Esperienze e opinioni

Alcune mutazioni genetiche ereditarie portano al morbo di Alzheimer (MA), ma sono relativamente rare. Uno studio recente del mio laboratorio, tuttavia, dimostra che anche le alterazioni genetiche non trasmesse dai genitori possono avere un ruolo chiave nell'innescare la malattia. Questo è il risultato di un processo che si verifica nel nucleo della cellula, chiamato 'ricombinazione genetica' (GR), che può apportare modifiche al «prototipo» del DNA nei neuroni umani.

Il GR neuronale agisce su un gene chiamato APP (proteina precursore dell'amiloide), che ha un ruolo centrale nel MA, e produce migliaia di varianti del DNA dell'APP. Tali varianti possono esserci nel cervello normale, ma sono ulteriormente alterate nel MA. Se i nostri dati saranno confermati, ciò indicherebbe che la ricombinazione in questi neuroni può essere coinvolta nel processo patologico che porta al MA. E i nostri risultati indicano anche una classe di farmaci esistenti, approvati per altri disturbi, che possono interrompere la GR e quindi potrebbero essere usati per trattare il MA.

Storicamente, si è pensato che le cellule cerebrali e la maggior parte delle cellule del nostro corpo contenessero un modello identico di DNA, o genoma. Sapevamo di un'eccezione nelle cellule del sistema immunitario (cellule B e T), che erano i primi e finora i soli tipi di cellule conosciute a subire la GR somatica, implicando che i cambiamenti GR non passano alla prole, a differenza dei cambiamenti della linea germinale che colpiscono le cellule sessuali.

Nel sistema immunitario, la ricombinazione genica crea recettori specializzati che riconoscono il sé dal non-sé (tecnicamente, immunoglobuline e recettori di cellule T formati dalla GR). La scoperta della GR nel sistema immunitario da parte di Susumu Tonegawa negli anni '70 è stata preceduta da un lavoro teorico e da osservazioni sul sistema nervoso del pesce che suggeriscono che la ricombinazione potrebbe essere rilevante per il cervello. Tuttavia, a differenza del sistema immunitario, non vi era alcun candidato molecolare per la GR nei pesci e tanto meno negli umani, e languiva la nozione di ricombinazione genetica nel cervello.

Ma all'inizio del 21° secolo, i ricercatori hanno scoperto un messaggero della GR. Abbiamo scoperto che le sequenze di DNA variano da cellula a cellula, il che significa che il nostro cervello è un vasto mosaico di genomi distinti, un fenomeno chiamato 'mosaicismo genomico'. Questi cambiamenti sono distinti dai cambiamenti epigenetici che non influenzano direttamente le sequenze del DNA.

Gli scienziati hanno ora identificato più cambi di sequenza che sono piuttosto vari e apparentemente casuali, consistenti in dimensioni decrescenti di interi cromosomi (aneuploidie), variazioni di numero di copie più piccole, persino elementi di ripetizione retrotrasposone LINE1 più piccoli e 'variazioni di singolo nucleotide' che alterano nucleotidi individuali.

Il mosaicismo genomico cerebrale esiste quindi, ma a cosa serve e come funziona? Osservazioni generali hanno dato supporto all'impatto del mosaicismo sull'espressione genica e sulla sopravvivenza cellulare. Tuttavia, non sono stati identificati fino ad oggi geni specificatamente modificati. Da notare che un certo numero di geni candidati sono stati esaminati nel corso degli anni per la GR, geni per i recettori olfattivi e alcune proteine ​​di adesione cellulare.

Altri approcci hanno identificato rotture del filamento di DNA nei geni neuronali durante lo sviluppo precoce del cervello del topo, che potrebbero essere coinvolte nella ricombinazione genica. Tuttavia, ancora una volta, non sono emersi geni provati.

Senza una proteina o un gene candidato in buona fede, questa ricerca è come cercare il proverbiale ago in un pagliaio. Inoltre, le cellule immunitarie - in particolare quelle dei tumori - possono crescere identicamente quando una cellula si divide con la mitosi (o 'espansione clonale') per amplificare lo stesso genoma e quindi consentire la sua analisi con mezzi convenzionali, in contrasto con i neuroni che non si dividono.

Le valutazioni a livello di una o più cellule sono quindi essenziali per comprendere la GR. Il problema che deve essere affrontato può essere illustrato attraverso un'analogia: una vernice marrone potrebbe essere composta omogeneamente da molecole di pigmento marrone, o invece formata da molecole di pigmento di altri colori che quando sono miscelate appaiono ancora marroni.

Tenendo conto di tutto ciò, siamo stati portati a condurre studi per valutare il mosaicismo nel cervello di MA. I nostri risultati hanno dimostrato un maggiore mosaicismo, in particolare per i numeri più elevati di copie APP. In particolare, alcuni segmenti di DNA nel gene APP non solo sono stati trovati amplificati in alcuni neuroni, ma alcuni segmenti di APP sono aumentati di numero più di altri, suggerendo la GR.

Pertanto abbiamo analizzato attentamente il gene APP usando nove distinti approcci tecnici applicati a singole cellule o piccoli gruppi di neuroni per spiegare il mosaicismo genomico in cervelli normali e di MA. Tutte queste analisi hanno prodotto le stesse conclusioni, scoprendo migliaia di nuove varianti APP caratterizzate da una serie di cambiamenti differenti di sequenza all'interno del progetto genomico del DNA, che assomigliavano a quelli che sono noti come 'DNA complementari' (cDNA). Questi cDNA, in breve, sono copie di molecole di RNA che forniscono il codice per produrre proteine.

Il coinvolgimento di un famoso enzima chiamato 'transcriptasi inversa', scoperto da David Baltimore e Howard Temin, è apparso creare cDNA che si auto-inserivano nel genoma (gencDNA), un processo che è diverso dalla GR del sistema immunitario, che non coinvolge la trascrittasi inversa e avviene nelle cellule mitotiche. Nei neuroni, anche un singolo gene può apparentemente dare origine a molte migliaia di forme distinte attraverso questo processo, aumentando enormemente la diversità genomica.

La ricombinazione genica avviene in risposta a stimoli che possono essere generalmente considerati come una forma di registrazione di un evento cellulare che usa gencDNA. Successivamente, il 'playback' del gencDNA potrebbe avere il vantaggio di non richiedere tanto tempo ed energia quanto il normale processo di trascrizione di un gene in una proteina.

Ad esempio, la GR può essere legata a stimoli sensoriali come vista, udito, gusto, tatto e odorato, nonché fattori neurochimici interni, anche farmaci, che potrebbero registrare e archiviare in modo efficace il gencDNA prodotto, consentendo in seguito la riproduzione dallo stesso, o forse da diverso, stimolo.

Nell'Alzheimer, la nostra ricerca implica un'istanza impazzita di GR, producendo gencDNA di APP con numeri e forme marcatamente aumentate, compresi i cambiamenti di nucleotide identici a quelli presenti nelle mutazioni ereditarie di MA, ma che si verificano somaticamente e solo mosaicamente nei neuroni di MA. L'esistenza di queste innumerevoli varianti APP può spiegare i passati fallimenti di tentativi terapeutici, che non erano in grado di puntare la moltitudine di entità molecolari variabili. Il coinvolgimento della trascrittasi inversa suggerisce la possibilità di nuove terapie volte a inibire l'enzima.

In effetti, ci sono già alcune prove che i pazienti affetti da HIV che hanno assunto inibitori della trascrittasi inversa per molti anni possono avere una minore incidenza di MA mentre invecchiano. In linea di principio, i farmaci approvati dalla FDA, come gli inibitori della trascrittasi inversa, potrebbero essere utilizzati oggi e potrebbero avere un beneficio speciale per le persone nelle categorie ad alto rischio per le quali attualmente non esistono trattamenti efficaci. La GR che colpisce diversi geni può essere alla base di una o più centinaia di altre malattie cerebrali e potrebbe anche interessare altri tipi di cellule oltre il cervello.