Un team di scienziati dell'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca (MIPT) e dell'Istituto di chimica bioorganica Shemyakin-Ovchinnikov (IBCh RAS) ha studiato una mutazione genetica ereditaria per scoprire i meccanismi molecolari generali che possono portare sia al morbo di Alzheimer (MA) a insorgenza precoce che alla forma della malattia causata da cambiamenti legati all'età nel corpo umano.

Comprendere questi meccanismi è necessario per sviluppare nuovi trattamenti mirati per questa malattia neurodegenerativa che sta diventando sempre più diffusa tra le popolazioni che invecchiano nei paesi sviluppati. I risultati dello studio sono stati pubblicati su ACS Chemical Biology.

La demenza è una sindrome in cui vi è un deterioramento della memoria, del pensiero, del comportamento e della capacità di svolgere attività quotidiane. Il MA è la forma più comune di demenza e può contribuire al 60-70% dei casi, secondo la scheda informativa dell'OMS. Ciò rende la demenza una priorità per la salute pubblica, con ingenti fondi stanziati per combatterla da parte sia dei governi che delle aziende farmaceutiche.

Politici di spicco come Margaret Thatcher e Ronald Reagan sono stati colpiti dal MA nei loro ultimi anni. Il MA è più comune dopo i 65 anni, ma a volte viene diagnosticato anche sotto i 40 anni. Circa il 10-15% dei casi a esordio precoce sono causati da predisposizione ereditaria. Gli studi integrati sulle mutazioni ereditarie o 'familiari' possono fornire ai ricercatori un indizio sui meccanismi chiave della patogenesi del MA, in particolare i suoi primi passi.

Il MA è associato all'accumulo di peptidi patogeni di amiloide-β nelle placche amiloidi all'interno del tessuto cerebrale. Questi peptidi sono frammenti corti (circa 40 aminoacidi) di 'proteina precursore dell'amiloide' (APP) che attraversa la membrana delle cellule cerebrali. La proteina APP viene scissa da vari enzimi come parte dell'attività dei neuroni.

La scissione sequenziale della 'grande' proteina APP (la cui funzione biologica non è ancora del tutto chiara) da parte degli enzimi β- e γ-secretasi produce peptidi amiloidi-β che in piccole quantità sono probabilmente necessari per sostenere le funzioni cerebrali. Tuttavia, la γ-secretasi taglia la catena APP (all'interno delle membrane dei neuroni) in frammenti consecutivi di lunghezza leggermente variabile, producendo così forme relativamente 'patogene' e 'non patogene' di peptidi amiloidi-β.

La forma patogena principale è costituita da 42 residui di amminoacidi (Aβ42), mentre la forma meno patogena è costituita da 40 residui (Aβ40). Il rapporto Aβ42 / Aβ40 negli esseri umani sani non è elevato, attestandosi approssimativamente su 1 a 9. Un rapporto Aβ42 / Aβ40 più elevato indica una produzione eccessiva di Aβ42 che porta al disturbo neurodegenerativo.

I ricercatori stanno attualmente testando un'ipotesi secondo cui i peptidi amiloidi-β sono partecipanti attivi dell'immunità innata del sistema nervoso umano e la loro maggiore produzione può essere causata da varie infiammazioni e lesioni cerebrali. Allo stesso tempo, molte mutazioni familiari associate all'insorgenza precoce del MA sono state trovate nel dominio transmembrana (TM) dell'APP.

Questa ricerca mirava a studiare la mutazione familiare 'australiana' (L723P) all'interno del dominio APP TM che è la causa dell'insorgenza precoce del MA. Gli scienziati hanno studiato il comportamento strutturale-dinamico del dominio mutante APP TM rispetto al tipo selvaggio mediante l'aiuto dell'ingegneria delle proteine, della risonanza magnetica nucleare ad alta risoluzione (NMR) e di simulazioni al computer.

La spettroscopia NMR è stata usata per confrontare il peptide APP di tipo selvaggio con il suo mutante mediante parametri quali 'elicità' della catena polipeptidica dell'amminoacido, la sua flessione e flessibilità, nonché l'accessibilità ai lipidi e alle molecole d'acqua.

I ricercatori hanno scoperto che la mutazione L723P causa la fusione locale dell'ultima curva dell'elica del dominio APP TM e inoltre raddrizza e stabilizza il dominio al centro della membrana lipidica. A parte questo, è stato notato che la mutazione aumenta l'accessibilità del dominio alle molecole d'acqua, che sposta la 'struttura' della sua scissione da parte della γ-secretasi, passando così tra cascate di scissione alternative ('patogene' e 'non patogene'). Ciò porta alla crescita del rapporto Aβ42 / Aβ40 e della concentrazione generale di amiloide-β all'interno del tessuto cerebrale.

Il ricercatore senior Eduard Bocharov, ha commentato:

"Inutile dire che questo studio tocca solo alcune delle cause del disturbo multifattoriale che è il MA. I meccanismi molecolari della sua patogenesi vengono studiati in numerosi laboratori in tutto il mondo. In particolare, viene prestata particolare attenzione allo studio del 'giocatore chiave' (​​la proteina precursore dell'amiloide), nonché alla sua scissione sequenziale da parte delle secretasi all'interno delle membrane dei neuroni.

"Abbiamo descritto una cascata di eventi che si verificano all'interno e intorno alla membrana cellulare mentre l'APP viene tagliata dal complesso enzimatico γ-secretasi. Abbiamo quindi usato una singola mutazione 'australiana' per rivelare i meccanismi molecolari alla base della patogenesi che possono portare sia all'inizio del MA che alla forma della malattia legata all'età".

I risultati dello studio suggeriscono un meccanismo semplice della patogenesi del MA associato all'impatto della mutazione 'australiana' sul comportamento strutturale-dinamico del dominio APP TM. Questo è ciò che porta alla scissione patologica dell'APP da parte delle secretasi e all'aumento dell'accumulo di amiloide-β patogeno attorno ai neuroni.

Vale la pena notare che l'insorgenza del MA legato all'età può essere spiegata da meccanismi simili, in cui l'effetto della mutazione è sostituito dall'impatto di fattori ambientali locali, come lo stress ossidativo o la composizione lipidica della membrana, inclusa la saturazione del colesterolo.

Una comprensione dettagliata dei meccanismi molecolari che regolano la generazione di peptidi amiloidogenici è essenziale per lo sviluppo di nuove strategie di trattamento mirate allo stadio primario della patogenesi del MA.