Antonino Cattaneo Quando i neuroni si ammalano e

Quando i neuroni si ammalano e
degenerano
Antonino Cattaneo
Scuola Normale Superiore
Le Frontiere della Biologia
Accademia dei Lincei e Normale per la scuola
23 febbraio 2016
1
La plasticita’ sinaptica funzionale: l’efficacia delle
sinapsi aumenta (o diminuisce) in modo duraturo
FIELD EPSP
1
250
1 mV
10 ms
2
2
200
HFS
150
1
100
0
-20
0
20
40
60
TIME (min relative to HFS)
80
Il problema della specificita’ sinaptica e
la sintesi proteica locale nei neuroni
La plasticita’ strutturale: spine
dendritiche….
…e nuovi neuroni (neurogenesi adulta)
Le interazioni geni-ambiente nelle patologie cerebrali
L’epigenoma: il
risultato di un gioco
tra “writers” (es.
HATs, HMTs) e
“erasers” (es.
HDACs, HDMs),
interpretato dai
“readers”.
10
Engramma: la traccia della memoria
‘Its result, namely, the enduring though primarily
latent modification in the irritable substance
produced by stimulus, I have called an Engram…’
Richard Semon, 1921
Quando i neuroni si ammalano e
degenerano




Malattia di Alzheimer
Malattia di Parkinson
Corea di Huntington
Sclerosi laterale amiotrofica…..e moltre altre
13
Perdere la memoria: la malattia
di Alzheimer
15
La malattia di Alzheimer: una emergenza
World Alzheimer Report 2015, ADI
Aspetti comuni a varie patologie





Vulnerabilita’ selettiva di specifiche
popolazioni neuronali
Aggregazione e misfolding di proteine
Perdita di sinapsi, prima che perdita di
neuroni (malattie sinaptiche)
Forme sporadiche e forme genetiche
La malattia comincia molto tempo prima che i
segni clinici siano manifesti
17
Eziologia e fattori di rischio
• Eta’
• Genetica
– Geni malattia (mutazioni puntiformi (autosomiche
dominanti o autosomiche recessive)),
amplificazioni geniche
– Alleli che aumentano il rischio (es. ApoE4 e TREM2
in AD)
• Fattori ambientali
• ?
18
Mutazioni genetiche che causano
neurodegenerazione
19
Corpi di Lewy: alfa-sinucleina
20
Placche di
Amiloide:
proteina APP
Grovigli neurofibrillari
(tangles): proteina Tau
Ripiegamento e aggregazione

L’aggregazione proteica
e’ un processo chimicofisico importante e
generico, nel
ripiegamento di una
proteina, in relazione al
suo panorama energetico
(energy landscape)
22
Aggregazione e ripiegamento:
processi in competizione
23
24
Il ripiegamento delle proteine e la loro
aggregazione nella cellula sono strettamente
regolate
25
Amiloidi funzionali: non solo patologia
26
Il concetto di prione: dal seme iniziale ai grossi
aggregati
Propagazione intra- ed inter-cellulare di
aggregati proteici
Perdere la memoria: la malattia di
Alzheimer



30
Non ci sono cure, solo trattamenti
sintomatici
Non e’ possibile una diagnosi precoce
Lo sviluppo della patologia nel cervello
precede di molti anni la comparsa dei
sintomi clinici (e quindi la diagnosi clinica)
Placche di
Amiloide:
proteina APP
Grovigli neurofibrillari
(tangles): proteina Tau
La patologia e’ caratterizzata non solo da placche di Ab e grovigli
neurofibrillari di Tau, ma anche da deficits colinergici ,
Paziente di 89 anni Paziente di 84 anni
affetto da AD
di controllo
La proteina associata ai microtubuli Tau
33
Vie amiloidogeniche e non amiloidogeniche nella
proteolisi di APP
LaFerla et al. Nature Rev. Neurosci 2007
Fasi precliniche e cliniche della MA
Riserva Cognitiva
Capacità cognitive
100%
Eventi causali a monte
Tempo
15 -20 anni
Fase preclinica
Esprdio Biologico
5-10 anni
Fase Clinica
Esordio Clinico
Alzheimer sporadico e familiare
• Mutazioni nei geni APP e Preseniline
• Tauopatie: mutazioni nel gene Tau causano
altre forme di demenza (FTD)
36
Come si studia? Da cosa partire?
• Dai geni-malattia e dalle proteine che
aggregano (modelli transgenici, studi cellulari)
• Dai fattori di rischio
• Dai meccanismi di neuroprotezione
• Da studi genetici di larghe coorti di individui
(GWAS) per individuazione di geni che
conferiscono rischio o protezione
37
L’ipotesi amiloide ha dominato la scena
negli ultimi anni ma…..
Immunoterapie per colpire Ab
39
Fallimenti delle sperimentazioni
cliniche dirette al peptide A b
• L’ipotesi e’ sbagliata?
• Trattamenti troppo tardivi? (problema della
diagnosi precoce)
• Specie molecolare “bersaglio” (A b fibrillare)
non ottimale?
• Molte strade diverse portano alla
neurodegenerazione
40
Molte strade differenti portano alla
neurodegenerazione
41



Colpire le forme precoci del peptide Ab
(Ab oligomers), identificando dove si
formano inizialmente
Colpire i meccanismi a monte della cascata
amiloidogenica e/o attivare meccanismi di
neuroprotezione (interrompere circoli viziosi)
Unificare gli studi sulla manipolazione degli
engrammi con le ricerche sulla
neurodegenerazione
42
Oligomeri di Aβ nella patogenesi della malattia di
Alzheimer
Oligomeri di A beta :
•100 volte piu’ neurotossici delle
fibrille
•Legano specificamente le membrane
sinaptiche
Aβ plaque
X
X
Anticorpi conformazionali anti-AβOs
Anticorpi conformazionali che neutralizzano
le fasi precoci della oligomerizzazione
45
Targeting intracellulare di anticorpiricombinanti anti-AβOs
Targeting intracellulare e sinaptico
1.
2.
3.
4.
5.
Citoplasma
Reticolo endoplasmico
Via secretoria
Mitocondri
Sinapsi (pre- e post-)
46
47
Intrabody scFvA13-KDEL in 7PA2 cells (fAD: hAPP_V717F)
Extracellular
Intracellular
Conditioned
Media
(CM)
Lysates
WB and DB analysis
(see also poster n.6)
Aβ
AβOs
Aβ
AβOs
Extracellular Aβ profile
SELDI-TOF
immunoproteomic
analysis
Meli et al., Nat Comms 2014



Colpire le forme precoci del peptide Ab (Ab
oligomers), identificando dove si formano
inizialmente
Colpire i meccanismi a monte della
cascata amiloidogenica e/o attivare
meccanismi di neuroprotezione
(interrompere circoli viziosi)
Unificare gli studi sulla manipolazione degli
engrammi con le ricerche sulla
neurodegenerazione
49
Neutralizzare NGF nel cervello adulto induce una
neurodegenerazione progressiva simile all’ Alzheimer
b -amyloid plaques
Cholinergic deficit
Phosphorylated tau
T i m e i n q u a d r a n t (s e c )
Memory loss
45
Probe trial
40
wt WT
AD11
35
mice
AD11
30
mice
25
20
15
10
5
0
SO*
NE
SE
NO
quadrants
Ruberti et al. 2000; Capsoni et al., 2000, 2002
L’ipotesi dello sbilanciamento NGF/proNGF
proNGF
Furin
MMP
Plasmin
Other convertases
NGF
p75NTR
Neurodegeneration,
Cell death
Survival
TrkA
p75NTR
Sortilin
Neuron
Final outcome: depending on the relative ratios
NGF
+
Normal conditions
(WT)
AD:
Unbalance NGF/proNGF
Decreased protease activity
Cortical protein levels
proNGF
Tr
kA
F
NG
pro
30
15
MMSE score
Counts and Mufson, 2005
Survival
(TrkA, p75NTR)
Neurodegeneration
(sortilin, p75NTR)
0
Come utilizzare NGF per sperimentare una terapia per
AD?

NGF e’ un potente sensibilizzatore del dolore

Barriera ematoencefalica
Come utilizzare NGF per sperimentare una
terapia per AD?
Tuszynski et al., Nat. Med. 2005; JAMA 2015
“Togliere il dolore” dalla molecola del NGF


E’ possibile ingegnerizzare una molecola di NGF che ne
mantenga tutte le proprieta’ neurotrofiche, ma ne elimini
la capacita’ di indurre dolore?
HSAN V: Malattia genetica rara di insensibilita’ congenita
al dolore
Simona Capsoni
HSAN V NGF R100: painless NGF
TrkA
TrkA
p75
D75
R100
C-term
R100
C-term
R100
NGF61/100 decreases plaque load in 5xFAD mice
NGF61/100 rescues synaptic transmission and
LTP deficits in the entorhinal cortex of 5xFAD
mice
SCUOLA
NORMALE
SUPERIORE
wt
1.6
5xFAD
1.6
5xFAD+NGFp
1.4
5xFAD
1.2
5xFAD+NGFp
1.2
PPratio
PP ratio
A 1.4
1
0.8
1
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0
50
100
ISI (ms)
150
200
B
C
wt
25
50
100
ISI (ms)
200
2
5xFAD+NGFp
wt
HFS
1.8
5xFAD
1.6
100
1.4
Rel.Amp.
80
% Rel.Amp.
1.2
60
40
wt
5xFAD
5xFAD+NGF
20
0
0
2
4
6
Stim.Int. (V)
8
10
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
10
20
30
40
Time (min)
50
60
SCUOLA
NORMALE
SUPERIORE
62
Omeostasi del ripiegamento delle proteine: il
network della proteostasi
63
La risposta della cellula al protein misfolding:
unfolded protein response (UPR)
64
Letargo e plasticita’ sinaptica
65

La perdita della
capacita’ di riformare
le sinapsi, dopo
ibernazione, e’ un
evento precoce nella
neurodegenerazione
66
SCUOLA
NORMALE
SUPERIORE



Colpire le forme precoci del peptide Ab (Ab
oligomers), identificando dove si formano
inizialmente
Colpire i meccanismi a monte della cascata
amiloidogenica
Unificare gli studi sulla manipolazione
degli engrammi con le ricerche sulla
neurodegenerazione
67
Incontrarsi a meta’ del tunnel, partendo dalle
due estremita’ opposte
68
Engrams: memory traces
Alla ricerca dell’engramma: necessita’ e di sufficienza




Una memoria puo’essere codificata da (in) una popolazione di
neuroni
Questi neuroni possono essere geneticamente marcati, per una
successiva identificazione e manipolazione
La loro ablazione o silenziamento abolisce la memoria (necessita’)
E’ possibile indurre un comportamento innescato da una specifica
memoria, attivando direttamente una popolazione di neuroni
“identificati” come attivi durante l’apprendimento?
Fear Conditioning
Optogenetica
73
Optogenetics to induce or to
change memories
75

In presenza di Dox, tTA non si lega
a TRE e la ChR non viene
espressa, ma la “marcatura
genetica” dei neuroni attivati in A
resta
ChR espressa in assenza di Dox,
nei neuroni attivati nel contesto A
Topi abituati nel contesto A, poi
esposti ad uno shock, nel contesto
B, ed infine riesposti al contesto A,
in presenza di Dox e di Luce.
Protocollo sperimentale

La stimolazione ottica delle celluleengramma induce una risposta
comportamentale
Durante la prima fase di abituazione
(contesto A) topi non mostrano
“Freezing”
Dopo il training con fear conditioning e
marcatura delle cellule-engramma con
ChR (contesto B), I topi esposti al
contesto A mostrano freezing, ma solo
quando si accende la luce.
Le cellule del DG che hanno espresso cfos (e quindi ChR) durante il training
definiscono una popolazione la cui
attivazione e’ sufficiente per
richiamare la memoria, misurata dalla
risposta comportamentale.
Stimolazione optogenetica
delle cellule-engramma
Optogenetics to induce or to
change memories
Creazione di una falsa memoria
80
81
82
83
84