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