Gene chiave dietro il segno distintivo della malattia di Lou Gehrig identificato

Dentro il cervello dei pazienti con sclerosi laterale amiotrofica, una malattia neurodegenerativa debilitante, è un segno rivelatore che segna quasi ogni caso: grumi di proteine tossiche.

Ora, i ricercatori della Stanford University School of Medicine e i loro collaboratori hanno individuato un gene chiave dietro la formazione di un tipo di questi aggregati dannosi per i neuroni. Hanno anche dimostrato come l’inibizione della funzione del gene frena la produzione della proteina dannosa.

“Sappiamo che questi aggregati ricchi di proteine sono un chiaro segno distintivo della SLA”, ha detto Aaron Gitler, PhD, professore di genetica. “Ma questa scoperta ci permette uno sguardo più profondo su come questi aggregati sono fatti, e potenzialmente su come possiamo ostacolare questo processo.”

Il gene, RPS25, codifica per un pezzo di macchinario cellulare necessario per la creazione della sostanza proteica che si accumula in alcune forme di SLA e danneggia i neuroni sani. Quando l’attività del gene è stato sperimentalmente impoverito – in lievito, in neuroni derivati da pazienti con SLA e in moscerini della frutta – Gitler e il suo team ha visto i livelli della proteina letale cadere di circa il 50 per cento su tutta la linea.

Il team ha anche testato la funzione di RPS25 in cellule umane che modellano la malattia di Huntington e l’atassia spinocerebellare, due altre malattie neurodegenerative che hanno proteine-aggregate “hallmark” simili alla SLA, ha detto Shizuka Yamada, uno studente laureato nel laboratorio di Gitler. Anche lì, l’inibizione del gene ha aiutato ad abbassare i livelli di proteine cattive.

È ancora presto, ha detto Yamada, ma ostacolare il gene RPS25 sembra un obiettivo promettente per ridurre le proteine distruttive viste nella SLA e anche estendere la durata della vita, come si è visto nel modello di mosca della frutta della SLA con bassi livelli di attività del gene.

Un documento che dettaglia i risultati della ricerca è stato pubblicato il 29 luglio in Nature Neuroscience. Gitler, che detiene la Stanford Medicine Basic Science Professorship, è l’autore senior. Yamada è l’autore principale.

Un percorso alternativo

Conosciuta anche come la malattia di Lou Gehrig, la SLA è una condizione che uccide i motoneuroni, che sono cruciali per tutte le attività fisiche, da spazzolare i capelli a respirare. La causa principale dietro ogni caso non è sempre la stessa; c’è una serie di fattori genetici che giocano nell’insorgenza della SLA. Eppure un gene è spesso il colpevole. Nella SLA, contiene una stringa di DNA che si ripete erroneamente.

Sono queste ripetizioni di DNA che si trasformano in proteine dannose che si accumulano nel cervello. Quando le proteine si accumulano, interferiscono con i neuroni sani, bloccando la capacità delle cellule di funzionare normalmente.

A parte le loro proprietà tossiche, ciò che è notevole degli aggregati proteici è che non sono fatti come altre proteine che si trovano nel corpo, ha detto Yamada. “Queste ripetizioni in realtà non dovrebbero essere trasformate in proteine”, ha detto. “Vengono dal DNA che non dovrebbe codificare nulla, eppure in qualche modo le proteine si formano lo stesso.”

Durante la normale formazione delle proteine, il ribosoma, una sorta di macchina molecolare che risiede nella cellula, elabora l’RNA messaggero, che contiene il codice genetico basato sul DNA, e lo trasforma nelle materie prime di una proteina. Questo processo è chiamato traduzione, ed è avviato da un codice nell’mRNA che mostra al ribosoma dove iniziare la traduzione. Le ripetizioni del DNA associate alla SLA non hanno questo codice di inizio, a differenza del normale mRNA.

“Quindi la traduzione regolare non funziona con le ripetizioni”, ha detto Yamada. Ma si è scoperto che c’è un workaround molecolare: un processo di traduzione non convenzionale chiamato traduzione non-AUG associata alle ripetizioni, o traduzione RAN, che trasforma le ripetizioni della SLA in corpi proteici distruttivi.

Mettere i freni a RPS25

L’esatto meccanismo della traduzione RAN e il suo ruolo nella biologia umana non è chiaro, ma gli scienziati sanno che dipende ancora dal ribosoma. Per capire meglio il processo, Gitler e Yamada si sono rivolti al lievito, un organismo semplice che ha ancora le principali proteine e percorsi delle cellule umane. Uno alla volta, i ricercatori hanno diminuito la funzione dei singoli geni del lievito e hanno monitorato la funzione RAN del fungo. Quando sono stati sottomessi, diversi geni hanno influenzato la funzione RAN, ma uno in particolare, RPS25, si è distinto. Con il gene ostacolato, la produzione della proteina tossica è scesa del 50 per cento.

I ricercatori hanno anche visto un tuffo del 50 per cento nella proteina tossica quando hanno testato come i neuroni derivati da pazienti con SLA hanno fatto senza RPS25.

È sempre bello quando la biologia del lievito può informare direttamente la biologia umana.

“Siamo stati davvero entusiasti di vedere la diminuzione delle proteine ripetute nelle cellule umane”, ha detto Yamada. “È sempre molto bello quando la biologia del lievito può informare direttamente la biologia umana”. Poiché queste cellule provenivano da pazienti che soffrono di SLA, la ricerca ha offerto uno sguardo affidabile su come i neuroni di individui con SLA risponderebbero a livelli più bassi di RPS25, ha detto.

“Attraverso le analisi genomiche, abbiamo potuto vedere che le ripetizioni associate alla SLA erano ancora lì; le sequenze non erano cambiate”, ha detto Yamada. “Ciò che stava cambiando era l’output del ribosoma; le ripetizioni non venivano trasformate in proteine tossiche quasi con la stessa frequenza.”

Fare a pezzi una parte della macchina proteica della cellula potrebbe sembrare rischioso, ma si è scoperto che un gene RPS25 defunto non rovina la normale produzione di proteine. Eppure i ricercatori hanno anche dimostrato che un gene RPS25 inattivo colpisce più che solo le ripetizioni ALS; il gene disfunzionale similmente stunted erronea produzione di proteine in modelli cellulari della malattia di Huntington e atassia spinocerebellare, due malattie neurodegenerative che hanno aggregati proteici caratteristici simili a ALS.

Muoversi verso più complessità

Finalmente, i ricercatori si rivolse a modelli di mosca della frutta di ALS per indagare come deplezione RPS25 influenzato l’insetto generale. Non solo hanno visto una simile diminuzione dei livelli di proteina tossica, ma hanno anche visto una maggiore durata della vita nelle mosche che mancavano di RPS25 completamente funzionale. Le mosche che ospitavano sia la mutazione ALS che un gene RPS25 funzionante sono morte entro il giorno 29, in media, mentre quelle che avevano la mutazione ALS e quantità inferiori di RPS25 hanno vissuto in media per 38 giorni. Un moscerino della frutta sano vive in media circa 50 giorni.

I risultati sono intriganti, Yamada ha detto, ma prima che gli scienziati possono iniziare a perseguire RPS25 come un bersaglio di droga, il team ha un paio di caselle da spuntare. Il team ora sta studiando come un modello animale più complesso – come un topo – sarebbe giusto senza RPS25.

“Con i moscerini della frutta, abbiamo manomesso il gene; non lo abbiamo rimosso completamente”, ha detto Yamada. “Se un animale può sopravvivere interamente senza il gene è una parte importante del nostro prossimo passo.”

Inoltre, Yamada ha detto che lei e Gitler sono ancora alla ricerca di un quadro più chiaro della traduzione di RAN negli esseri umani, in generale. “Si verifica solo in condizioni neurogenerative? O c’è un ruolo più ampio negli individui sani?”, ha detto. “Non conosciamo ancora la risposta a queste domande, e sarà cruciale capirlo prima di perseguire RPS25 come bersaglio terapeutico.”

Altri coautori dello studio a Stanford sono gli studenti laureati Naomi Genuth e Nicholas Kramer; lo studioso post-dottorato Rosslyn Grosely, PhD; il tecnico di ricerca Lisa Nakayama; la studentessa di liceo Shirleen Fang; l’assistente di ricerca Tai Dinger; Maria Barna, PhD, assistente professore di genetica e di biologia dello sviluppo; e Joseph Puglisi, PhD, professore di biologia strutturale.

Alla ricerca hanno contribuito anche ricercatori della Mayo Clinic, dell’University College di Londra e della University of Southern California.

Gitler è un membro dello Stanford Bio-X e del Wu Tsai Neurosciences Institute di Stanford.

Il lavoro è stato finanziato dal National Institutes of Health (sovvenzioni R35NS097263, AI099506, AG064690, R35NS097273, P01NS099114, 2T32HG000044 e R01NS097850), dal U.S. Department of Defense, Muscular Dystrophy Association, European Research Council e Alzheimer’s Research UK.

Anche i dipartimenti di Genetica, di Biologia, di Biologia dello sviluppo e di Biologia strutturale di Stanford hanno sostenuto il lavoro.