Disfunzione mitocondriale nelle malattie neurodegenerative

Le malattie neurodegenerative sono caratterizzate da una degenera- zione lenta e selettiva delle funzioni e delle strutture del SNC per cause che risultano tutt’oggi ancora largamente incomprese.

I mitocondri sono i principali organelli neuronali con un ruolo critico nella produzione di ATP, essenziale per la sopravvivenza e l’eccitabilità cel- lulare. Queste piccole centrali energetiche, distribuite in siti specifici, for- mano una rete interconnessa che permette lo scambio di informazioni biochimiche tra i neuroni, regolano l’omeostasi del Ca2+ _{ed il metaboli-}

smo cellulare; pertanto il cervello risulta molto vulnerabile ai danni mito- condriali.

Diversi studi evidenziano come alcune disfunzioni mitocondriali risultino predominanti nel Morbo di Parkinson, nella SLA, nella Demenza di Alz- heimer e nella Corea di Huntington, tutte malattie accomunate da una morte progressiva delle cellule nervose con perdita di tessuto cerebrale.

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Si ritrovano le seguenti alterazioni mitocondriali.

➢ Stress ossidativo

Quando i complessi della catena respiratoria risultano danneggiati si ha un incremento della perdita di elettroni dalla catena respiratoria stessa, che a sua volta comporta un accumulo di specie reattive ed una ridu- zione della produzione di ATP. Nei pazienti con Demenza di Alzheimer lo stress ossidativo si verifica nelle primissime fasi della malattia, prima ancora della formazione delle placche di β-amiloide. L’ accumulo di tali aggregati proteici a livello mitocondriale si correla col deterioramento cognitivo, ma anche con la gravità del danno che il mitocondrio ha subito nelle diverse regioni del cervello. Un eccessivo stress ossidativo è stato riscontrato anche nei neuroni dopaminergici delle persone affette da Morbo di Parkinson.

Bisogna però ricordare che l’enorme stress ossidativo in queste malattie è dovuto sia all’accumulo di ROS e RNS sia all’incapacità del mitocon- drio di eliminarli: pertanto il sistema di difesa anti-ossidante risulta fon- damentale.

➢ Mutazioni del mtDNA

In molte malattie neurodegenerative, come la Demenza di Alzheimer, il Morbo di Parkinson, la SLA e l’Atassia di Friedreich, si è riscontrato un eccessivo carico di mutazioni nel DNA dei mitocondri, che comporte- rebbe una riduzione degli enzimi coinvolti nella respirazione mitocon- driale, eccesiva produzione di ROS, RNS ed attivazione della morte cel- lulare programmata. Nonostante le lesioni del DNA siano una prova evi- dente, rimane ancora da chiarire quale sia il suo ruolo nel processo neu- rodegenerativo di tipo sporadico.

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➢ Alterazione dell’omeostasi del Ca2+ _{e della permeabilità mitocon-}

driale

La deregolazione del Ca2+ _{rappresenta un tratto caratteristico di queste}

malattie e, sebbene finora non ci siano abbastanza prove per dimostrare che una perturbazione del flusso di Ca2+ _{sia un fattore scatenante, sono}

diversi gli studi che sottolineano invece un nesso tra le disfunzioni mito- condriali, come la produzione di ROS e RNS, difetti nella catena respi- ratoria, attivazione del processo apoptotico, ed il dismetabolismo del Ca2+_{. Mentre la funzionalità del poro di permeabilità mitocondriale ri-}

mane ancora poco chiara.

➢ Alterazione nei processi di fusione e fissione

La dinamica mitocondriale è una funzione fondamentale, necessaria a mantenere la vitalità cellulare, la cui regolazione richiede un delicato equilibrio tra le proteine di fissione e quelle fusione. Una perturbazione di questi processi dinamici induce un cambiamento nel comportamento mitocondriale che porta all’attivazione dell’apoptosi.

Studi autoptici hanno dimostrato che nell’ippocampo dei pazienti con Demenza di Alzheimer si verifica una riduzione delle proteine di fusione, incluse MFN-1, MFN-2 ed OPA-1, ed un incremento invece nell’espres- sione delle proteine di fissione FIS1.

La proteina mutante PINK1 sembra essere responsabile delle forme ereditarie di Morbo di Parkinson, ed è nota per interagire geneticamente con la fusione mitocondriale ed i macchinari di fissione. Uno studio su cellule di tipo Hela ha riscontrato un’alterazione nel movimento mitocon- driale con una riduzione di tale attività ed una maggior frammentazione: questo evidenzia il ruolo cruciale del dinamismo mitocondriale nelle ma- lattie neurodegenerative.88,93-95

43 ➢ Alterazione nel trasporto assonale

Diversamente dagli altri organelli trasportati, i mitocondri non hanno una destinazione definita, ma si distribuiscono in maniera dinamica, mo- mento per momento, nel soma e lungo gli assoni per soddisfare le ri- chieste energetiche e metaboliche dei vari compartimenti neuronali. Ad esempio, questi organelli tendono di solito a concentrarsi vicino ai ter- minali sinaptici, dove la trasmissione sinaptica e l’attività dei canali ionici richiedono molta più energia rispetto ad altre regioni cellulari.

Negli assoni i mitocondri si muovono in senso bidirezionale, sfruttando i microtubuli per un movimento veloce ed i filamenti di actina per un movimento più lento. Il trasporto lungo gli assoni è essenziale per la corretta distribuzione di questi organelli: i mitocondri appena generati vengono trasportati dal corpo cellulare ai segmenti distali, mentre i mi- tocondri danneggiati vengono allontanati dagli assoni e traslocati al corpo cellulare per la degradazione. L’apparato di trasporto assonale permette inoltre la distribuzione delle vescicole sinaptiche, prodotti della sintesi proteica, nonché il trasporto di fattori di segnalazione dell’endo- citosi dalla membrana cellulare al corpo cellulare. 102,103

Il trasporto mitocondriale avviene ad opera dei motori molecolari: quelli della famiglia delle chinesine si spostano per lo più unidirezionalmente verso l’estremità plus (senso anterogrado), mentre quelli della famiglia delle dineine si muovono in direzione opposta (senso retrogrado) verso l’estremità minus. Entrambe le proteine motrici regolano il trasporto mi- tocondriale a lungo raggio ovvero, tra il soma, gli assoni distali e le ter- minazioni dendritiche.

La famiglia delle chinesine di tipo 1, meglio conosciute come KIF5 nei mammiferi, è composta dalle tre isoforme KIF5A, KIF5B (espresse solo nei neuroni) e KIF5C (sintetizzata invece in modo ubiquitario).

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È stato notato che un’alterazione nel processo di accoppiamento tra KIF5 e mitocondri nei neuroni dell’ippocampo altera il meccanismo di trasporto, riducendo in tal modo la densità mitocondriale negli assoni distali. Lo stesso accade nei modelli animali, dove mutazioni a carico dell’isoforma KIF5A o KIF5B inducono un accumulo perinucleare di mi- tocondri. In aggiunta, anche la famiglia di chinesine di tipo 3, composta da KIFBα e KPL6, risulta coinvolta nella regolazione del trasporto mito- condriale, suggerendo come le forme mutate di queste proteine dimi- nuiscano la velocità media di trasporto e la concentrazione mitocon- driale lungo l’assone.

Le dineine sono complessi proteici costituiti da molte subunità che con- tengono due catene (subunità) pesanti, a loro volta associate a catene intermedie, leggere-intermedie e leggere. La dinactina, un grande com- plesso proteico, lega direttamente la dineina ed il mitocondrio attraverso la subunità p150. La formazione del complesso dineina-dinactina-mito- condrio è essenziale nel processo di trasporto mitocondriale nel modello della Drosophila melanogaster. Dalle ricerche è emerso che la muta- zione della dineina riduce la lunghezza e la durata del traporto mitocon- driale nei motoneuroni; inoltre è interessante notare come l’alterazione della dinactina non inibisca il legame delle proteine motrici alle mem- brane, ma interrompa sia il trasporto anterogrado sia quello retrogrado, suggerendo il coinvolgimento della dinactina nella regolazione del tra- sporto bidirezionale mediato dalle chinesine e dalle dinactina.

Entrambe le proteine motrici sono indirettamente legate ai mitocondri mediante un complesso adattatore Miro1- Milton. Questi complessi mo- tore / adattatore / recettori regolano il traffico mitocondriale mirato ad assicurare una precisa distribuzione in risposta ai cambiamenti nell'atti- vità neuronale.

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Molte altre proteine risultano coinvolte nel trasporto mitocondriale, quali sintabulina, FEZ-1 e proteina legante l’RNA di tipo 2 (RNA-binding pro- tein 2, RanBP2), le quali fungono da adattatori facilitando i legami delle proteine motrici al mitocondrio.

La complessità del processo di motilità mitocondriale evidenzia l’impor- tanza del mitocondrio nelle cellule nervose ed allo stesso tempo la faci- lità con cui può incorrere in lesioni inducendo una lenta degenerazione dei motoneuroni. 80,85,86