Demenza-immagine: un piccolo difetto strutturale in un enzima protettivo del cervello potrebbe svelare come inizia la demenza. Crediti: Shutterstock
La progressiva perdita di neuroni è una caratteristica ricorrente delle malattie neurodegenerative, un gruppo eterogeneo di disturbi caratterizzati da declino cognitivo, compromissione motoria e, in molti casi, morte prematura. Sebbene la morte neuronale sia un endpoint comune, ogni condizione neurodegenerativa presenta distinti tratti patologici, molti dei quali sono stati proposti come fattori causali e bersagli terapeutici.
Negli ultimi decenni, gli studi di associazione genomica (GWAS) hanno identificato suscettibilità genetiche associate a queste malattie. Queste, a loro volta, hanno costituito la base logica per ampi sforzi volti ad abbinare meccanismi molecolari a strategie terapeutiche di precisione. Tuttavia, nonostante queste intuizioni, la perdita neuronale, la caratteristica più saliente, rimane insufficientemente spiegata, in particolare per quanto riguarda i percorsi a monte che guidano la morte cellulare. Poiché una comprensione meccanicistica del modo in cui muoiono i neuroni e delle conseguenze a valle di questo processo è fondamentale per un intervento razionale nella maggior parte delle malattie neurodegenerative, questa mancanza di conoscenza rimane un ostacolo importante allo sviluppo di terapie efficaci.
D’altro canto, gli sforzi di sequenziamento dell’intero genoma hanno accelerato la scoperta di varianti rare, deleterie e altamente penetranti nei bambini con presentazioni sindromiche, offrendo una via diretta per dedurre la funzione genica dalla patologia umana. Un esempio riguarda la glutatione perossidasi 4 (GPX4), un selenoenzima ora riconosciuto come il regolatore centrale della ferroptosi, una forma di morte cellulare non apoptotica e dipendente dal ferro implicata in diverse malattie. Pertanto, le varianti patogene in GPX4 sono state collegate alla displasia spondilometafisaria di tipo Sedaghatian (SSMD), una malattia autosomica recessiva ultra rara caratterizzata da grave neurodegenerazione e anomalie scheletriche. Dal primo resoconto clinico nel 1980, sono stati segnalati solo pochi casi di SSMD, tutti convergenti sulle mutazioni del GPX4 e che evidenziano il ruolo indispensabile della sorveglianza della ferroptosi nel mantenimento dell’integrità neuronale.
Gli scienziati hanno ora identificato un piccolo difetto nell’enzima GPX4 che impedisce ai neuroni di difendersi. Questa mutazione, riscontrata nei bambini affetti da una rara forma di demenza precoce, interrompe un piccolo circuito che l’enzima utilizza per proteggere le membrane cellulari.
Studi di laboratorio e su animali hanno confermato una diffusa perdita di neuroni quando GPX4 non funziona. I risultati suggeriscono una connessione più profonda tra questo processo e altri tipi di demenza.
Perché i neuroni muoiono nella demenza
Perché i neuroni muoiono nella demenza? E questo processo può essere rallentato? Un team di ricerca internazionale guidato dal Prof. Marcus Conrad, Direttore dell’Istituto di Metabolismo e Morte Cellulare presso l’Helmholtz di Monaco e Titolare della Cattedra di Biologia Redox Traslazionale presso la Technical University di Monaco (TUM), descrive su Cell come i neuroni utilizzino un sistema integrato per proteggersi dalla morte cellulare ferroptotica.
Al centro di questa protezione c’è il selenoenzima glutatione perossidasi 4 (GPX4). Una singola mutazione nel gene responsabile della GPX4 interrompe una parte precedentemente sconosciuta della funzione dell’enzima. Nei bambini che ereditano questa mutazione, il risultato è una grave demenza a esordio precoce. In condizioni normali, GPX4 inserisce un breve anello proteico – descritto come una “pinna” – nella parte interna della membrana neuronale. Ciò consente all’enzima di neutralizzare i perossidi lipidici, molecole nocive che altrimenti danneggerebbero la cellula.
Come la “pinna” GPX4 protegge i neuroni
“GPX4 è un po’ come una tavola da surf”, afferma Conrad. “Con la sua pinna immersa nella membrana cellulare, scivola lungo la superficie interna e disintossica rapidamente i perossidi lipidici lungo il suo percorso”. Nei bambini con demenza a esordio precoce, una mutazione puntiforme altera questo anello a forma di pinna. La struttura modificata impedisce a GPX4 di ancorarsi alla membrana, lasciando accumulare i perossidi lipidici. Quando queste molecole si accumulano, indeboliscono la membrana, innescano la ferroptosi e, infine, causano la rottura e la morte dei neuroni.
Il progetto è iniziato con tre bambini negli Stati Uniti affetti da una forma estremamente rara di demenza infantile precoce. Tutti e tre condividono la stessa mutazione nel gene GPX4, nota come R152H. Utilizzando cellule di un bambino affetto, il team ha riprogrammato i campioni in uno stato simile alle cellule staminali. Queste cellule staminali sono state poi utilizzate per creare neuroni corticali e strutture tridimensionali simili al tessuto cerebrale precoce, note come organoidi cerebrali.
Prove da modelli murini e analisi delle proteine
Per osservare come la mutazione influenzi l’intero organismo, i ricercatori hanno introdotto la variante R152H in un modello murino. Ciò ha permesso loro di alterare specificamente la funzione di GPX4 in diversi tipi di cellule nervose. Man mano che GPX4 si comprometteva, i topi sviluppavano lentamente gravi problemi motori, subivano una perdita di neuroni nella corteccia cerebrale e nel cervelletto e mostravano forti reazioni neuroinfiammatorie. Queste caratteristiche corrispondevano strettamente a quelle osservate nei bambini affetti e assomigliavano a modelli tipici delle malattie neurodegenerative.
Allo stesso tempo, il team ha esaminato le variazioni nei livelli proteici nel modello sperimentale. Molte proteine che aumentano o diminuiscono nella malattia di Alzheimer hanno mostrato variazioni simili nei topi privi di GPX4 funzionale. Questa sovrapposizione suggerisce che lo stress ferroptotico possa contribuire non solo a questa rara malattia infantile, ma anche a forme più diffuse di demenza.
Punti salienti della ricerca:
“I nostri dati indicano che la ferroptosi può essere una forza trainante della morte neuronale, non solo un effetto collaterale”, afferma la Dott.ssa Svenja Lorenz, una delle prime autrici dello studio. “Finora, la ricerca sulla demenza si è spesso concentrata sui depositi proteici nel cervello, le cosiddette placche ß-amiloidi. Ora stiamo ponendo maggiore enfasi sul danno alle membrane cellulari che innesca questa degenerazione”.
I primi test dimostrano che il blocco della ferroptosi può rallentare la morte cellulare causata dalla perdita di GPX4 sia nelle colture cellulari che nei topi. “Questa è un’importante prova di principio, ma non è ancora una terapia”, afferma il Dott. Tobias Seibt, nefrologo presso l’Ospedale Universitario LMU di Monaco e co-primo autore. Il Dott. Adam Wahida, anch’egli primo autore dello studio, aggiunge: “A lungo termine, possiamo immaginare strategie genetiche o molecolari per stabilizzare questo sistema protettivo. Per ora, tuttavia, il nostro lavoro rimane chiaramente nell’ambito della ricerca di base”.
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Una collaborazione a lungo termine rivela un dettaglio molecolare chiave
I risultati provengono da una rete di ricerca costruita nel corso di molti anni, che unisce genetica, biologia strutturale, ricerca sulle cellule staminali e neuroscienze in più sedi internazionali.
“Ci sono voluti quasi 14 anni per collegare un piccolo elemento strutturale di un singolo enzima, ancora sconosciuto, a una grave malattia umana“, afferma Marcus Conrad. “Progetti come questo dimostrano chiaramente perché abbiamo bisogno di finanziamenti a lungo termine per la ricerca di base e di team multidisciplinari internazionali se vogliamo comprendere veramente malattie complesse come la demenza e altre patologie neurodegenerative“.
Riferimento: Cell