Moscerini della Frutta e “Guardiani” delle Proteine: Una Nuova Speranza per l’Atassia Spinocerebellare 19/22

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo della ricerca biomedica, un viaggio che ci porta dalle cellule umane ai piccoli ma potentissimi moscerini della frutta, alla scoperta di nuove strategie per combattere una malattia neurodegenerativa rara ma devastante: l’Atassia Spinocerebellare di tipo 19/22 (SCA19/22).

Il Mistero della SCA19/22 e del Canale KV4.3

Immaginate il nostro sistema nervoso come una complessa rete elettrica. I canali ionici sono come interruttori e regolatori di flusso che permettono alle cellule nervose, i neuroni, di comunicare tra loro generando e trasmettendo segnali elettrici. Uno di questi “regolatori” cruciali è un canale del potassio chiamato KV4.3, codificato dal gene KCND3. Questo canale è fondamentale per controllare l’eccitabilità dei neuroni, specialmente nel cervelletto (la parte del cervello che controlla il movimento e l’equilibrio) e nel cuore.

Purtroppo, mutazioni nel gene KCND3 possono causare la SCA19/22. Questa malattia è “autosomica dominante”, il che significa che basta ereditare una sola copia del gene mutato da un genitore per svilupparla. I sintomi sono progressivi e includono perdita di coordinazione muscolare (atassia), problemi di equilibrio, difficoltà nel parlare e deglutire. Studi precedenti, fatti in laboratorio su cellule isolate (in vitro), avevano suggerito un meccanismo insidioso: le proteine KV4.3 mutate non solo funzionano male, ma sembrano anche “sabotare” le proteine KV4.3 sane prodotte dall’altra copia del gene. Questo si chiama effetto dominante-negativo. In pratica, la proteina mutante interferisce con la produzione, il ripiegamento corretto o il trasporto alla membrana cellulare della proteina sana, un processo generale chiamato proteostasi (l’omeostasi delle proteine). Ma questo succedeva anche negli organismi viventi, nei pazienti? E come contribuiva ai sintomi della malattia?

Dai Pazienti ai Moscerini: La Conferma In Vivo

Per prima cosa, abbiamo voluto verificare se questo problema di proteostasi fosse reale nei pazienti. Abbiamo avuto la possibilità di studiare fibroblasti (cellule della pelle) prelevati da pazienti affetti da SCA19/22 con due diverse mutazioni note (C317Y e P375S). Ebbene sì, i risultati sono stati chiari: in queste cellule, il livello totale della proteina KV4.3 era significativamente ridotto, circa della metà o anche meno rispetto alle cellule di controllo sane. Non solo, ma la proteina KV4.3 presente sembrava avere difficoltà a raggiungere la sua postazione corretta sulla membrana cellulare. Era la conferma che cercavamo: la proteostasi di KV4.3 è davvero compromessa nei pazienti.

Ma come studiare le conseguenze di questo difetto sul sistema nervoso e sulla funzione motoria? Qui entra in gioco un nostro piccolo, ma incredibile, alleato: il moscerino della frutta, Drosophila melanogaster. Perché proprio un moscerino? Perché, nonostante le apparenze, condividiamo con loro molti geni e meccanismi biologici fondamentali. La versione del canale KV4.3 nel moscerino si chiama Shal, ed è sorprendentemente simile alla nostra.

Abbiamo quindi creato dei moscerini “ingegnerizzati”. Usando tecniche di silenziamento genico (RNA interference, RNAi), abbiamo ridotto specificamente i livelli della proteina Shal nei loro neuroni. Cosa è successo? Questi moscerini hanno mostrato chiari problemi:

• Difficoltà motorie: Faticavano a risalire le pareti della provetta in un test standard di arrampicata (un indicatore della loro coordinazione e forza).
• Neurodegenerazione: I loro occhi composti (formati da tante unità chiamate ommatidi) mostravano segni di degenerazione progressiva con l’età.
• Alterazioni cerebrali: Lo spessore della corteccia cerebrale era ridotto.

Questi risultati suggerivano che una carenza di Shal/KV4.3 fosse sufficiente a causare problemi simili a quelli osservati nella SCA19/22.

Un Salvataggio Specifico e la Prova del Nove

La prova successiva è stata ancora più emozionante. Abbiamo provato a “curare” i moscerini con deficit di Shal introducendo nel loro genoma il gene per la proteina KV4.3 umana sana. Sorprendentemente, l’espressione della KV4.3 umana è riuscita a compensare in gran parte la mancanza di Shal, migliorando la funzione motoria e riducendo la degenerazione oculare e il difetto cerebrale! Per essere sicuri che non fosse un effetto generico dovuto all’aumento di un qualsiasi canale del potassio, abbiamo fatto lo stesso esperimento usando un altro canale umano, KV1.1. In questo caso, non c’è stato alcun miglioramento significativo. Questo ci ha detto due cose importantissime: primo, che la funzione di Shal/KV4.3 è specifica e conservata tra moscerini e umani; secondo, che Drosophila è un modello animale valido per studiare questa specifica malattia umana (una “canalopatia” da KV4.3).

Ora, il passo cruciale: cosa succede se esprimiamo nei moscerini sani le versioni mutate della KV4.3 umana (V338E e P375S), quelle che causano la SCA19/22? Proprio come ipotizzato dall’effetto dominante-negativo, l’espressione di queste proteine mutanti ha interferito con la proteostasi della proteina Shal endogena del moscerino, riducendone i livelli. E le conseguenze? Esattamente quelle che temevamo: i moscerini hanno sviluppato problemi motori progressivi con l’età e degenerazione degli occhi, mimando i sintomi della malattia umana. Avevamo creato un modello di SCA19/22 nel moscerino!

Alla Ricerca di Aiutanti: i Chaperoni Molecolari

Se il problema è la proteostasi difettosa, forse potremmo trovare un modo per aiutare le proteine KV4.3/Shal a mantenersi stabili e funzionali? Abbiamo cercato potenziali partner proteici di KV4.3 nel cervello e abbiamo identificato due candidati molto interessanti: i chaperoni molecolari Hsc70 e Hsp90β. I chaperoni sono proteine specializzate che aiutano altre proteine a ripiegarsi correttamente, a raggiungere la loro destinazione nella cellula e a evitare l’aggregazione o la degradazione prematura. Sono come dei “guardiani” della proteostasi.

Abbiamo confermato che sia Hsc70 che Hsp90β interagiscono fisicamente con KV4.3 nelle cellule umane e nel cervello di ratto, e anche con Shal nelle cellule in coltura. Potevano questi chaperoni contrastare l’effetto negativo delle mutazioni SCA19/22?

Una Possibile Terapia all’Orizzonte?

Abbiamo testato questa ipotesi sia nelle cellule in coltura che nel nostro modello di moscerino. I risultati sono stati davvero incoraggianti!

• Nelle cellule HEK293T in coltura, co-esprimere i chaperoni Hsc70 o Hsp90β insieme alle proteine Shal e alle KV4.3 mutanti ha quasi annullato l’effetto dominante-negativo di queste ultime, riportando i livelli di Shal a valori normali.
• Nei moscerini modello di SCA19/22 (quelli che esprimevano le KV4.3 umane mutate), aumentare i livelli dei loro chaperoni equivalenti (HSC70 e HSP83) ha fatto miracoli: ha corretto il deficit di proteina Shal endogena, migliorato significativamente la loro capacità di arrampicata e ridotto la degenerazione degli occhi.
• Infine, siamo tornati alle cellule dei pazienti. Aumentando i livelli di Hsp90β nei fibroblasti dei pazienti SCA19/22, siamo riusciti ad aumentare i livelli della loro proteina KV4.3 endogena!

Cosa Significa Tutto Questo?

Questa ricerca ci dice diverse cose fondamentali. Primo, abbiamo confermato che la SCA19/22 è legata a un difetto nella proteostasi del canale KV4.3, e che questo avviene in vivo. Secondo, abbiamo stabilito che il moscerino della frutta è un modello animale prezioso per studiare questa malattia e testare potenziali terapie. Terzo, e forse più importante, abbiamo identificato i chaperoni molecolari Hsc70 e Hsp90β/HSP83 come attori chiave che possono migliorare la proteostasi di KV4.3/Shal e alleviare i sintomi della malattia nel nostro modello animale e nelle cellule dei pazienti.

Questo apre una strada potenzialmente nuova per lo sviluppo di terapie per la SCA19/22. Immaginate farmaci o piccole molecole capaci di potenziare l’azione di questi chaperoni o di stabilizzare direttamente la proteina KV4.3. Certo, la strada è ancora lunga, ci sono ancora molte domande a cui rispondere (ad esempio, quali circuiti neurali specifici sono colpiti? Come agiscono esattamente i chaperoni?), ma aver identificato un meccanismo chiave e un potenziale bersaglio terapeutico è un passo avanti enorme. È la dimostrazione di come la ricerca di base, anche usando organismi semplici come i moscerini, possa gettare le basi per future cure per malattie umane complesse. Una piccola scintilla di speranza per i pazienti e le loro famiglie.

Fonte: Springer