La proteina Tau umana è codificata dal gene MAPT - microtubule -associated protein Tau gene, che è formato da 16 esoni localizzati sul cromosoma 17q21 (Andreadis A 2006). Nell’encefalo, la proteina Tau è stata riscontrata principalmente nei neuroni ma anche a livelli basali nella glia e extracellulare (LoPresti P et al., 1995). L’encefalo umano alla fine dello sviluppo contiene sei isoforme principali di questa proteina, che sono generate dallo splicing alternativo degli esoni 2, 3 e 10. Queste isoforme differiscono sulla base della presenza di un inserto di 29 aminoacidi vicino all’N-terminale, codificato dagli esoni 2 e 3; inoltre, le diverse isoforme possono anche essere categorizzate in base al numero di ripetizioni (3 o 4) che possono essere presenti al C-terminale. Lo splicing alternativo dell’esone 10 è molto importante perché è spesso associato a diverse Taupatie (Dickinson DW et al., 2011). La proteina Tau è idrofilica e altamente solubile: la sua isoforma più lunga, la 2N4R contiene 80 residui di Ser o Thr, 56 residui negativi di Asp o Glu, 58 residui positivi di Lys o Arg e 8 aromatici di cui 5 Tyr e 3 Phe. Nel complesso la proteina Tau è una proteina basica, ma vi è una discrepanza di distribuzione di carica, in quanto i 120 residui all’N-terminale sono principalmente acidi, mentre i 40 al C- terminale neutri. Questa asimmetria di carica è importante per l’interazione con i microtubuli e altri partners cellulari, per il ripiegamento interno della proteina e per l’aggregazione con altre proteine. La proteina può essere suddivisa in due grandi domini, in base all’interazione con i microtubuli e in base al tipo di aminoacidi: microtubule- assembly domain al C-terminale e projection domain all’N-terminale. Ad unione di questi due domini vi è una regione ricca di residui di Pro che contiene sette domini PXXP, che serve come sito di legame per le proteine segnale con il dominio di omologia SRC 3 (SH3), come la tirosina chinasi FYN (Figura 1).
62
L’interazione con questa tirosina chinasi può determinarne una modificazione del targeting post-sinaptico (Lee G et al., 1998; Ittner LM et al., 2010). La Tau monomerica si aggrega a formare polimeri fibrosi elicoidali di 20 nm di spessore che si incrociano periodicamente ogni 80 nm formando filamenti, che a loro volta si unisco tra loro a formare fasci neurofibrillari (tau-tangles) nel citosol dei neuroni, associati all’accumulo di proteina β-amiloide (noto anche come αβ). Nonostante questa capacità, normalmente questa proteina ha la caratteristica di trovarsi in forma non ripiegata monomerica, in una conformazione “intrinsecamente disordinata”, con una tendenza molto scarsa all’aggregazione. Comunque, la proteina Tau può formare aggregati a livello locale quando interagisce con particolari proteine ed elementi cellulari (ad esempio i
Figura 1: struttura della proteina Tau. microtubule-assembly domain al C-terminale
contenente il dominio di sequenze ripetute e la regione fiancheggiante. Il dominio al C- terminale è responsabile del legame ai microtubuli e dell’aggregazione della proteina Tau. Il projection domain all’N-terminale invece non ha contatti con i microtubuli. La regione intermedia ricca di Pro (aa 151-243) è una regione target di chinasi come la GSK3β, CDK5, MAPK e JNK, siti fondamentali di fosforilazione nelle Taupatie. (modificata da: Wang Y e Mandelkow E, 2016)
63
microtubuli) (Kadavath H et al, 2015; Gruning CS et al., 2011). Sebbene la natura di questa proteina tenda a conformazioni non ripiegate, globalmente tende ad acquisire una disposizione a graffetta, in cui l’N-, il C- terminale e i domini ripetuti interagiscono tra loro (Jeganathan S et al., 2006). Questa conformazione potrebbe proteggere la Tau dall’aggregazione, invece, l’eliminazione del C-/N-terminale potrebbe favorirla. Quando la proteina Tau aggrega, i domini ripetuti formano il core del polimero fibroso, mentre l’N- e il C- terminale formano l’envelope indefinito esterno. Il core contiene foglietti-β, mentre l’envelope esterno prende anche il nome di fuzzy coat in quanto è difficile da individuare con la maggior parte di tecniche laboratoristiche (Wegmann S et al., 2016). La fosforilazione della Tau è regolata da condizioni ambientali, tanto che la forma fetale contiene più domini fosforilati della forma adulta (7 contro 2 domini fosforilati). Nell’Alzheimer i domini fosforilati sono circa 8 (Köpke E et al., 1993). Ci sono all’incirca 85 siti che possono essere fosforilati in questa proteina (80 Ser/Thr e 5 Tyr) nell’isoforma più lunga 2N4R, e molti di questi siti sono accessibili solo nella forma non ripiegata (Hanger DP et al., 2009). Le proteina fosfatasi 1 (PP1), 2A, 2B, 2C e la 5 sono state implicate nella desfosforilazione della Tau. Tra queste, la 2A è quella che si occupa del 70% dell’attività di defosforilazione di questa proteina a livello encefalico, e la sua attività è ridotta dal 20 al 40% nella malattia di Alzheimer (AD) (Gong CX et al., 1993). La riduzione dell’attività della fosfatasi PP2A nell’AD potrebbe essere dovuta a modificazioni post-traduzionali nel dominio catalitico, una diminuzione dell’espressione della fosfatasi stessa o un aumento degli inibitori della fosfatasi. Degno di nota il fatto che le fosfotasi a differenza delle chinasi sono più sensibili ai cambiamenti di temperatura, infatti l’ipotermia inibisce le fosfatasi esponenzialmente, mentre le chinasi sono inibite in maniera lineare. Questo potrebbe spiegare perché durante il letargo e nell’ipotermia indotta da anestesia si osserva iperfosforilazione della proteina Tau (Planel E et al., 2004; Arendt T et al., 2003; Planel E et al., 2007). La fosforilazione della Tau è fondamentale nel controllare le funzioni fisiologiche di questa molecola, inclusa la capacità di legarsi ai microtubuli e quindi la stabilizzazione e l’assemblaggio ai microtubuli stessi. Infatti, la fosforilazione da parte delle chinasi MARK, PKA o CAMKII del motivo KXGS (in particolare sulla Ser262) sul dominio ripetuto della Tau può scatenare il distacco della Tau dai microtubuli, invece, la fosforilazione su motivi Thr-Pro o Ser-Pro sulla regione adiacente non influenza il binding della Tau ai microtubili
64
(Lu PJ et al., 1999). La proteina Tau può essere soggetta ad altri tipi di modificazioni post-traduzionali come la glicosilazione, glicazione, deaminazione, isomerizzazione, nitrazione, metilazione, ubiquitinazione, sumoilazione e rimozione dei gruppi C- e N- terminale. Infatti, negli encefali di pazienti con AD si è osservata la presenta di N- glicosilazione, che sembra mantenere e stabilizzare i polimeri filamentosi di Tau. In generale, tutte queste modificazioni sono state riscontrate nei polimeri di proteina Tau, dove probabilmente favorisce il processo di aggregazione (Watanabe A et al., 2004). La distribuzione della Tau è regolata da fattori ambientali, infatti, nei neuroni giovani si trova principalmente nel corpo cellulare e nel neurite. Nel neurone sviluppato invece si accumula principalmente a livello dell’assone, e in minore quantità nei dendriti e nei nuclei. Il meccanismo che porta a questa distribuzione polarizzata all’interno dei neuroni non è ancora stato completamente chiarito ma sembra essere associato al fatto che l’mRNA della Tau tende a localizzarsi nella regione prossimale dell’assone, inoltre, a livello somatodendritico la proteina Tau ha un turnover molto più elevato rispetto a quello che ha a livello assonale. Comunque, il sorting di questa proteina sembra essere influenzato anche dal tipo di isoforma, in quanto isoforme diverse presentano una distribuzione diversa nei compartimenti cellulari (Wang Y e Mandelkow E, 2015).
65