Readicali liberi che causano stress ossidativo. Questa ipotesi è avvalorata da studi pubblicati dal professor Truant nel 2019, che dimostrano come l’ossidazione della mHtt nel suo dominio N17 faciliti la sua interazione con la proteina HMG-B1, una proteina che serve alla stabilità dei cromosomi.

Ecco perché il professor Truant crede che i radicali liberi siano uno stress critico dell’età che innesca l’accumulo nucleare di Htt mutante nella malattia di Huntington. Egli sostiene che la tradizionale e controversa ipotesi di misfolding dell’amiloide / proteina, in cui un gruppo di proteine ​​si uniscono formando depositi cerebrali, è probabilmente il risultato della malattia, piuttosto che la sua causa. Infatti, la malattia non è ad esordio pediatrico o giovanile, bensì parte dall’età di giovane adulto ovvero dai 40-45 anni in su. Questa è la prima nuova ipotesi per la malattia di Huntington in 25 anni che non si basa sulla versione dell’ipotesi amiloide, che ha invece costantemente fallito nello sviluppo di farmaci per altre malattie.

Perché gli astrociti partecipano alla sindrome Huntington?

Gli astrociti sono componenti critici dei circuiti neurali e sono noti per essere coinvolti nei disturbi cerebrali. Gli astrociti possono rappresentare circa il 40% di tutte le cellule cerebrali e tappezzano il sistema nervoso. Sono stati compiuti progressi nella decifrazione del contributo degli astrociti al sistema nervoso sin dai primi studi elettrofisiologici circa 50 anni fa. I ruoli stabiliti, proposti e dibattuti per gli astrociti includono accoppiamento neuro-vascolare, stabilizzazione della barriera ematoencefalica, regolazione della funzione sinaptica, omeostasi ionica, clearance dei neurotrasmettitori, supporto metabolico dei neuroni, regolazione delle forme d’onda del potenziale d’azione, plasticità sinaptica e persino la regolazione del sonno. Inoltre, è ormai ben stabilito che gli astrociti rispondono a tutte le forme di lesione, trauma e infezione tramite un processo chiamato astrogliosi.

Un segno distintivo della patologia neuronale nel morbo di Huntigton è la presenza di aggregati mHTT intracellulari. Tuttavia, le inclusioni sono presenti anche negli astrociti corticali e striatali e rilevate nella stessa misura dei neuroni nel tessuto dei pazienti ad esordio adulto, sebbene le inclusioni neuronali siano generalmente più grandi. Diversi studi pionieristici sui roditori che esprimono mHTT specificamente negli astrociti, suggeriscono che la disfunzione degli astrociti contribuisce direttamente alla patologia della MH. L’espressione eterologa di mHTT utilizzando i lentivirus in vivo, ha riprodotto molte delle caratteristiche morfologiche osservate nei campioni umani, suggerendo che i cambiamenti osservati negli astrociti dei pazienti con malattia di Hutington sono autonomi delle cellule e forse non il risultato di danni neuronali.

L’espressione di mHTT negli astrociti ha provocato la morte di neuroni striatali co-coltivati. Nel proencefalo di roditori adulti, circa il 90% dell’assorbimento del glutammato avviene tramite il trasportatore elettrogenico ad alta affinità noto come EAAT2 o GLT1 (nome del gene Slc1A2), che è altamente espresso negli astrociti. Un risultato coerente tra più studi su tessuto post-mortem Huntington umano è la perdita di GLT1. La perdita di GLT1 è aumentata con la gravità della malattia, ma è già sostanzialmente ridotta del ~ 40% nei campioni di Grado 0 rispetto ai controlli sani, rendendo questa la prima disfunzione astrocitaria rilevata nei pazienti affetti. Ricordando anche i risultati dei tessuti post-mortem umani, le inclusioni nucleari sono presenti negli astrociti nei modelli murini della malattia

Poiché la malattia di Huntington è anche caratterizzata da una marcata diminuzione della densità delle sinapsi glutamatergiche nello striato dorsale, sorge una domanda: in quale misura la riduzione osservata nell’assorbimento del glutammato può essere un adattamento alla perdita del rilascio di glutammato sinaptico, o un fattore di rischio che può essere eliminato da nuove terapie per la condizione? Le alterazioni correlate al GLT1 nella trasmissione sinaptica sosterrebbero quest’ultima possibilità, specialmente se i cambiamenti portano a una significativa perdita della coerenza corticostriatale o alla comparsa di impulsi elettrici spontanei a riposo. Mentre nei topi normali il trasporto del glutammato non è quasi mai sopraffatto, l’assorbimento e la perdita del glutammato rallentati a livello delle sinapsi sono ora presi in considerazione in alcuni meccanismi di plasticità sinaptica e in condizioni neurologiche, inclusa la malattia di Huntington.

Come si vede da quanto esposto nel presente, da una originale ipotesi amiloidea quasi sovrapponibile alla malattia di Alzheimer, l’avanzamento delle conoscenze ha fatto evolvere anche le più dogmatiche evidenze iniziali. Ed è un bene, perché è l’evoluzione che da sempre ha facilitato la specie umana. In tutto.

  • a cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.

Pubblicazioni scientifiche

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Dott. Gianfrancesco Cormaci
- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry residency in 2002) - Dottorato in Neurobiologia nel 2006 (Neurobiology PhD in 2006) - Ha soggiornato negli Stati Uniti, Baltimora (MD) come ricercatore alle dipendenze del National Institute on Drug Abuse (NIDA/NIH) e poi alla Johns Hopkins University, dal 2004 al 2008. - Dal 2009 si occupa di Medicina personalizzata. - Guardia medica presso strutture private dal 2010 - Detentore di due brevetti sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento immunologicamente neutralizzata (owner of patents concerning the production of bakery gluten-free products, starting from regular wheat flour). - Responsabile del reparto Ricerca e Sviluppo per la società CoFood s.r.l. (leader of the R&D for the partnership CoFood s.r.l.) - Autore di un libro riguardante la salute e l'alimentazione, con approfondimenti su come questa condizioni tutti i sistemi corporei. - Autore di articoli su informazione medica e salute sui siti web salutesicilia.com, medicomunicare.it e in lingua inglese sul sito www.medicomunicare.com
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