Ruolo del mitocondrio nell’omeostasi del Ca 2+ nella SLA

I mitocondri sono protagonisti onnipresenti, versatili e dinamici nel de- terminare sia la sopravvivenza sia la morte cellulare. Proprio come i mi- tocondri, il Ca2+ _{rappresenta un fattore chiave nella segnalazione intra-}

cellulare, che regola molti processi critici. Data la loro natura ubiquitaria, la regolazione di entrambi è profondamente interconnessa, per cui il

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Ca2+ _{regola le funzioni mitocondriali, mentre il mitocondrio a sua volta}

condiziona le dinamiche dello ione.

Uno squilibrio nelle dinamiche del Ca2+ _{o nella segnalazione mitocon-}

driale alterano le funzioni cellulari, causando danni o addirittura la morte cellulare. Diversi studi hanno correlato un’alterata omeostasi del Ca2+

non solo alla SLA, ma anche a diverse malattie metaboliche come il cancro, l’obesità e l’ipertensione polmonare.86

Un’alterata omeostasi del Ca2+_{, da parte di SOD1 mutata, impedisce un}

corretto trasporto mitocondriale ed ostacola la normale segnalazione del Ca2+ _{per Miro1 e le sue interazioni con altri componenti del sistema}

di trasporto, come ad esempio i motori chinesina o dineina e gli adatta- tori di carico, interrompendo in tal modo la regolazione della motilità mi- tocondriale.

Un sovraccarico di Ca2+ _{si manifesta quando la concentrazione di tale}

ione nel citoplasma dei mitocondri diventa superiore alla loro capacità di contenimento, causando de-energizzazione, produzione di ROS, e in definitiva la formazione del poro di transizione della permeabilità mito- condriale (Mitochondrial Permeability Transition Pore, MPTP). La for- mazione del MPTP porta ad un rapido aumento della permeabilità della membrana interna a ioni e a soluti, con conseguente dissipazione del potenziale di membrana, perdita di sintesi di ATP e dell'omeostasi io- nica, nonché la diffusione di soluti.

Il sovraccarico di Ca2+ _{mitocondriale risulta inoltre associato all'attiva-}

zione di percorsi di morte cellulare, ed è stato osservato in molte condi- zioni morbose. Tuttavia, le dinamiche con cui tale incremento viene in- nescato non sono del tutto chiare, ma è probabile che i difetti nei pro- cessi bioenergetici mitocondriali, come quelli trovati nei mitocondri con SOD1 mutata, possano diminuire la loro capacità di gestire il Ca2+ _e

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Na+_/Ca2+ _{nei mitocondri potrebbero essere coinvolti come causa di un}

eccesso di Ca2+ _{mitocondriale nella SLA, sebbene questo meccanismo}

putativo non sia stato ancora direttamente esplorato.

Un altro potenziale fattore potrebbe essere il legame fisico e funzionale tra il mitocondrio ed il reticolo endoplasmatico. Il trasferimento di Ca2+

dai grandi depositi del reticolo endoplasmatico al mitocondrio dipende dalla posizione dei due organelli, e si pensa che si verifichi dove la mem- brana mitocondriale ed il reticolo endoplasmatico sono a stretto con- tatto. È stato dimostrato che più breve è la distanza tra i due organelli, maggiore sarà l’accumulo di Ca+ _{mitocondriale rilasciato dal reticolo en-}

doplasmatico, seguito dalla morte cellulare.

Dal momento che SOD1 mutata si accumula nel reticolo endoplasma- tico e nelle membrane mitocondriali, la struttura di questi “punti caldi del Ca2+_{” potrebbe essere alterata, attivando una segnalazione anomala}

dello ione.

La morte cellulare, attivata dal sovraccarico di Ca2+ _{mitocondriale, com-}

porta l'apertura di MPTP, il rilascio del citocromo C e l’attivazione dell’apoptosi a valle. Il citocromo C rilasciato nel citoplasma può propa- gare il segnale apoptotico, legandosi al recettore dell’inositolo trifosfato sul reticolo endoplasmatico, per desensibilizzare l’autoinibizione del re- cettore per il Ca2+_{, causando un ulteriore rilascio dello ione dai depositi}

del reticolo endoplasmatico.

La ciclofillina D, proteina della famiglia delle ciclofilline, ritarda l'insor- genza del MPTP ed ha un effetto protettivo contro la morte neuronale in modelli di ischemia. Nella SLA è stato segnalato che l'eliminazione della ciclofillina D nei topi G93A transgenici per la SOD1 umana mutata po- sticipa l’insorgere della malattia ed estende la durata della vita. Inoltre, diversi studi effettuati su topi di questo tipo, utilizzando l'immunosop- pressore ciclosporina A che si lega alla ciclofilina D per inibire MPTP,

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suggeriscono che l'inibizione del MPTP può essere di beneficio per la SLA.

Un altro meccanismo attraverso il quale il Ca2+ _{può partecipare all’atti-}

vazione dei processi di morte cellulare avviene mediante la formazione di ROS a livello mitocondriale. Questi ultimi possono essere dannosi per le proteine, per i lipidi e per il mtDNA.

Un aumento della disfunzione mitocondriale incrementa la produzione di ROS aumentando il flusso di Ca2+ _{nei mitocondri. Elevate concentra-}

zione di Ca2+ _{mitocondriale possono favorire il rilascio del citocromo C,}

attraverso un meccanismo che coinvolge l'ossidazione della cardiolipina mediata dai ROS. Una volta ossidata, la cardiolipina cambia le sue pro- prietà fisiche, con conseguente rilascio del citocromo C.

La perossidazione lipidica e la dissociazione del citocromo C dalla mem- brana mitocondriale interna sono stati segnalati nei topi transgenici SOD1. Infine, la deregolazione del Ca2+ _{intracellulare può anche essere}

collegata alla morte necrotica dei neuroni.

Nella SLA un eccessivo accumulo di Ca2+ _{intracellulare è responsabile}

della neurotossicità mitocondriale e della morte dei motoneuroni. Tale incremento, nel citoplasma di questi organelli, potrebbe essere dovuto ad una sovrastimolazione del recettore per il glutammato, che risulta essere una causa scatenante della malattia.

A sostegno di questa ipotesi, un aumento dei livelli di glutammato sono stati trovati nel liquor dei pazienti con SLA, mentre altri studi hanno ri- scontrato una riduzione di tali livelli in alcune aree del SNC. I motoneu- roni esprimono recettori ionotropici (AMPA e NMDA) e metabotropici del glutammato e sono particolarmente sensibili all’eccitotossicità del glu- tammato, esercitata attraverso i recettori AMPA con poche subunità GluR2 che causano un aumento della permeabilità del Ca2+_{. È stato di-}

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mostrato inoltre che difetti dell’editing del RNA delle subunità GluR2 au- mentano la permeabilità al Ca2+ _{nei motoneuroni. È interessante notare}

che l’espressione della subunità GluR2 nei motoneuroni risulta essere regolata dagli astrociti e fornisce una protezione contro l’eccitotossicità da glutammato, mediata dai recettori AMPA: questo effetto protettivo viene meno quando la SOD1 mutata viene espressa negli astrociti. In alternativa, la SOD1 mutata può esporre i motoneuroni a livelli elevati di Ca2+ _{intracellulare, compromettendo l’estrusione dello ione dal cito-}

sol. È stato constatato che l'afflusso del Ca2+ _{attraverso i recettori AMPA}

o i canali del Ca2+ _{voltaggio-attivati nei motoneuroni con la forma SOD1}

mutata non differiva dai controlli pur avendo questi motoneuroni una clearance del Ca2+ _{citosolico più lenta e, quindi, un livello più alto di Ca}2+

intracellulare.

La SOD1 mutata espressa negli astrociti contribuisce anche alla eccito- tossicità del glutammato. Ridotti livelli dei trasportatori del glutammato negli astrociti (GLT1 e EAAT2, murino e umano, rispettivamente) sono stati costantemente riportati sia nei pazienti con SLA sia nei modelli ani- mali; ciò comporta la presenza persistente del glutammato a livello si- naptico. Una riduzione dei trasportatori del glutammato negli astrociti può essere causata da un danno ossidativo delle proteine o da una scis- sione mediata dalle caspasi.70

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