Elementi della patologia di SLA e demenza FT rivelati da un modello in silico
DIANE RICHMOND & GIOVANNI ROSSI
NOTE
E NOTIZIE - Anno XV – 03 marzo 2018.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff
dei recensori della Commissione
Scientifica della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
Due elementi relativi alla
proteina TDP-43 (TAR DNA-binding protein 43), che
caratterizzano la patologia della sclerosi
laterale amiotrofica (SLA) e della demenza
(degenerazione) fronto-temporale (DFT),
costituendo espressioni dirette della patogenesi del danno, sono l’accumulo di
questa molecola polipeptidica nel citoplasma e la sua scomparsa dal nucleo.
TDP-43 è una proteina essenzialmente nucleare che tende ad un’aggregazione
immediata secondo un processo dipendente dalla concentrazione. Per tale
ragione, le cellule devono rigorosamente mantenere la giusta quantità di TDP-43
nucleare. In un importante meccanismo di mantenimento, TDP-43 si lega al suo pre-mRNA promuovendo lo splicing alternativo, che risulta
nella degradazione dell’mRNA, via decadimento mediato
da “nonsense” dell’mRNA. Il livello di TDP-43
nucleare è strettamente regolato da questi meccanismi, che controllano la
quantità di messaggero che può essere tradotta.
Sugai e colleghi, basandosi
sui risultati di precedenti esperimenti, hanno realizzato un modello in silico che simula le dinamiche
intracellulari di TDP-43, e hanno esaminato il metabolismo di TDP-43 in varie
condizioni.
(Sugai A., et al., Robustness and Vulnerability of the Autoregulatory System
That Maintains Nuclear TDP-43 Levels: A Trade-off Hypothesis for ALS Pathology
Based on in Silico Data. Frontiers in Neuroscience
– Epub ahead of print doi: 10.3389/fnins.2018.00028. eCollection, 2018).
La provenienza
degli autori è la seguente: Department of Neurology, Clinical Neuroscience
Branch, Brain Research Institute, Niigata University, Niigata (Giappone); Department of System Pathology for Neurological
Disorders, Brain Research Institute, Niigata University, Niigata (Giappone); Department of Molecular Neuroscience, Resource
Branch for Brain Disease Research, Brain Research Institute, Niigata
University, Niigata (Giappone); Division of Legal
Medicine, Graduate School of Medicine and Dental Science, Niigata University,
Niigata (Giappone).
Quando TDP-43 e FUS, ossia due geni che
codificano proteine che si legano all’RNA, furono associati alla SLA, si
ipotizzò per la prima volta che alterazioni del metabolismo dell’RNA potessero
avere un ruolo nella patogenesi della SLA. In breve, sono state identificate
mutazioni missesnse
in circa il 3% delle forme familiari esaminate; ma, cosa ancora più
significativa, sono state individuate mutazioni in TARDBP in circa l’1% dei casi non familiari della malattia. La
maggior parte delle mutazioni sono raccolte presso le regioni altamente
conservate che codificano l’estremità C-terminale. Già dodici anni fa il ruolo
di TDP-43 era stato studiato nelle analisi patologiche delle malattie
neurodegenerative, quale componente degli aggregati di proteine ubiquitinate
nei casi di SLA e degenerazione lobare fronto-temporale
con inclusioni ubiquitinate (FTDL-U)[1]. In
entrambe le malattie, TDP-43 è eliminato dal nucleo e accumulato nelle
inclusioni ubiquitinate dei neuroni affetti, per questo da anni si è ritenuto
che un ruolo patogenetico nelle due patologie potesse averlo la perdita della
funzione nucleare della proteina e/o la sua acquisizione di tossicità negli
aggregati, mancando però l’identificazione del meccanismo molecolare.
Al fine di scoprire i
meccanismi patologici legati a TDP-43 sono stati impiegati numerosi
sistemi-modello. L’iper-espressione della proteina umana induceva la formazione
di inclusioni che si sono rivelate tossiche per i lieviti; in c. elegans causava movimenti scoordinati
e formazione di sinapsi aberranti nei motoneuroni; in Drosophila alterava la morfologia dei motoneuroni e ne riduceva il
numero. L’iper-espressione nei roditori, sia del tipo umano naturale sia di
mutanti di TDP-43 associati alla SLA (A315T, M337V), causava alterazioni delle
funzioni motorie e riduzione della durata della vita, ma raramente si trovavano
le inclusioni ubiquitinate tipiche della patologia umana[2].
Questi esperimenti, insieme con molte altre prove in sistemi-modello della
tossicità della proteina normale, hanno complicato la ricerca sui possibili
meccanismi patologici delle forme mutanti di TDP-43 associate alla patologia
umana.
Per comprendere la funzione
cellulare, e più in generale fisiologica di TDP-43, sono state adoperate le
classiche strategie knockout e knockdown. I topi constitutive knockout per TDP-43 hanno consentito di scoprire che questa
proteina è fondamentale per l’embriogenesi iniziale[3]. Gli
studi RNAi knockdown
hanno rivelato l’istoneacetilasi 6 quale bersaglio di
TDP-43 (Fiesel, et
al., 2010)[4]. Altri studi hanno
dimostrato che TDP-43 è necessaria per il deposito del grasso negli adipociti.
Un modello cellulare knockout ha
consentito di individuare un set di geni a valle regolati da TDP-43[5]. Il trascrittoma TDP-43-dipendente ha rivelato un gene, Tbc1d1,
altamente espresso nel muscolo scheletrico, importante per la regolazione della
snellezza del corpo ed associato all’obesità umana[6].
Infine, sulla base di osservazioni
recenti che hanno accresciuto di molto il numero dei casi registrati di SLA non
familiare con inclusioni contenenti TDP-43 ubiquitinata, si ritiene possibile
che modificatori genetici di TDP-43 possano accrescere il rischio di sviluppare
SLA per altre cause o concause.
Torniamo ora alla sperimentazione
condotta da Sugai e colleghi. Con il loro modello in silico i ricercatori hanno realizzato una sperimentazione che ha
consentito loro la scoperta di un meccanismo di scambio intrinseco nel processo che abbiamo descritto nella parte
introduttiva. Lo scambio, o trade-off, avviene
tra la ridondanza trascrizionale, che
mantiene la consistenza del metabolismo di TDP-43, e la vulnerabilità a specifici fattori interferenti. Questi fattori
includono tre importanti alterazioni legate al gene che causa le forme
familiari di SLA e DFT:
1) la tendenza di TDP-43 ad
aggregarsi;
2) la compromissione del
trasporto di TDP-43 dal nucleo al citoplasma;
3) la ridotta efficienza nel processo
di degradazione di proteine anomale. Quando tali condizioni persistono ad una
certa intensità, la vulnerabilità
dell’apparato di autoregolazione diventa
evidente, nel tempo, e la ridondanza trascrizionale entra in un circolo vizioso
che alla fine determina la patologia da TDP-43.
I risultati ottenuti
adoperando il modello in silico
realizzato da Sugai e colleghi hanno rivelato la differenza nel metabolismo di
TDP-43 tra la condizione fisiologica e lo stato patologico legato alle malattie
neurodegenerative. Inoltre, impiegando questo modello, i ricercatori hanno
simulato l’effetto di una diminuita trascrizione di TDP-43, ed hanno trovato
che questo decremento era in grado di determinare dei miglioramenti nella
patologia legata alla proteina nucleare e causava anche una soppressione della
propagazione di TDP-43.
Sulla base di queste evidenze
sperimentali, gli autori dello studio propongono per i pazienti affetti da SLA
caratterizzata da patologia da TDP-43, una strategia terapeutica basata sulla soppressione della ridondanza trascrizionale,
che sembra essere la forza motrice del processo patologico causato dai fattori
specifici precedentemente considerati. Al riguardo, Sugai e colleghi
suggeriscono che dovrebbe essere generato un modello animale esibente la
patologia TDP-43 senza iper-espressione esogena della proteina, per poter
indagare gli effetti prodotti dall’alleviare la ridondanza trascrizionale di
TARDBP.
Gli autori della nota ringraziano la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza
e invitano alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E
NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).
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[1] Neumann M., et al. Ubiquitinated TDP-43 in fronto-temporal lobar degeneration
and amyotrophic lateral sclerosis. Science
314, 130-133, 2006.
[2] Wegorzewska
I., et al. TDP-43 mutant transgenic mice develop features
of ALS and frontotemporal lobar degeneration. PNAS USA 106, 18809-18814,
2009; Zhou H., et al. Transgenic rat
model of neurodegeneration caused by mutation in the TDP gene. PLoS Genetics 6, e1000887, 2010.
[3] Kraemer b. C., et al. Loss of
murine TDP-43 disrupts motor function and plays an essential role in
embryogenesis. Acta Neuropathologica 119, 409-419,
2010.
[4] Cit. in Wong P. C., et al. Motor Neuron Diseases, in Basic
Neurochemistry (Brady, Siegel, Albers, Price) VIII edition, pp.801-814, Elsevier AP, 2012.
[5] Wong P. C., et
al. Motor Neuron Diseases, op.
cit.
[6] Si ritiene che la riduzione di Tbc1d1 nel muscolo scheletrico sia responsabile di un accresciuto metabolismo dei grassi e della magrezza osservata nei topi TDP-43 knockout. L’ipermetabolismo osservato in vari casi di SLA è da alcuni considerato un fattore di rischio per lo sviluppo della malattia.