Triplette di troppo

Per gli appassionati di musica folk statunitense basta il nome di Woodie Guthrie per far risuonare nella testa le note dell’indimenticabile This land is your land. Ma per chi si interessa di genetica, il nome di Guthrie porta con sé anche un altro ricordo: il menestrello dell’Oklahoma, al quale si è ispirato a lungo lo stesso Bob Dylan, è anche uno dei primi casi di malattia di Huntington ad aver raggiunto l’opinione pubblica. La diagnosi arrivò per lui nel 1952, in un’epoca in cui si sapeva poco o nulla della malattia e di come trattarla. La sua salute si deteriorò rapidamente e il cantante morì nel 1967, ad appena 55 anni. Alla sua morte, la moglie Marjorie iniziò una campagna per sensibilizzare l’opinione pubblica su questa malattia e i suoi sforzi portarono alla nascita della Huntington’s Disease Society of America (HDSA), che da cinquant’anni promuove la raccolta di fondi per lo studio di questa malattia.

Woodie Guthrie, il cantante folk statunitense morto nel 1967 (Immagine: Wikimedia Commons).

La malattia di Huntington è la più diffusa patologia neurodegenerativa ereditaria e fa parte delle malattie da ripetizione di triplette (o TNRE, TriNucleotide Repeat Expansion): queste patologie sono causate dall’espansione anomala di sequenze ripetute di tre nucleotidi, su cui il genoma finisce per inciampare amplificando ancora di più la mutazione. Queste malattie sono rare ma molto gravi, e non esiste al momento una cura. Di recente, i risultati preliminari di uno studio clinico hanno però riacceso la speranza, dimostrando che l’iniezione in vivo di miRNA potrebbe in futuro impedire la comparsa nei sintomi.

 

Che cosa sono le mutazioni da ripetizioni di triplette?

Sostituzioni di basi, delezioni, inserzioni: i modi in cui il DNA può mutare accidentalmente sono tanti, così come diverse sono le conseguenze di queste alterazioni (vedi tabella). Tra tutti i tipi di mutazioni c’è una categoria che è rimasta a lungo un territorio inesplorato della genetica: le mutazioni da ripetizioni di triplette (chiamate anche mutazioni da espansione di triplette). Fanno parte delle mutazioni dinamiche del genoma, in cui una sequenza di tre nucleotidi inizia a replicarsi in modo incontrollato, creando lunghe stringe di triplette tutte identiche.

La ripetizione di corte sequenze non è un’anomalia di per sé – nel genoma ne sono presenti moltissime sotto forma di microsatelliti – ma le mutazioni da triplette causano una grave instabilità dei loci in cui si trovano, alterando la funzione del gene. Dal punto di vista molecolare, l’amplificazione del numero di triplette potrebbe essere una conseguenza della replicazione del DNA: la ripetizione in tandem di trinucleotidi tutti uguali favorirebbe lo slittamento della DNA polimerasi: un po’ come se nella lettura di triplette tutte uguali l’enzima “perdesse il segno” e ne leggesse qualcuna in più. Queste triplette aggiuntive, appaiandosi l’una con l’altra, possono formare una struttura a forcina (hairpin) che, al secondo ciclo di replicazione, fa da stampo per il nuovo filamento: il risultato è che un numero maggiore di triplette viene incorporato in modo stabile nel DNA.

La formazione di forcine durante la replicazione del DNA è uno dei possibili meccanismi di espansione delle triplette (Immagine: Liu and Leffak, Cell and Bioscience 2012).

 

Lo studio di queste mutazioni ha fatto passi da gigante dal 1992, anno in cui l’espansione del trinucleotide CTG fu riconosciuta come la causa della distrofia miotonica di tipo 1 (DM1), la più comune forma di distrofia degli adulti. Da allora, 22 malattie a base neurologica sono state associate a questo tipo di mutazioni, ognuna delle quali si distingue per il tipo di tripletta ripetuta e per il gene bersaglio della mutazione.

A fronte di questa varietà, ci sono due aspetti che sembrano condivisi da tutte queste malattie: primo, l’insorgenza dei sintomi è tanto più precoce quanto maggiore è il numero di triplette replicate; secondo, il numero di triplette della mutazione aumenta nel passaggio da genitori a figli. Insieme, questi due aspetti fanno sì che di generazione in generazione la malattia si manifesti sempre più precocemente oppure con sintomi sempre più gravi: questo fenomeno è detto anticipazione.

 

Come vengono classificate le malattie da ripetizione di triplette?

Le malattie da ripetizioni di triplette possono essere classificate in base alla posizione in cui si manifesta l’espansione, che può avvenire all’interno delle porzioni non codificanti del gene (introni) o codificanti (esoni). Il primo gruppo comprende malattie molto diverse tra loro: la sindrome dell’X-fragile (FRAXA), il ritardo mentale XE fragile (FRAXE), la distrofia miotonica (DM), l’atassia di Friedreich (FRDA), l’atassia spinocerebellare di tipo 8 (SCA8) e di tipo 12 (SCA12). Per quanto causate da triplette differenti, queste malattie portano tutte a sindromi caratterizzate dalla degenerazione di diversi tessuti.

Le malattie del secondo gruppo, causate da espansioni in un esone, vengono classificate sulla base dell’amminoacido prodotto, come l’alanina o la glutammina. Il gruppo più numeroso è quello delle malattie polyQ, caratterizzate dall’espansione del trinucleotide (CAG)n che codifica per la glutammina (indicata con la lettera Q). Fanno parte di questo gruppo le più comuni malattie neurodegenerative ereditarie, come la malattia di Huntington (HD), la distrofia spinobulbare muscolare (SBMA) e diversi tipi di atassia spinocerebellare (SCA1, SCA3, SCA6 e SCA7).

È interessante notare che, nonostante le proteine colpite dalla mutazione siano spesso diffuse a tutto il sistema nervoso, ciascuna di queste malattie porta alla perdita selettiva di specifici neuroni: nella malattia di Huntington i neuroni spinosi-medi dello striato sono i primi a degenerare, mentre le atassie spinocerebellari sono caratterizzate dalla degenerazione dei neuroni del cervelletto.

 

Un caso emblematico: la malattia di Huntington

La malattia di Huntington (o HD, dall’inglese Huntington Disease) è una delle malattie da ripetizione di triplette più studiate. Si tratta di una malattia neurodegenerativa ereditaria, in cui le funzioni psicologiche, motorie e cognitive diminuiscono in modo graduale ma irreversibile. I sintomi compaiono in genere in età adulta, anche se esistono casi di insorgenza precoce. È una malattia autosomica dominante, causata dall’espansione di trinucleotidi CAG nella porzione codificante del gene HTT, localizzato sul cromosoma 4, che esprime la proteina huntingtina.

Còrea, una danza senza tregua

La malattia di Huntington è nota anche con il nome di còrea di Huntington. Il termine còrea deriva dal greco ‘χορεία’, «danza», e si riferisce alle contrazioni muscolari e ai movimenti involontari tipici di diverse malattie neurologiche. In Italia, queste condizioni venivano in passato chiamate anche ballo di san Vito, dal nome del santo che nel Medioevo veniva invocato per guarire questi disturbi. In questa categoria rientrano sia malattie infettive, come la còrea reumatica o di Sydenham, sia malattie degenerative come la còrea di Huntington (ereditaria) e la còrea senile.

L’articolo «On Chorea» del 1872 in cui George Huntington descrisse per la malattia che porta il suo nome (Immagine: Wikimedia Commons).

 

La prevalenza della malattia di Hungtington è massima nelle popolazioni nel Nord Europa, dove si pensa che la mutazione sia comparsa, e nei loro discendenti in Nord America e in Australia. Nel mondo, la HD ha attualmente una prevalenza di circa 3-7 casi ogni centomila abitanti di discendenza europea occidentale; in Italia sono circa 6000 le persone ammalate e 18000 quelle a rischio di ereditare la malattia.

Prevalenza a livello globale della còrea di Huntington: la malattia è diffusa nelle popolazioni dell’Europa occidentale e in quelle di derivazione europea, come Stati Uniti e Australia (Immagine: Hungtington Srudy Group).

 

Nonostante la HD sia molto rara, il rischio di trasmissione è elevato perché i sintomi compaiono generalmente in età adulta, quando la mutazione può già essere stata trasmessa ai figli. Nel gene HTT non mutato il trinucleotide CAG è ripetuto dalle 10 alle 35 volte. Le persone affette da HD presentano invece 36 – 120 ripetizioni. È però importante sottolineare che 36-39 ripetizioni non necessariamente portano alla malattia, che invece compare quasi inevitabilmente oltre le 40 triplette. A causa del fenomeno dell’anticipazione, può inoltre accadere che genitori asintomatici possano avere figli affetti da HD. È questo il caso delle persone portatrici di 27-35 triplette: pur non manifestando la malattia, l’amplificazione alla generazione successiva può portare a superare la soglia delle 36 ripetizioni e quindi alla comparsa dei sintomi nei figli.

 

Qual è la correlazione tra numero di triplette e comparsa della malattie?

Nella malattia di Huntington, la correlazione quasi “matematica” tra numero di triplette e comparsa della malattia non è del tutto chiara, ma è probabile che l’aumento delle ripetizioni porti a una versione molto più lunga della huntingtina, che viene poi tagliata in frammenti più piccoli ricchi in polyQ. Questi frammenti tendono ad aggregarsi e ad accumularsi nei neuroni, alterando in modo irrevocabile le funzioni cellulari. Oltre agli effetti tossici delle sequenze polyQ, è però probabile che la mutazione agisca anche inattivando le normali funzioni dell’huntingtina. Questa proteina potrebbe infatti giocare un ruolo nello sviluppo del cervello e, in particolare, nei neuroni dello striato, con funzioni anti-apoptotiche e di trasmissione del segnale intracellulare.

Accumuli nucleari (in arancione) all’interno di neuroni dello striato, colorati in giallo (Immagine: Wikimedia Commons).

 

Come nell’HD, anche nelle altre malattie i ricercatori ritengono che siano in gioco due meccanismi patogenetici: la proteina mutata può perdere la sua funzione originaria (loss of function) oppure, grazie al tratto di poliglutammina o di polialanina, può acquistarne di nuove (gain of function), che alterano il funzionamento della cellula. Nonostante ciascuna malattia coinvolga l’espansione di triplette in geni diversi, è quindi possibile che queste mutazioni condividano, almeno in parte, un meccanismo patogenetico comune, come per esempio l’accumulo di frammenti polyQ in tutte le malattie con espansione CAG.

Sono stati inoltre descritti casi di tossicità cellulare in cui l’accumulo degli RNA con espansioni di CUG altera i processi di splicing: l’effetto a cascata sulle funzioni cellulari è potenzialmente disastroso e potrebbe essere condiviso da tutte le malattie con espansioni della stessa tripletta. In aggiunta, diversi studi suggeriscono anomalie nelle modificazioni post-traduzionali delle proteine, nel funzionamento dei mitocondri, nei processi di autofagia, nel trasporto assonale e nell’attività sinaptica dei neuroni colpiti: meccanismi diversi ma che i ricercatori non escludono possano coesistere nella stessa malattia.

L’evoluzione dell’HD: too much of a good thing?
Il gruppo di ricerca di Elena Cattaneo lavora da anni per scoprire la funzione della huntingtina. Il gene HTT è evolutivamente molto antico, ma è solo negli echinodermi come Strongylocentrotus purpuratus che fanno per la prima volta la loro comparsa le triplette CAG. Dal punto di vista evolutivo, questo evento segna un punto a favore dello sviluppo di reti neuronali e di funzioni cerebrali sempre più complesse. Studi recenti suggeriscono inoltre che un aumento nel numero di triplette favorisce le funzioni dei neuroni, purchè questo numero non superi la soglia delle 36 ripetizioni, oltre la quale può comparire la malattia.
Se queste scoperte verranno confermate, la malattia di Huntington potrebbe rivelarsi uno sfortunato incidente dell’evoluzione: quello che doveva essere un modo per aumentare le prestazioni cerebrali si è ritorto contro di noi, portando in alcuni casi a un’amplificazione anomala delle triplette e all’insorgenza dell’HD.

In cerca di una terapia

La complessità molecolare all’origine delle malattie da triplette ha dato vita a numerose piste parallele di ricerca e ha permesso di identificare diversi bersagli molecolari per potenziali farmaci. Un caso emblematico è, ancora una volta, quello della malattia di Huntington, per la quale non esiste ad oggi una cura efficace al di là dei farmaci per gestire i sintomi. Le strade percorribili sono al momento due: ripristinare la funzione normale della huntingtina (HTT) oppure inibire gli effetti tossici della sua forma mutata.

Un esempio della prima strategia è quello seguito dal gruppo di ricerca di Elena Cattaneo dell’Università di Milano. I sintomi dell’HD potrebbero derivare dalla perdita della funzione della HTT, che in condizioni normali sembra favorire la produzione della neurotrofina BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor), proteggendo i neuroni dello striato da una degenerazione prematura. Se questo meccanismo verrà confermato, la via molecolare che collega l’HTT al BDNF potrebbe diventare un target chiave per nuovi farmaci contro l’HD.

Il gruppo di ricerca di Elena Cattaneo è un’eccellenza a livello internazionale per lo studio delle malattie neurodegenerative e delle cellule staminali neuronali. Un approfondimento è disponibile in queste due interviste dell’Aula di Scienze:

La seconda strada è forse quella che al momento catalizza la maggior parte degli sforzi della ricerca. L’idea è quella di interferire con l’effetto tossico della HTT mutata, bloccandone l’espressione con miRNA (microRNA): questo approccio di gene silencing (silenziamento genico) ha dato risultati incoraggianti nei modelli animali e ha spianato la strada al primo test clinico sperimentale nell’uomo. È di pochi mesi fa (dicembre 2017) l’annuncio dei primi risultati con il farmaco Ionis-HTTRx, un miRNA che intercetta il trascritto dell’HTT mutata e lo degrada prima che la proteina possa essere prodotta e accumularsi nei neuroni dello striato. Dopo più di dieci anni di sviluppo preclinico, il farmaco Ionis-HTTRx è stato somministrato a 46 pazienti con HD in fase precoce. Superando le aspettative dei ricercatori stessi, Ionis-HTTRx ha diminuito in modo significativo i livelli di HTT mutata nel fluido spinale. Il farmaco, che è stato ben tollerato dai pazienti, verrà testato a breve in uno studio clinico di fase III, per dimostrare la sua efficacia nel migliorare o impedire la comparsa dei sintomi. Anche volendo frenare gli entusiasmi, questa prima sperimentazione segna un momento storico nella ricerca dell’HD. È infatti la prima volta che un farmaco permette di interferire in vivo con il difetto genico dell’HD: se ne verrà confermata l’efficacia, i miRNA potrebbero inaugurare una nuova era nel trattamento di malattie che, come quelle da ripetizioni di triplette, sono rimaste troppo a lungo orfane di una terapia efficace.

 

Immagine Banner: Wikimedia Commons

Immagine Box: Lara Rossi

Per la lezione

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