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Dalle malattie monogeniche alla comprensione della neurobiologia alla proposta di cure innovative

In un recente messaggio ho parlato della sindrome di Chistianson, causata da un unico gene di cui è stata recentemente studiata la funzione aprendo la strada a ipotesi di terapie che potrebbero essere impiegate anche in casi di autismo criptogenetico. L'articolo che ho segnalato è di grande interesse ma di non facile comprensione per chi non ha dimestichezza con la biochimica e con l'embriologia. Ho chiesto a Giorgio Lenaz, professore emerito di biochimica all'Università di Bologna, di farne per noi un resoconto divulgativo. Il Professore ha accettato il non facile compito che ha eseguito da vero Maestro. Ringraziandolo a nome di tutti gli iscritti, di seguito copio il lavoro che ci ha inviato

Sindrome di Christianson

Ouyang Q et al , Neuron 80, 1-16, 2013-10-22

Sindrome di Christianson è il termine usato per descrivere una serie di condizioni cliniche associate a mutazioni del gene per la proteina denominata NHE6.

La sindrome è caratterizzata da microcefalia post-natale, disabilità intellettuale, epilessia, nonché sintomi autistici. Il gene mutato è situato sul cromosoma X

La proteina alterata è uno scambiatore di ioni Na+/H+ situato nella membrana degli endosomi. Il ruolo di questo scambiatore è quello di contrastare la pompa protonica vacuolare che trasporta H+ all'interno dell'endosoma acidificandolo. Infatti lo scambiatore trasporta un Na+ all'interno in scambio con un H+, mantenendo la neutralità elettrica ma rendendo il pH meno acido all'interno dell'organello. Il bilancio delle attività della pompa protonica e dello scambiatore controlla accuratamente il pH all'interno dell'endosoma. Questo controllo appare essenziale per lo sviluppo e l'arborizzazione dei neuroni: è stato dimostrato che in neuroni del simpatico durante il differenziamento gli endosomi hanno un pH superiore (6.6 fino a 8.2) in prossimità del cono di crescita e inferiore (4.0 fino a 6.0) in corrispondenza del soma cellulare.

E' stato anche dimostrato che i segnali neurotrofici per lo sviluppo dei neuroni dipendono dal pH degli endosomi.

In questo lavoro gli autori hanno inizialmente dimostrato mediante analisi immuno-istologica che durante lo sviluppo embrionale del cervello murino, gli assoni e dendriti in crescita contengono la proteina NHE6 negli endosomi. Successivamente gli autori hanno creato dei topi aventi una delezione del gene NHE6, ed hanno osservato che nel cervello di questi topi si ha una significativa riduzione della crescita assonale e delle ramificazioni dendritiche, dimostrando un'alterazione importante della morfogenesi neuronale. Facendo esprimere nei mutanti privi di HNE6 la proteina completa è stato possibile recuperare totalmente la capacità di morfogenesi neuronale, mentre l'espressione della stessa proteina privata della capacità di trasporto era inefficace.

Il passo successivo è stato di misurare i potenziali sinaptici nei topi mutanti privi di NHE6: in effetti si ha una riduzione significativa del 23.2% del potenziale sinaptico in fettine di ippocampo tra i 14 e 21 giorni di sviluppo embrionale, compatibili con l'osservazione del minore sviluppo dei neuroni e della diminuzione di sinapsi funzionali. E' stato inoltre dimostrato che non vi è alterazione della funzione di ogni singola sinapsi, ma è il numero di sinapsi a essere diminuito.

In un successivo esperimento gli autori hanno dimostrato con una sonda fluorescente sensibile al pH che gli endosomi negli assoni dei topi mutanti non hanno il normale gradiente di pH con progressiva alcalinizzazione verso la porzione distale, ma hanno zone di pH molto acido anche nelle zone periferiche.

I risultati suggeriscono che NHE6 è necessaria per la regolazione del pH all'interno degli endosomi, che a sua volta condiziona la crescita e ramificazione dei neuroni. Su questa base gli autori hanno ipotizzato che l'abnorme acidificazione endosomiale dovuta alla mancanza della proteina NHE6 nella sindrome di Christianson perturbi meccanismi di segnalazione da parte degli endosomi stessi rilevanti alla arborizzazione dei neuroni.

Successivamente, sulla base del ben noto ruolo del fattore di crescita BDNF (brain-derived neurotropic facor) e del suo recettore TrkB nella arborizzazione dei neuroni, gli autori hanno indagato il loro ruolo nella patofisiologia delle mutazioni di NHE6. E' noto che quando BDNF si lega al recettore TrkB sulla membrana, il recettore subisce un processo di endocitosi; è stato proposto che durante questo processo gli endosomi esercitano un esteso grado di segnalazione cellulare.

Per prima cosa uno studio immunoistochimico ha rivelato che NHE6 e TrkB sono co-localizzati nelle stesse aree dei neuroni. Inoltre, dopo aggiunta di BDNF ai mutanti privi di NHE6 si è osservata una diminuzione dei livelli di TrkB rispetto ai controlli, compatibile con una aumentata degradazione della proteina dovuta al pH più acido degli endosomi.

Questi risultati sono interpretati in questo modo: la deplezione di NHE6, acidificando gli endosomi, aumenta il turnover del recettore TrkB interferendo così sulla via di segnalazione del fattore di crescita BDNF che è necessaria per lo sviluppo delle sinapsi.

E' di interesse che l'aggiunta di alti livelli di BDNF alle cellule nervose in coltura era in grado di riportare i valori di arborizzazione dei neuroni ai livelli normali.

Questo studio è assai rilevante per quanto riguarda i disordini autistici, in cui pure sembra esservi una diminuita espressione di NHE6