Funzione e struttura sinaptica e ritardo mentale

Recenti studi sul ritardo mentale suggeriscono che difetti nella sinaptogenesi, nell’attività e nella plasticità sinaptica sono processi cellulari cruciali che, probabilmente, sottendono il deficit cognitivo. In accordo a questa ipotesi emergente, la maggior parte delle proteine codificate da geni coinvolti nel MR sono localizzate nei compartimenti cellulari pre e/o post sinaptici.

Figura 3.5: Geni associati a ritardo mentale e meccanismi di trasmissione e plasticità sinaptica.

73 vescicole sinaptiche, l’espressione genica e le dinamiche del citoscheletro. Le proteine responsabili di ritardo mentale sono colorate in rosso (Vaillend et al., 2008).

Ad eccezione dei fattori di trascrizione e delle proteine che rimodellano la cromatina, questa localizzazione cellulare è valida per la maggior parte delle proteine correlate al MR note, tra le quali FMRP, OPHN1, NLGN4, DLG3, Rab GDI, Neurotrypsina e probabilmente PAK3. (Chelly et al, 2006).

La sindrome dell’X fragile (FXS), è causata dal silenziamento trascrizionale del gene FMR1, mediato da un’espansione massiva di una ripetizione CGG nel 5’UTR.

Il prodotto del gene FMR1, FMRP, è una proteina che lega l’RNA ed è coinvolta nel trasporto dendritico degli mRNA. Nelle spine dendritiche FMRP è sintetizzata in risposta all’attivazione dei recettori metabotropici del glutammato (mGluR) e si associa ai poliribosomi (Weiler IJ etal, 1997). È stato dimostrato che anomalie, morfologiche e funzionali delle sinapsi nella corteccia cerebrale, nel cervello e nell’ippocampo contribuiscono al deficit cognitivo nei pazienti affetti dalla malattia dell’X fragile. (Bagni C et al,2005; Chelly et al, 2006).

L’identificazione, in pazienti affetti da MR, di mutazioni che colpiscono geni implicati nel meccanismo di segnalazione delle Rho GTPase come OPHN1, PAK3, ARHGEF6 e FGD1, ha ulteriormente sottolineato l’importanza della struttura, funzione e controllo delle sinapsi nella patofisiologia del MR. (J. Chelly et al, 2006). OPHN1 interagisce con Homer, una proteina che lega i recettori del glutammato (GluR-1) e influenza la morfogenesi delle spine e la trasmissione sinaptica (Govek EE et al, 2004; J. Chelly et al, 2006).

PAK3 (chinasi attivata da p21) è un membro della famiglia delle proteine PAK attivate dalle 2 piccole GTPases, Rac e Cdc42 (Meng J et al,2005; Boda B et al,2004; Govek EE et al, 2004).

Il coinvolgimento di PAK3 nella formazione e nella plasticità delle sinapsi, è stato chiaramente dimostrato: la sua inattivazione porta alla formazione di spine dendritiche anormali, una ridotta attività sinaptica spontanea e un difettoso potenziamento a lungo termine (LPT)( Boda B et al,2004); topi knockout mancanti di PAK3 e mostrano significative anomalie nella plasticità sinaptica, alterazioni nella morfologia, densità e lunghezza delle spine e deficit nella memoria e nell’apprendimento. (Meng J et al,2005; J. Chelly et al, 2006).

74 È stato ipotizzato che anche un altro gruppo di geni coinvolti nel MR come NLGN4, DLG3, IL1RAPL e GDI1, possa essere implicato nella regolazione dell’attività sinaptica.

Ad esempio il gene NLGN4 è stato trovato mutato in un ampio spettro di fenotipi, dal MR lieve alla sindrome di Asperger (Jamain S et al, 2003). La proteina NLGN4 è un membro della famiglia delle neuroligine, ed è particolarmente abbondante nelle membrane delle sinapsi eccitatorie ed inibitorie (Dean C et al,2003; Scheiffele P etal,2000 ; J. Chelly et al, 2006).

Le mutazioni che alterano la stechiometria interna dei complessi proteici delle sinapsi, o mutazioni dominanti negative che cambiano la struttura delle singole proteine, hanno probabilmente una conseguenza funzionale, non solo per le forme di MR X- linked ma anche per le forme autosomiche dominanti. Infatti, uno screening di mutazioni in un campione di 94 pazienti con ID idiopatico ha recentemente identificato tre mutazioni de novo in eterozigosi che troncano il gene SYNGAP1. (Hamdan FF et al, 2009).

SYNGAP1 è espresso nelle sinapsi e media la plasticità sinaptica, controllando l’inserimento dei recettori alfa-amino-3-idrossi-5-metil-4-isoazolo (AMPA) nella membrana sinaptica e regolando il citoscheletro dell’actina attraverso la fosforilazione della cofilina. (Hamdan FF et al, 2009).

Inoltre, in uno studio condotto su 95 pazienti con ID idiopatico sono state identificate due mutazioni in eterozigosi che inattivano il gene STXBP1, entrambe sono de novo ed assenti in controlli sani. STXBP1 ha una funzione regolatoria essenziale nella fusione, mediata da SNARE, delle vescicole sinaptiche con la membrana presinaptica e nel rilascio dei neurotrasmettitori nello spazio sinaptico. (Hamdan FF et al, 2009). Infine, varie mutazioni de novo che inattivano il gene FOXG1 sono state trovate in una coorte di 310 pazienti con ID idiopatico. FOXG1 codifica per un fattore di trascrizione, la presenza in eterozigosi di una mutazione che distrugge questo gene è stata associata a grave MR e anomalie dello sviluppo del cervello, e recentemente, diverse mutazioni di FOXG1 sono state trovate in pazienti con varianti congenite della sindrome di Rett. (Shoichet SA et al, 2005)

Questi studi suggeriscono che, nelle popolazioni Occidentali, tra pazienti con MR idiopatico e sporadico sono sorprendentemente comuni mutazioni de novo nei geni espressi nel cervello. Sebbene le definizioni dei processi neurologici responsabili del MR sono ad uno stadio precoce, nell’insieme questi dati suggeriscono che la perdita

75 di regolazione dei meccanismi che regolano l’attività e la plasticità sinaptica, potrebbe essere una delle basi cellulari che contribuiscono al MR sia autosomico che X linked. (J. Chelly et al, 2006).

Kandel e collaboratori (2001), hanno costruito un parallelo tra la disfunzione sinaptica, responsabile del deficit cognitivo, e le variazioni biochimiche delle sinapsi, associate a cambiamenti di forme semplici di immagazzinamento della memoria a lungo e breve termine (Kandel ER et al, 2001). Nel loro ‘modello’ descrivono il processo di immagazzinamento della memoria e l’apprendimento come un ‘dialogo tra i geni e le sinapsi’: loro propongono che la memoria a breve termine risulta dagli immediati cambiamenti biochimici delle sinapsi (come l’attivazione di CaMKII e l’aumento nell’attività del recettore del glutammato AMPA), mentre l’immagazzinamento della memoria a lungo termine richiede generalmente la trascrizione e la traduzione di nuove proteine che incrementano la forza o il numero delle sinapsi attive.

A favore di questo modello, che combina effetti a breve e a lungo termine con le attività sinaptiche, c’è il coinvolgimento dei fattori di trascrizione e di rimodellamento della cromatina nel MR. (J. Chelly et al, 2006).

La disfunzione delle proteine codificate dai geni coinvolti nelle varie forme di MR potrebbe portare, tramite alterata regolazione di specifici meccanismi e processi cellulari, a difetti nella struttura e/o funzione sinaptica, e nella connessione dei neuroni, forse ostacolando la capacità del cervello di processare le informazioni. (J.Chelly et al, 2006).

La comprensione dei meccanismi patogenetici è un prerequisito fondamentale per lo sviluppo di medicinali. Infatti, studi in Drosofila hanno dimostrato che utilizzando antagonisti farmaceutici del mGluR si possono recuperare difetti di plasticità sinaptica, del corteggiamento e della crescita veloce del corpo in un modello della sindrome dell’X fragile: il trattamento delle mosche adulte con la pirimidina 2-metil- 6-feniletinil (MPEP), l’antagonista dell’mGluR, può recuperare la memoria a breve termine e normali comportamenti di corteggiamento. (de Vrij FM et al, 2008; McBride SM et al, 2005). Lo scopo è ridurre l’eccessiva attivazione della traduzione di mRNA mediata dall’mGluR, per ridurre l’attività di una o varie proteine che sono sovra espresse a causa della perdita di regolazione mediata da FMRP, in modo tale da rafforzare le connessioni sinaptiche o restaurando l’attività di AMPA, o recuperando altre anomalie dei neurotrasmettitori nel sistema nervoso centrale.

76 La comprensione dei meccanismi patogenetici è un prerequisito fondamentale per lo sviluppo di medicinali, ma al contrario delle FXS, la funzione della maggioranza degli altri geni di ID è per lo più sconosciuta, eccetto per i disordini che sono dovuti a difetti metabolici.

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