SLA-immagine credit public domain.
Le malattie neurodegenerative, come il morbo di Alzheimer (MA), la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e la demenza frontotemporale (FTD), sono condizioni mediche caratterizzate dalla progressiva degradazione delle cellule del cervello, del midollo spinale e dei nervi. Nel tempo, queste malattie causano un declino di diverse funzioni mentali e fisiche, come deficit di memoria e cognitivi o una perdita del controllo muscolare volontario e l’incapacità di muovere parti del corpo.
Studi precedenti hanno dimostrato che sia la SLA che la demenza frontotemporale sono associate alla disfunzione della proteina legante il DNA TAR 43 (TDP-43). Nei pazienti con diagnosi di queste patologie, si è riscontrato che questa proteina si accumula in modo anomalo nel citoplasma (ovvero il liquido gelatinoso che riempie l’interno delle cellule), mentre viene eliminata dal nucleo (ovvero il “centro di controllo” delle cellule che ne contiene il materiale genetico).
Il legame tra questo modello di accumulo di TDP-43 e alcune malattie neurodegenerative è ormai ben documentato. Tuttavia, i processi molecolari attraverso i quali questa proteina regola l’RNA del paziente e contribuisce alla progressione di queste patologie non sono ancora stati completamente chiariti.
Due team di ricerca della Stanford University e dell’University College London (UCL) su Nature Neuroscience suggeriscono che questa perdita di TDP-43 potrebbe influenzare un meccanismo noto come poliadenilazione alternativa (APA), che svolge un ruolo chiave nell’espressione dei geni e nella funzione delle proteine.
“Il nostro progetto è nato da una lacuna critica nella comprensione di come la disfunzione del TDP-43 influenzi l’elaborazione dell’RNA nella SLA e nella FTD. Il TDP-43 è un master editor dell’RNA nelle cellule“, ha dichiarato a Medical Xpress Yi Zeng, ricercatore a Stanford e coautore del primo articolo.
“Nella SLA e nella demenza frontotemporale (FTD), abbandona il nucleo e forma grumi tossici nel citoplasma dei neuroni in degenerazione. Recenti scoperte hanno dimostrato che questo causa difetti di splicing, in cui l’editor mancante non riesce a rimuovere sezioni indesiderate dai messaggi di RNA. Questo colpisce geni importanti come STMN2 e UNC13A; il nostro laboratorio ha co-scoperto i difetti di splicing in UNC13A“.
Oltre a questa funzione ampiamente studiata, è noto che la proteina TDP-43 ha altre funzioni ancora poco studiate nel contesto della neurodegenerazione. Alcuni studi precedenti avevano scoperto che questa proteina aiuta a determinare dove finiranno i “messaggi” dell’RNA, tramite poliadenilazione.
“Pensate a questo come a decidere dove mettere il punto alla fine di una frase: se lo mettete nel posto sbagliato, ne cambiate completamente il significato”, ha detto Zeng. “Il punto in cui termina un RNA ne determina la stabilità, la localizzazione, la quantità di proteine prodotte e persino il tipo di proteine prodotte, quindi diversi punti finali possono cambiare completamente l’output di un gene“.
L’approccio utilizzato dal team di Stanford
Sia il team di Stanford che quello dell’UCL hanno tratto ispirazione da lavori precedenti che suggerivano che i processi di poliadenilazione sono in qualche modo alterati nelle malattie neurodegenerative e che ciò potrebbe essere collegato all’accumulo anomalo di TDP-43.
“Ad esempio, quando TDP-43 viene perso, l’RNA di STMN2 non solo include sezioni indesiderate, ma termina anche prematuramente”, ha affermato Zeng. “I nostri obiettivi principali erano mappare sistematicamente quanti geni mostrano una poliadenilazione alterata quando TDP-43 viene perso e comprendere le regole molecolari che governano il modo in cui il legame di TDP-43 controlla dove terminano gli RNA. Inoltre, ci siamo prefissati di convalidare queste alterazioni nei tessuti dei pazienti e determinare se queste alterazioni influenzino il comportamento delle proteine in modi rilevanti per la malattia“.
Per condurre i loro esperimenti, Zeng e i suoi colleghi hanno utilizzato una combinazione di tecniche per mappare come la perdita di TDP-43 nei nuclei influenzi i processi di APA cellulare. In primo luogo, hanno analizzato set di dati disponibili al pubblico raccolti da pazienti con SLA o demenza frontotemporale (FTD), cercando specificamente indizi di alterata poliadenilazione.
“Abbiamo quindi utilizzato neuroni derivati da cellule staminali umane, dove potevamo ridurre i livelli di TDP-43 per simulare la malattia, confrontando direttamente neuroni normali e con deficit di TDP-43“, ha spiegato Zeng. “Poiché il sequenziamento standard dell’RNA non è progettato per mappare con precisione i siti di poliadenilazione, abbiamo utilizzato un sequenziamento specializzato dell’estremità 3′ che mappa esattamente dove termina ogni molecola di RNA con una risoluzione a singolo nucleotide“.
Nell’ambito dei loro esperimenti, i ricercatori hanno anche eliminato la proteina TDP-43 nei neuroni e hanno utilizzato una tecnica nota come sequenziamento dell’estremità 3′ per mappare tutti i siti di poliadenilazione nel genoma. Utilizzando strumenti computazionali, hanno identificato i siti alterati dalla perdita di TDP-43 e hanno combinato le loro osservazioni con i dati raccolti da studi precedenti.
“È importante sottolineare che abbiamo convalidato i nostri risultati su campioni di pazienti, confermando che queste alterazioni della poliadenilazione si verificano in pazienti reali, non solo in modelli”, ha aggiunto Zeng. “Per geni selezionati come TMEM106B, un gene noto per essere associato al rischio di FTLD-TDP, abbiamo condotto studi funzionali che dimostrano che le lunghezze alterate del 3′ UTR dovute a alterazioni della poliadenilazione influenzano i livelli di produzione proteica, dimostrando reali conseguenze biologiche”.
L’approccio impiegato dal team UCL
Per il loro articolo, i ricercatori dell’UCL hanno studiato il legame tra la perdita di TDP-43 e i processi APA utilizzando metodi simili a quelli impiegati dal team di Stanford. In primo luogo, hanno sviluppato un nuovo framework bioinformatico che ha permesso loro di identificare vari siti APA.
Hanno poi esaminato neuroni derivati da cellule staminali pluripotenti in cui la TDP-43 era depleta, alla ricerca di alterazioni dell’APA in queste cellule. Ciò ha permesso loro di individuare i siti dell’APA attorno ai quali si verificava il legame con la TDP-43 e di chiarire come la proteina regola la selezione di questi siti.
Analogamente al team di Stanford, anche questi ricercatori si sono prefissati di indagare se i cambiamenti dell’APA fossero evidenti anche nei tessuti estratti post-mortem da individui affetti da SLA o FTD. Hanno inoltre utilizzato tecniche note come sequenziamento dell’RNA, sequenziamento SLAM e profilazione ribosomiale per far luce sugli effetti del TDP-43 su aspetti specifici dell’APA.
Impatto della perdita di TDP-43 sulla poliadenilazione alternativa
I due studi condotti contemporaneamente dal team di ricerca dell’UCL e da Zeng e colleghi di Stanford offrono importanti nuove informazioni sulle basi molecolari sia della SLA che della FTD. In particolare, i ricercatori hanno dimostrato che la perdita di TDP-43 nei nuclei causa difetti di poliadenilazione in centinaia di geni.
“Abbiamo scoperto una dimensione completamente nuova dell’errata elaborazione dell’RNA nella SLA e nella demenza frontotemporale”, ha affermato Zeng. “Questi cambiamenti si sono verificati nei pazienti, stabilendo che la disregolazione della poliadenilazione è una vera e propria caratteristica della malattia. La forza e la posizione del legame con TDP-43 ne determinano l’effetto, con TDP-43 che agisce come una guardia bloccando i siti terminali inappropriati che vengono utilizzati quando non c’è più“.
I ricercatori hanno anche dimostrato che l’alterata poliadenilazione del gene TMEM106B a seguito della perdita di TDP-43 compromette la produzione di proteine. In particolare, variazioni di questo gene erano state precedentemente associate a un rischio maggiore di sviluppare la FTD.
“È importante sottolineare che tre laboratori indipendenti hanno pubblicato risultati simili simultaneamente utilizzando approcci diversi, tra cui il team dell’UCL e un altro gruppo di ricerca dell’UC Irvine“, ha affermato Zeng. “Ora abbiamo un quadro più completo della disfunzione di TDP-43: difetti sia di splicing che di poliadenilazione che colpiscono centinaia di geni critici per la sopravvivenza dei neuroni. Queste alterazioni della poliadenilazione potrebbero aiutare a rilevare la patologia di TDP-43, monitorare la progressione della malattia e misurare la risposta terapeutica, rispondendo a un’esigenza fondamentale del settore”.
Implicazioni terapeutiche e future direzioni di ricerca
Il recente lavoro di questi team di ricerca indipendenti potrebbe potenzialmente orientare lo sviluppo di futuri trattamenti per la SLA, la demenza frontotemporale e potenzialmente altre malattie neurodegenerative. Sebbene tradurre i loro risultati in strategie terapeutiche potrebbe richiedere tempo, i loro articoli offrono una mappa completa che potrebbe orientare ulteriori studi incentrati su come la perdita di TDP-43 contribuisca alla neurodegenerazione.
“Dato che la patologia TDP-43 si manifesta nella SLA, nella demenza frontotemporale, in alcune forme di Alzheimer e in altre patologie, comprendere la disregolazione della poliadenilazione può avere ampie implicazioni in questo spettro di malattie“, ha affermato Zeng. “Stiamo perseguendo diverse direzioni di ricerca che ci consentiranno di passare dalla scoperta all’impatto sui pazienti. Innanzitutto, dobbiamo distinguere i conducenti dai passeggeri. Non tutte le centinaia di alterazioni della poliadenilazione contribuiscono necessariamente alla malattia, quindi dobbiamo determinare quale determini la neurodegenerazione, verificando se la correzione di eventi specifici migliori la sopravvivenza dei neuroni e identificando quali si manifestano prima nella progressione della malattia“.
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Nei loro prossimi studi, i ricercatori intendono esplorare anche l’impatto della perdita di TDP-43 su diversi tipi di cellule e in diverse patologie neurodegenerative. Ad esempio, potrebbero indagare se i motoneuroni presentino alterazioni diverse rispetto ai neuroni corticali, il che potrebbe essere collegato ai sintomi distintivi della SLA, della demenza frontotemporale e di alcuni tipi di malattia di Alzheimer.
“Nei nostri prossimi studi, cercheremo anche di determinare se questi cambiamenti monitorano la progressione della malattia o misurano la risposta terapeutica. Questo lavoro è già in corso”, ha affermato Zeng.
Lo sviluppo di farmaci volti a prevenire o invertire gli effetti delle alterazioni dell’APA scoperte dai ricercatori richiederà del tempo. Tuttavia, studi futuri potrebbero individuare geni e pathway maggiormente interessati dalla perdita di TDP-43, che potrebbero rappresentare promettenti bersagli terapeutici.
“Le nostre conoscenze meccanicistiche su come TDP-43 controlla la poliadenilazione potrebbero anche fornire indicazioni sulle strategie per compensarne la perdita“, ha aggiunto Zeng. “L’obiettivo principale è utilizzare questa comprensione più completa della disfunzione di TDP-43 per sviluppare strumenti che aiutino i pazienti”.
Fonte: Nature Neuroscience