Parkinson: C’è un Legame Nascosto nel Nostro Intestino? Fagi e Plasmidi Sotto la Lente

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di affascinante che sta emergendo dalla ricerca scientifica, un campo che mi appassiona profondamente: il legame tra il nostro intestino e malattie neurodegenerative come il Parkinson. Sembra strano, vero? Eppure, sempre più indizi puntano verso il nostro microbioma intestinale – quell’incredibile ecosistema di batteri, virus e altri microbi che vive dentro di noi – come un potenziale attore chiave nello sviluppo e nella progressione del Parkinson.

Un Universo Nascosto nell’Intestino

Il Parkinson è la seconda malattia neurodegenerativa più comune al mondo, colpisce milioni di persone e, purtroppo, i numeri sono in crescita con l’invecchiamento della popolazione. Sappiamo che è caratterizzata da problemi motori, ma spesso i primi campanelli d’allarme sono sintomi non motori, come problemi gastrointestinali. Questo ha portato molti ricercatori, me compreso, a indagare l’asse intestino-cervello, una sorta di autostrada a doppio senso che collega il nostro sistema nervoso centrale al nostro apparato digerente e ai suoi microscopici abitanti.

Si pensa che il microbioma possa influenzare il cervello in vari modi: producendo neurotrasmettitori, modulando il sistema immunitario e persino attraverso l’accumulo di proteine anomale (come l’alfa-sinucleina, implicata nel Parkinson) che potrebbero “viaggiare” dall’intestino al cervello.

Studi precedenti, basati su campioni raccolti a Helsinki, avevano già mostrato differenze nella composizione batterica tra persone con Parkinson e controlli sani. Ad esempio, una diminuzione delle Prevotellaceae e un aumento delle Enterobacteriaceae correlato alla gravità dei sintomi motori. Ma c’è di più. Il microbioma non è fatto solo di batteri. Ci sono altri elementi, spesso trascurati: gli elementi genetici mobili (MGE), come plasmidi e fagi (batteriofagi). E qui entra in gioco la parte più intrigante della mia ricerca.

I Plasmidi: Pacchetti Genetici Mobili

I plasmidi sono piccoli pezzi di DNA circolare che i batteri si scambiano facilmente. Possono trasportare geni utili, come quelli per la resistenza agli antibiotici. Utilizzando tecniche avanzate di sequenziamento (shotgun metagenomics), abbiamo analizzato campioni fecali di 68 pazienti con Parkinson e 68 controlli sani, proprio della coorte di Helsinki.

Cosa abbiamo scoperto? Beh, innanzitutto abbiamo identificato oltre 44.000 potenziali plasmidi! E confrontando i due gruppi, sono emerse differenze significative. La diversità delle popolazioni di plasmidi (sia in termini di tipi diversi presenti, alpha diversità, sia nella composizione generale della comunità, beta diversità) era diversa tra pazienti e controlli. In particolare, i controlli tendevano ad avere una maggiore ricchezza di plasmidi.

Non solo i plasmidi stessi, ma anche i geni che trasportavano erano diversi. Analizzando le funzioni di questi geni (usando le categorie COG), abbiamo visto che anche qui c’erano differenze significative nella diversità tra i due gruppi. Le funzioni più comuni riguardavano la replicazione e riparazione del DNA, il controllo del ciclo cellulare e la trascrizione. Abbiamo anche cercato specificamente geni di resistenza agli antibiotici (ARG) sui plasmidi. Ne abbiamo trovati in ogni campione, con il gene vanS (resistenza alla vancomicina) tra i più frequenti, ma non abbiamo notato differenze significative nella diversità degli ARG tra Parkinson e controlli.

Abbiamo provato a usare i dati sui plasmidi per “predire” se un campione appartenesse a un paziente Parkinson o a un controllo, usando un modello di machine learning (Random Forest). Il risultato? Una capacità predittiva moderata (AUC medio di 0.66), indicando che i plasmidi contengono qualche informazione utile, ma non sono sufficienti da soli per una diagnosi precisa.

I Fagi: I Virus dei Batteri

Passiamo ora ai fagi, i virus che infettano specificamente i batteri. Sono incredibilmente abbondanti e diversi nel nostro intestino, e giocano un ruolo cruciale nel modellare le comunità batteriche. Studiarli è una sfida perché non esiste un marcatore genetico universale come il gene 16S rRNA per i batteri. Per fortuna, esistono database come il Gut Phage Database (GPD), una raccolta enorme di genomi virali intestinali che abbiamo usato come riferimento.

Nel nostro studio, abbiamo identificato de novo (cioè direttamente dai nostri dati) ben 111.099 sequenze virali (contig)! La maggior parte apparteneva all’ordine Caudovirales (fagi “con la coda”), come ci si aspetta nell’intestino. Abbiamo anche trovato sistemi CRISPR-Cas all’interno di alcuni genomi virali. Solitamente pensiamo al CRISPR come a un sistema di difesa batterico contro i fagi, ma a volte sono i fagi stessi a portarlo, forse per combattere altri MGE o persino geni dell’ospite batterico. Abbiamo anche trovato molti “mini-array CRISPR” senza geni Cas associati, un fenomeno interessante già notato in altri studi.

Un focus particolare è stato sui fagi crAss-like, noti per essere molto comuni nell’intestino umano. Ne abbiamo identificati 118 e, analizzando i loro geni, li abbiamo raggruppati in quattro famiglie principali (alpha, beta, delta, gamma), confermando classificazioni precedenti. Non abbiamo però trovato cluster genici specifici per i fagi crAss-like derivati da pazienti Parkinson rispetto ai controlli.

Cosa Ci Dicono i Fagi sulla Parkinson?

L’analisi più potente è arrivata quando abbiamo confrontato l’abbondanza dei fagi presenti nel database GPD nei nostri campioni. Qui le differenze tra pazienti Parkinson e controlli sono diventate ancora più evidenti:

• Diversità Inferiore nel Parkinson: Sia l’alpha diversità (ricchezza di specie) che la beta diversità (composizione della comunità) dei fagi erano significativamente diverse, con una tendenza a una minore diversità nei pazienti con Parkinson.
• Fagi Differenzialmente Abbondanti: Abbiamo identificato ben 1.866 fagi la cui abbondanza era significativamente diversa tra i due gruppi. Di questi, 824 erano più abbondanti nel gruppo Parkinson e 1.042 più abbondanti nei controlli. Questo suggerisce cambiamenti complessi, non un semplice aumento o diminuzione generale.
• Famiglie e Ospiti Specifici: Tra i pochi fagi classificabili tassonomicamente, quelli delle famiglie Microviridae e Tectiviridae erano specificamente più abbondanti nel Parkinson. È interessante notare che uno studio recente ha trovato un arricchimento di Microviridae nella substantia nigra (un’area cerebrale colpita dal Parkinson) dei pazienti, suggerendo un possibile collegamento diretto! Analizzando gli ospiti batterici di questi fagi, abbiamo visto che quelli che infettano i generi Bifidobacterium e Ruthenibacterium erano specificamente più abbondanti nel Parkinson. L’alta abbondanza di Bifidobacterium era già stata notata in questa coorte, quindi l’aumento dei loro fagi potrebbe esserne una conseguenza. Il ruolo di Ruthenibacterium e dei suoi fagi, invece, merita ulteriori indagini.

Forte di questi risultati, ho sviluppato un altro modello di machine learning, questa volta basato sull’abbondanza relativa dei fagi del GPD. I risultati sono stati decisamente più promettenti! Abbiamo ottenuto un AUC medio di 0.746 in cross-validation, indicando una buona capacità discriminatoria. Ancora meglio, testando il modello su dati esterni completamente nuovi (da un altro studio sul Parkinson), abbiamo raggiunto un AUC di 0.74 e un F1 score (che bilancia precisione e richiamo) di 0.8! Questo suggerisce che la popolazione di fagi intestinali potrebbe avere un reale potenziale come biomarcatore per il Parkinson. Curiosamente, usare solo i 50 fagi più “importanti” secondo il modello ha dato risultati peggiori sui dati esterni (AUC 0.63), indicando che è l’intera “firma” fagica ad essere predittiva, non solo pochi attori principali.

Oltre la Sequenza: Codici Genetici Alternativi

Un’ultima scoperta affascinante riguarda il codice genetico. Normalmente, il codice genetico è standard (codice 11), ma alcuni fagi sembrano usare codici alternativi (come il codice 4 o il 15) dove un codone di stop viene “ricodificato” per inserire un amminoacido. Questo potrebbe aiutarli ad adattarsi meglio. Analizzando i fagi del GPD e quelli identificati da noi, abbiamo visto che, sebbene la maggior parte usi il codice standard, una piccola percentuale sembra preferire i codici 4 o 15. L’uso del codice alternativo migliora notevolmente la predizione dei geni in questi fagi. La cosa più intrigante? Tra i fagi differenzialmente abbondanti, quattro di quelli più presenti nel gruppo Parkinson erano predetti usare il codice 15, mentre nessuno di quelli più abbondanti nei controlli usava questo codice. Potrebbe esserci un legame tra questo codice alternativo e l’ambiente intestinale nel Parkinson? È presto per dirlo, ma è una pista da seguire.

Verso il Futuro: Fagi come Biomarcatori o Terapie?

In sintesi, il mio lavoro aggiunge un tassello importante alla comprensione del ruolo degli elementi genetici mobili, in particolare plasmidi e fagi, nel complesso rapporto tra microbioma intestinale e Parkinson. Le differenze osservate nelle popolazioni di plasmidi e, soprattutto, di fagi tra pazienti e controlli sono significative.

La capacità predittiva del modello basato sui fagi è incoraggiante e suggerisce che potrebbero diventare, in futuro, parte di un pannello di biomarcatori per identificare la malattia o monitorarne la progressione. E chissà, forse un giorno potremmo persino usare i fagi stessi a scopo terapeutico. La “fagoterapia” – l’uso di fagi specifici per eliminare batteri dannosi o modificare il microbioma – è un campo in rapida crescita. Immaginate di poter creare “cocktail” di fagi personalizzati per riequilibrare l’ecosistema intestinale nei pazienti con Parkinson. Certo, la strada è ancora lunga e complessa, ma i risultati sono promettenti e aprono scenari davvero eccitanti per il futuro della ricerca e, speriamo, per la vita di milioni di persone.

Fonte: Springer