Malattie neurodegenerative

Esse si caratterizzano per il fenomeno de "protein misfolding", cioè dell'alterato ripiegamento delle proteine che è dovuto a modificazione della struttura secondaria della proteina, che ne facilita l'aggregazione.

Alcune patologie specifiche hanno delle determinate proteine che si accumulano, vediamo quali:

-Malattia di Alzheimer Beta amiloide
-Encefalopatie spontiformi PrP sc
-Parkinsonismo alfa-sinucleina
-Malattia di Huntinton huntintina


Malattie da prioni

Il termine di prioni è stato conuiato per indicare agenti patogeni di natura proteina provvisti di proprietà infettanti, in grado di provocare una serie di encefalopatie degenerative dell'uomo e di alcuni aninali. Le proteine prioniche hanno la capacità di comportarsi quali agenti patogeni infettanti, cioè, pur essendo il risultato di una mutazione genica, sono capaci di moltiplicarsi nell'ospite e di indurre una patologia. La PrPsc (prione protein scrapie) è una proteina misfolded in cui si ha la conversione delle alfa eliche in foglietti beta. Questo cambiamento provoca un ripiegamento diverso della proteina che la rende insolubile e resistente alle proteasi. Nel cervello queste proteine misfolded causano il cambiamento della proteina prionica nativa, PrPc nella forma PrPsc.

Ripiegamento delle proteine

Lo stato nativo di una proteina non è sempre quello energicamente più stabile. Le proteine possono andare incontro ad un ripiegamento corretto ma corrispondente ad un minimo di energia libera, che è incline all'aggregazione. Gli aggregati sono strutture estremamente stabili. Il destino di una proteina è il risultato di una battaglia tra conformazioni stabilizzate da interazioni intramolecolari (stato nativo ed intermolecolari (stato aggregato).

Continuo ricambio proteico

Serve energia sia per la sintesi che per la degradazione 15-20% del bilancio energetico. La continua demolizione e sintesi sono fondamentali per degradare e rimpiazzare proteine danneggiat, per modificare la quantità relativa di differenti proteine in base alle necessita nutrizionali e fisiologiche, per un rapido adattamento metabolico.

La regolazione del turnover proteico è influenzata dallo stato nutrizionale (energetico e proteico), dagli ormoni, quali insulina, glucocorticoidi, ormoni tiroidei, ormone della crescita e citochine.

Il metabolismo proteico nell'organismo

Esso prevede:

- il ricambio quotidiano dell'1-2% delle proteine totali, per cui il 70-80% degli aminoacidi sono riutilizzati ed il 20-30% vengono metabolizzati; le proteine derivano dalla dieta per 70-80 g/die; proteine metabolizzate 250 g/die. Il ricambio proteico è per il 30-50% operato sulle proteine muscolari, il 25% per il fegato, leucociti ed emoglobina. Alcune proteine hanno un turnover veloce, per es. pochi minuti è l'emivita delle proteine regolatorie, 300 giorni il collageno.

Sistemi di proteolisi

La selezione delle proteine da lisare si basa sulla stabilità biologica della proteina stessa. Ogni proteina possiede una longevità caratteristica: alcune sopravvivono per minuti, altre per settimane, tutte indipendentemente dal loro tempo di sopravvivenza, vengono degradate dai proteasomi. La degradazione avviene previa marcatura con una piccola proteina altamente conservata, la ubiquitina.

L'ubiquitina come suggerisce il nome, è una proteina presente in tutti gli eucarioti, essa si lega alla proteina da degradare in una via ATP dipendente che utilizza 3 enzimi:

E1+ATP ->E1-Ubiquitina

E2 proteina di trasporto dell'ubiquitina

E3 lega l'ubiquitina attivata alla proteina da degradare

Come si riconoscono le proteina da eliminare.

Esse vengono riconosciute attraverso:

-aminoacido N-terminale destabilizzante:

Arg-2 minuti

Tyr, Glu-10 minuti

ile Gln-30 minuti

oppure stabilizzante

Met, GLy, Ala, Ser. Thr > 20 ore

-particolari sequenza di distruzione

Accade che la proteina marcata va al proteasoma, esistono delle proteine regolatorie in grado di riconoscere e selezionare le proteine ubiquitilinate, esse vengono degradate attraverso il legame con la subunità catalitica beta. Le attività catalitiche sono:

-tipo chimotripsina - aa idrofobici

-tipo tripsina -aa basici

-attività per aa acidi

L'attività del proteasoma è sotto il controllo ormonale

Gli ormoni coinvolti sono rappresentati da:

-Insulina che inibisce il proteasoma

-Glucocorticoidi che attivano il proteasoma, con azione coordinata per la mobilizzazione di aminoacidi muscolari e per la gluconeogenesi epatica

-Ormoni tiroidei che attivano il proteasoma

-Citochine che attivano il proteasoma per es. nelle sepsi, febbri, ustioni e cancro. Esse aumentano le proteine di fase acuta ed aumentano il catabolismo proteico delle miofibrille mediato da un aumento delle citochine TNF-alfa, IL-1, IL-6

Proteasoma e malattie neurodegenerative

Da demenze a malattie neurodegenerative

La demenza è solo un modo di esprimersi della neurodegenerazione, espressa da meccanismi comuni che appaiono condizionare il quadro clinico.

Malattia di Alzheimer

Esordio.

Può essere ad insorgenza precoce < 65 anni, più rara ed insorgenza tardiva, più frequente.

Eziologia

Riconosce fattori genetici nel 5-10% dei casi, sporadica e multifattoriale. E' la principale malattia neurodegenerativa che nell'esame post-mortem si caratterizza per il deposito di grovigli neurofibrillari e placche di beta-amiloide.

Quadro istopatologico.

Esso comprende:

-Placche neuroritiche, degenerazione neurofibrillare, microangiopatia e perdita di sinapsi.

Il quadro biochimico dell'Alzheimer

E' complesso, non c'è nessun meccanismo di trasmissione che possa giustificare la sua ereditarietà; è eterogeneo perchè le mutazioni ed i polimnorfismi nei geni multipli cono coinvolti insieme a fattori non genetici. è dicotomico perchè le mutazioni dell'Alzheimer familiare ad insorgenza precose sono rare, altamente penetranti, a trasmissione autosomica-dominante. Le mutazioni sono in:

presenil 1, precursore della proteina amiloide, presenil 2nell'Alzheimer precoce familiare

Polimorfismi in apoproteina E associati alla forma idiopatica.

Placche neuritiche

Si caratterizzano per deposizione di sostanza amiloide con neuriti distrodiche ed attivazione microgliale ed astrocitaria. La beta amiloide è costituita da 40-42 aminoacidi, derivante da proteolisi della proteine ABETAPP (ABETA Precursor Protein) che si aggregano a formare oligomeri, protofibrille e fibrille.

L'AbetaPP è una proteina transmembrana altamente conservata nella filogenesi. Il frammento secretorio ha proprietà neuroprotettive e neurotrofiche e favorisce l'adesione cellulare. La proteina che è precursore dell'amiloide viene nornalmente degradata per l'azione di una serie di proteasi, chiamata secretasi: alfa, beta e gamma secretasi che tagliano la proteina in sequenze specifiche. Queste proteasi sono sotto il controllo di due proteasi: le preseniline 1 e 2; mutazioni nelle preseniline alfa-beta e gamma secretasi o nella APP (precursore proteina amiloide) stessa determinano l'accumulo extracellulare di Ab e sono la causa della malattia. L'amiloide nei neuroni agisce attraverso recettori sulla membrana cellulare stimolando cambiamenti all'interno della cellula:

-anormale fosforilazione di tau

-aumento dello stress ossidativo

L'amiloide è in grado di generare radicali liberi che provocano danno alla membrana con conseguente degenerazione; cambiamenti mitocondriali nell'Alzheimer portano ad una fosforilazione ossidativa aberrante; l'amiloide può causare danni al DNA e/o dare origine ad apoptosi. Le preseniline nell'Alzheimer sono indispensabili nella processazione dell'AbetaPP mediata dalla gamma-secretasi. Partecipano all'azione enzimatica come unità catalitica, regolano il traffico proteico contribuendo all'interazione dei componenti del complesso secretasico. La mutazione della loro fuinzione è responsabile di iperfosforilazione di tau e svolge un ruolo nell'apoptosi-I grovigli ne ufi bri Ila ri sono dovuti a fasci di filamenti insolubili che derivano da alterata fosfonlaaone deBe proteine TAU, associate al citoscheletro dei neuroni, che si accumulano nel corpo neuronale

L'iperfosfonlazione riduce l'affinità delle TAU per i microtubuli causando una perdita di stabilità nel neurone e può portare alla modificazione del metabolismo dell'APP

Quando Tau e' iperfosforilata diminuisce la sua capacita' di legare i microtubuli e aggrega quindi in maniera anomala determinando la formazione dei paired helical filaments

(PHF) [Patrick et al.. 1999].

L'aggregazione di Tau in filamenti porta al collasso dei microtubuli ed ad una riduzione del trasporto assonale, fondamentale nel trasferimento di sostanze di natura trofica ed energetica tra corpo cellulare e sinapsi.

Apolipoproteina E

Lipoproteina plasmatica che attraversa la barriera ematoencefalica e trasporta il colesterolo nell'encefalo. Proteina caratterizzata da polimorfismo genetico: gli omozigoti per l'allele dell' ApoE4 presentano

-aumentato rischio di Alzheimer

-diminuzione dell'età di esordio della malattia. L'ApoE influenza la composizione dei lipid rafts di membrana, microdomini funzionali della membrana plasmatica (enzimi, proteine di trasporto, recettori).

Gli anziani con Alzheimer presentano livelli elevati di Abeta42 e bassi di tau, mentre nelle fasi anche molto iniziali di malattia di Alzheimer il rapporto /E8 invertito (bassi livelli di Abeta42 e alti di tau.

L'ATP-indipendente lisosomiale contribuisce per il 15% alla proteolisi, gli enzimi sono attivi a pH5; vengono lisate le proteine extracellulari (via endocitosi), proteine di membrana ed organelli danneggiati (es. mitocondri).

L'ATP-dipendente citosolico, sistema ubiquitina-proteasona. Esso lisa le proteine citosoliche, le proteine regolatorie, le proteine difettose (neo-sintetizzate per errori di sintesi e/o ripiegamento invecchiate.

Malatti di Parkinson

Si tratta di una malattia ncurodcgcnerativa ad andamento progressivo con sintomi prcvalentemente motori c caratteristici. Il disturbo è presente in età media o avanzata con incidenza maggiore negli uomini,  interessa circa il 10%dei soggetti al di sopra dei 69 anni; presenta  progressione graduale e  decorso prolungato con un conscguente impatto sociale molto elevato per morbilità e mortalità.

Eziologia e patogenesi

Il Parkinson sporadico dipende da una complessa interazione fra fattori genetici e ambientali forse diversi da caso a caso.  Fattori genetici associati a rare forme di Parkinsonismi Familiari

Lo Studi su gemelli dimostra l'assenza di fattori genetici nel PD sporadico; numerosi fattori potenzialmente implicati nella morte cellulare nel PD: stress ossidativo, eccitossicità, fattori infiammatori, apoptosi, aggregati proteici

Biochimica

La quantità di dopamina è ridotta nel Parkinson; si ha la perdita della pigmentazione caratteristica rappresentata dalla neuromelanina; è ridotta l'attività del complesso I catena respiratoria mitocondriale ed è ridotta l'attività della alfa chetoglutarato deidrogenasi. Elevati livelli di ioni ferrosi e ferrici non legati alla ferritina insieme ad consistente riduzioone della quantità di glutatione in forma ridotta GSH senza un aumento della sua forma ossidata GSSG indicano intensa situazione di stress ossidativo.

Patogenesi

I neuroni dopamionergici vanno incontro ad apoptosi per disfunzione mitocondriale, sistema ubiquitina proteasoma, stress ossidativo e fenomenio apoptotici. I mitocondri degenerati determinano scarsa sintesi di ATP ed aumento dei radicali liberi e dello stress ossidativo cellulare, induzione dei processi apoptotici e riduzione del complesso I mitocondriale.

IPOTESI TOSSICO-METABOLICA

 Fattori ambientali ed occupazionali

- alcuni fattori ambientali e occupazionali possono | rischio insorgenza malattia

- esposizione a tossine esogene (pesticidi, metalli, xenobiotici, prodotti chimici industriali)

- stile di vita

- luogo di residenza e attività professionale

- scoperta occasionale di una sostanza tossica selettiva per i neuroni

dopaminegici: la 1-metil 4-fenil l,2,3,6-tetraidro-piridina(MPTP) che induce in modo subacuto un parkinsonismo simile alla MP idiopatica.

Meccanismi eziopatogenetici potenzialmente coinvolti nella malattia di Parkinson

Mutazione in 4 geni:

a-sinuefeina, nel locus 4q21-23, (insorgenza intomo ai 45 anni e con decorso rapido dei sintomi)

parkina, nel locus 6q25.2-27, (forme giovanili, con insorgenza intorno ai 32 anr caratterizzate dall' assenza di corpi di Lewy nel cervello)

forviasi delfubiquitina C-terminale L-1 (UHC-L1), nel locus 4p-14, (le proteine destinate ad essere degradate dal sistema delTubiquitina vengono preventivamente marcate con catene di poli-ubiquitina e successivamente degradate dal proteasoma)

DJ-11 nel locus 1p36

PARKl, a-sinucleina

- PARKl mappato nel 1996 sul braccio lungo del cromosoma 4

- codifica per a-sinucleina (a-sin, 140 aa)

- funzione non completamente nota

- sembra coinvolta nella regolazione integrità della membrana delle vescicole sinaptiche

- processi di traffico e di fusione durante la trasmissione del segnale a livello sinaptico

- localizzazione citosolica e nucleare

- nelle cellule neuronali localizzata prevalentemente a livello dell'estremità sinaptica.

 

MUTAZIONI

A53T, A30P e E46K localizzate nella porzione

N-terminale della proteina.

a-syn:

- componente principale corpi di Lewy

- presente anche in altri tipi di aggregati (neuriti di Lewy, inclusioni oligodendrogliali)

- "sinucleinopatie":

- condividono alcune caratteristiche con le malattie da prioni, non da ultimo la trasmissibilità per diffusione da una cellula all'altra delle proteine responsabili.

EVIDENZE SU a-sinucleina:

- accumulo di a-syn -> formazione di particolari stati di aggregazione (oligomeri

0 fibrille) possano essere dannosi per la cellula

- normale presenza della proteina fisiologicamente utile e protettiva. IPOTESI DI MORTE NEURONALE:

1 ) oligomeri alterino la stabilità e la permeabilità della membrana cellulare causando la formazione di pori che portano ad un | del calcio intracellulare fino a livelli tossici.

2) legami dell'ot-sinucleina con membrane cellulari compresa quella mitocondriale, Tiperespressione genera disfunzioni mitocondriali (attraverso l'inibizione del complesso I) da cui accumulo di specie reattive dell'ossigeno ed infine neuro degenerazione.

FUNZIONI:

- mantenimento della plasticità neuronale

- processi che riguardano l'apprendimento di nuovi comportamenti STRUTTURA:

- dominio N-terminale (strutture ad a-elica antipatiche probabilmente implicate nella interazione con lipidi di membrana)

- dominio centrale idrofobico (probabilmente responsabile della formazione di aggregati di tipo amiloidogenico)

- dominio C-terminale (caratterizzato dalla presenza di residui acidi e residui di serina e tirosina e che si pensa possa avere un ruolo nell'interazione con altre proteine).

I primi due domini contengono un dominio di legame alle membrane probabilmente responsabile dell'associazione di a-sin con le membrane cellulari.

La tendenza di a-syn ad oligomerizzare è la conseguenza di un meccanismo di "folding" non corretto, che porta alla formazione di strutture ricche in foglietti beta definite come fibrille.

Una quantità elevata di proteina o la presenza di mutazioni nella sua sequenza primaria potrebbero quindi ostacolarne il corretto ripiegamento durante il processo di maturazione e favorirne l'aggregazione.

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