Oggi
Vol. 97, N. 9, Settembre 2006
Pagg. 441-447
Distrofia muscolare di Duchenne:
basi razionali e stato dell’arte
Beniamino Palmieri, Valeriana Sblendorio
Riassunto. La distrofia muscolare di Duchenne è una patologia genetica rara che colpisce circa 1 su 3.500 maschi nati vivi, la cui causa è un’alterazione di un gene localizzato
sul cromosoma X che contiene le informazioni per la produzione di una proteina di membrana: la distrofia. È una malattia progressiva che colpisce per primi i muscoli profondi
delle cosce e delle anche, i cui primi sintomi si manifestano, generalmente, tra i 2 ed i 6
anni: il bambino presenta un’andatura dondolante, tende a camminare sulle punte, ha
difficoltà a rialzarsi da terra, a saltare, a salire le scale, e camminare lo stanca con facilità. Col tempo, il bambino sviluppa una posizione lordotica e verso gli undici anni è costretto a muoversi su una sedia a rotelle. Progressivamente, la degenerazione dei muscoli
colpisce anche quelli respiratori e cardiaci, prima causa di morte, intorno al secondo
terzo decennio di vita.
Parole chiave. Distrofia muscolare di Duchenne, distrofina, muscolo scheletrico, sopravvivenza delle cellule muscolari, topo mdx.
Summary. Duchenne muscolar dystrophy: rational basis, state of the art.
Duchenne muscular dystrophy (DMD) is an X-linked recessive disease that affects
~1 in 3500 male births. Boys with Duchenne have a progressive and predictable muscle
deterioration: muscles lack dystrophin, a protein essential for membrane stability, whose absence induces contraction-related membrane damage and activation of the inflammatory cascade leading to muscle failure, necrosis, fibrosis. Although DMD is present at
birth, clinical symptoms are not evident until 2-6 years of age. Initial symptoms include
leg weakness, increasing spine kyphosis, and a waddle-like gait. Continuous muscle wasting leads to progressively weaker muscles, usually leading DMD patients on wheelchair
by the age of 8-12. Scoliosis develops in 90% of boys who use a wheelchair full-time. Progression of muscle degeneration and worsening clinical symptoms lead to death in the late twenties from respiratory/cardiac failure.
Key words. Duchenne muscolar dystrophy, dystrophin, mdx mouse, muscle cell survival, skeletal muscle.
Introduzione
Il campo clinico delle distrofie muscolari si è negli ultimi anni articolato e differenziato in specifici sottogruppi identificati su base genico-carenziale. Questa distinzione è preliminare ad ipotesi operative di strategie di cura mirate a correggere il
difetto genico a qualunque livello espressivo esso si
localizzi.
Abbiamo riassunto i vari tipi di distrofia, dal
punto di vista clinico, sottolineando come l’approccio terapeutico palliativo abbia esteso le competenze cliniche specialistiche, dalla pediatria alla
medicina internistica dell’adulto:
• Distrofinopatie: distrofia muscolare di Duchenne (DMD) e distrofia muscolare di Becker
(BMD).
• Distrofia muscolare di tipo facioscapolo
omerale (FSHD): trasmessa con meccanismo autosomico dominante, in cui è caratteristico il coinvolgimento della muscolatura mimica del volto,
dei muscoli fissatori delle scapole e della muscolatura prossimale degli arti superiori.
• Distrofia muscolare dei cingoli (LGMD): caratterizzata da un interessamento prevalente del
cingolo pelvico e scapolare.
Clinica Chirurgica, Divisione Chirurgia I, Dipartimento Misto di Chirurgia Generale e Specialità Chirurgiche, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia.
Pervenuto il 25 maggio 2006.
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Recenti Progressi in Medicina, 97, 9, 2006
• Distrofia tipo Emery-Dreifus (DMED): caratterizzata dalla combinazione di retrazioni a carico del tendine di Achille, ai gomiti e agli estensori del capo, con rigidità del rachide lentamente
progressiva e da alterazione anche significativa
della conduzione cardiaca che si manifesta il terzo
decennio di vita.
• Distrofie muscolari congenite (DMC): DMC
dovuta ad assenza di merosina (componente della
matrice extracellulare che si associa all’α-distroglicano) in cui i bambini non presentano una grave debolezza muscolare; quella da alterazione della Fukutin related protein (FKRP), distrofia di Ullrich e miopatia di Bethlem, legata ad alterazioni
del collagene tipo VI, la distrofia congenita con insorgenza precoce di rigidità del rachide, legata alla selenoproteina N1, codificata sul cromosoma 1,
la distrofia congenita con insufficienza respiratoria e ipertrofia muscolare, abitualmente caratterizzata da severa compromissione del diaframma e
ipertrofia muscolare generalizzata (cromosoma 1),
la distrofia congenita con ipotrofia cerebellare, associata a deficit cognitivo (distrofia muscolare congenita di Fukuyama), ed infine il grande gruppo
delle muscle eye brain disease (MEB), caratterizzate dall’insieme di gravi alterazioni della corteccia cerebrale (a livello della struttura e dello spessore della corteccia) e da problemi dell’occhio di vario tipo (unitamente alle alterazioni muscolari),
oltre che da prognosi severa; ed infine la sindrome
di Walker Warburg, la più grave tra le DMC che
agisce sulla formazione del cervello.
• Distrofie miotoniche: DM1(di tipo 1) e DM2
(di tipo 2), entrambi disordini multisistemici, caratterizzati da miotonia, difetti di conduzione cardiaca, cataratta prematura, aumento dell’incidenza del diabete ed una lenta progressiva debolezza
muscolare.
• Distrofia muscolare oculofaringea, disordine
causato da una ripetizione di triplette che si presenta negli adulti. I tipici sintomi clinici sono ptosi progressiva e disfagia.
Distrofia muscolare di Duchenne
L’eziopatogenesi è,
quindi, un grave disordine ereditato con modalità recessiva legata al cromosoma X,
causato da una mutazione nel gene della distrofina, la cui
espressione proteica svolge un ruolo
vitale nel mantenimento della struttura e della funzione
della membrana
sarcolemmatica del
muscolo. Le distrofinopatie colpiscono
Guillaume Duchenne illustra
principalmente i
uno dei suoi esperimenti (1862).
muscoli striati (cardiaci e scheletrici).
È la più comune delle distrofie muscolari: infatti colpisce ~1/3500 maschi nati vivi nel mondo1, e si stima che in Italia ci siano, oggi, circa 5000 affetti.
Tuttavia non esistono dati ufficiali in quanto mancano ancora un protocollo, Centri di riferimento, di
diagnosi e cura ed un database dedicato. Nella maggior parte dei casi il difetto genetico è ereditato da
madri portatrici, anche se circa un terzo dei casi si
presenta come mutazioni de novo.
I bambini affetti da questa patologia presentano
un progressivo deterioramento delle funzioni muscolari2-7: i muscoli hanno in genere distrofina assente o fortemente ridotta. Poiché la distrofina è
una proteina essenziale per la stabilità della membrana plasmatica, la contrazione muscolare indotta
dal sarcomero induce danni progressivi alla membrana e questo, successivamente, determina l’attivazione della cascata infiammatoria. Tali processi
portano alla necrosi delle cellule muscolari, fibrosi e
perdita di funzionalità. Nella maggioranza dei casi,
la diagnosi si pone in base ad anormalità posturali
statiche e dinamiche, causate da una progressiva
debolezza muscolare che può manifestarsi già nell’infanzia8. Inizialmente colpiti sono i muscoli delle
cosce e delle anche, con conseguente difficoltà di
deambulazione autonoma che viene acquisita con
lieve ritardo. Già nei primi anni di vita il bambino
presenta un’andatura anserina e tende a camminare sulle punte, ha difficoltà ad alzarsi da terra (manovra di Gowers positiva), a saltare, a salire le scale e, in generale, camminare lo stanca con facilità.
Con il progredire della malattia aumentano iperlordosi lombare e pseudoipertrofie e ipertrofie muscolari compensatorie , in particolare dei polpacci che
perdono elasticità9.
La distrofia di Duchenne da sempre affligge uomini ed animali incidendo sul tessuto muscolare
scheletrico.
Le modalità della sua ereditarietà sono state scoperte intorno all’inizio del 20° secolo, quando fu riconosciuto un possibile difetto sul cromosoma X. Solo
nel 1986 è stato identificaLa malattia è stata descritta correttamente,
to, da Kunkel e coll., il gene
per la prima volta, nel 1851, dal medico inresponsabile della malatglese Edward Meryon, ma deve il suo nome
tia, il gene della distrofina,
al medico francese Duchenne de Boulogne,
e poco dopo fu caratterizzache ne illustrò nel 1861, non solo i sintomi,
ta la proteina stessa da
ma anche la istologia.
Hoffman e coll., non codificata e causa di malattia.
Anche se questa patologia è presente fin dalla nascita, i sintomi clinici cominciano a manifestarsi
intorno ai 2-5 anni di età.
La scoliosi si sviluppa nel
90% dei ragazzi che sono
totalmente dipendenti da
B. Palmieri, V. Sblendorio: Distrofia muscolare di Duchenne: basi razionali e stato dell’arte
ausilii motori intorno agli 8-10 anni2,5. Ne consegue
un danno permanente all’apparato osteoarticolare e
cardio-respiratorio, danno che è causa di morte, intorno al secondo o terzo decennio di vita10. I pazienti con DMD sviluppano quasi invariabilmente una
cardiomiopatia dilatativa che compromette ulteriormente il quadro cardiorespiratorio ed è oggi considerata la causa principale di decesso, visti i notevoli
progressi nel campo della assistenza ventilatoria.
Nella forma Becker, le manifestazioni cliniche
sono meno gravi ed hanno esordio più tardivo. Debolezza ed atrofia muscolare compaiono inizialmente nei muscoli del cingolo pelvico e della coscia,
con difficoltà a salire le scale e ad alzarsi da terra.
Vengono coinvolti i muscoli del cingolo scapolare e
degli arti superiori, senza l’interessamento della
muscolatura distale. Il coinvolgimento cardiaco è
spesso presente con una cardiomiopatia dilatativa
simile a quella presente nella forma Duchenne.
Un studio del 2005 di Konagaya11 ha valutato
l’effetto della IPPV (intermittent positive pressure
ventilation) su 157 pazienti con DMD. In 73 di questi si aveva un valore medio di sopravvivenza pari a
31 anni di età, mentre era di 20 anni in 84 pazienti
non trattati con IPPV. Questo trattamento cambia
le maggiori cause di morte: da 59,5% a 3,5% per attacchi respiratori, da 12,2% a 37,9% per attacchi
cardiaci e da 0% a 10,3% per problemi respiratori.
Pur palliativa, quindi, la terapia IPPV è significativamente efficace nel prolungare la sopravvivenza
dei malati Duchenne e sembra essere anche necessaria per stabilire la strategia di trattamento delle
cardiopatie ed altre complicazioni mortali.
Oltre alla progressiva degenerazione muscolare, i bambini Duchenne possono mostrare anomalie, però non progressive, al sistema nervoso
centrale: il quoziente intellettivo medio è 82: 18
punti al di sotto del valore medio della popolazione sana, mentre il 30% dei pazienti presenta un
quoziente al di sotto di 7512. Analisi dettagliate
delle funzioni cognitive indicano che, per prima,
è affetta l’intelligenza verbale, mentre gli altri
processi cognitivi restano relativamente integri13.
Molti pazienti con distrofia di Duchenne (80%)
hanno anche una atipica elettroretinografia (misurazione dei cambiamenti del potenziale elettrico
attraverso la retina che derivano da uno stimolo
visivo): una porzione cospicua dell’ elettroretinogramma normale, l’onda b, è addirittura assente14.
Contrariamente ai cambiamenti patologici che
si verificano nel muscolo scheletrico (degenerazione muscolare progressiva), la mancanza della distrofina nel cervello e nella retina non provoca difetti morfologici evidenti: infatti, il fenotipo del sistema nervoso centrale non è progressivo. Le basi
Sebbene siano trascorsi venti anni dall’identificazione del difetto molecolare, causa della patologia in esame, a tutt’oggi non
esiste ancora nessuna cura efficace per ridurre
drasticamente la progressione della malattia.
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patogenetiche dell’interessamento nervoso non sono ancora completamente chiarite.
La mancanza di un efficace regime terapeutico
può essere spiegato dalle difficoltà intrinseche della terapia genica convenzionale che è basata sulla
sostituzione o riparazione del gene mutato. Occorre tenere conto anche della natura multifattoriale
dei sintomi, che vanno dalla degenerazione delle fibre muscolari alla risposta immunitaria dannosa.
Nell’insieme, questi diversi problemi e difficoltà ritardano lo sviluppo di terapie il cui scopo sia la
correzione del difetto molecolare o la promozione
della sopravvivenza delle cellule muscolari. Nella
successiva rassegna (cfr., in questo stesso fascicolo, le pagine 448-458) focalizzeremo l’attenzione su
diverse strategie terapeutiche che sono, tutt’ora,
oggetto di intenso studio.
Distrofina: genetica e fisiopatologia
IL GENE DELLA DISTROFINA
Il gene della distrofina, dys, è stato identificato nel 1986 da Kunkel sul braccio corto del cromosoma X15 e la sua struttura è stata chiarita poco dopo. Con 2,6 milioni di basi, esso è uno dei più
grandi geni mai scoperti: se venisse disteso sarebbe lungo ben 0.84 mm! Solo lo 0,5% delle coppie di basi, 13.973 nucleotidi, appartengono ai 79
esoni del gene. La trascrizione dell’informazione
genetica del gene della distrofina nell’mRNA è
sotto il controllo di almeno 5 promotori ed il prodotto principale è la distrofina intera, una proteina molto lunga a forma di corda che consiste di
3685 aminoacidi16,17. Essa ha un peso molecolare
di 427 kDa, lunga 125 nm; è determinante per la
stabilità meccanica della membrana durante la
contrazione muscolare e, a dispetto della sua importanza, solo lo 0,002% del peso delle proteine
muscolari è costituito da distrofina, circa 20 mg
per kg di muscolo. È composta da quattro regioni:
N-terminale, quella “cystein-rich”, la C-terminale e la parte centrale o dominio rod (figura 1).
Figura 1. Struttura della proteina distrofina.
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La distrofina è il componente centrale di un
complesso di proteine separate, che sono identificate come proteine associate alla distrofina
(DGC). Questo gruppo include l’actina del citoscheletro, il distroglicano (proteina integrale di
membrana), le sintrofine, le distrobrevine e l’αcatulina.18 L’actina è associata con la sua estremità N-terminale alla distrofina, in una regione
composta da due domini omologhi della calponina19- 21 mentre tutte le altre proteine si legano alla regione C-terminale della distrofina. Il β-distroglicano si lega ad una regione della distrofina
ricca di cisteine che contiene un dominio WW e
due motivi a mano EF 22,23 (figura 2).
Figura 3. Interazione della distrofina con il citoscheletro e la
matrice extracellulare.
Figura 2. Motivi strutturali della distrofina che interagiscono
con il β-distroglicano.
Inoltre, per collegare la distrofina alla faccia citosolica della membrana plasmatica, il β-distroglicano, a sua volta, è associato alla proteina extracellulare α-distroglicano, che a sua volta è connesso alla laminina nella matrice extra-cellulare
(ECM)24-26. Quindi, mediante l’associazione con
l’actina ed il distroglicano, la distrofina funge da
ponte tra l’ECM ed il citoscheletro contribuendo
così all’integrità strutturale della membrana della
cellula muscolare (figura 3).
L’importanza di queste associazioni nel sistema nervoso centrale non è chiara perché nessuna
cellula nervosa mostra, in assenza di distrofina,
un’instabilità della membrana.
E questo modello della funzione della distrofina non riesce a spiegare l’elettroretinogramma
anomalo e il più basso quoziente intellettivo medio che si riscontrano nei pazienti Duchenne.
Le sintrofine e le distrobrevine sono due famiglie proteiche che costituiscono il secondo complesso associato con l’estremità C-terminale della
distrofina. Esse, all’inizio, furono identificate come
proteine connesse alla membrana post-sinaptica
dell’organo elettrico della “Torpedo californica” e
successivamente associate alla distrofina27-29.
Le distrobrevine (α1, α2, α3 e β) sono omologhe
della distrofina e contengono due motivi strutturali di avvolgimento a spirale che legano i motivi
corrispondenti della distrofina30. La distrobrevina
e la distrofina contengono una regione capace di
interagire con almeno due sintrofine: nella distrofina questo sito corrisponde alla porzione della proteina codificata dagli esoni 71-7431,32.
Le sintrofine (α1, β1, β2, γ1 e γ2) sono interessanti perché contengono un dominio PDZ che recluta diverse molecole segnale sul complesso della
distrofina: canali per il sodio del muscolo scheletrico e cardiaco adulto, le chinasi serina/treonina
associate al microtubulo (MAST205 e SAST) e la
sintasi dell’ossido nitrico neuronale (nNOS)33-36.
Interessante è che le varie molecole segnale non si
legano a tutte le isoforme: i canali per il sodio interagiscono con tutte, mentre le chinasi solo con l’isoforma β2 ed nNOS con α1. Tutto ciò suggerisce
che queste proteine svolgano ruoli differenziati e
possano conferire funzioni uniche al complesso, a
seconda delle specializzazioni della membrana.
Questo è evidente a livello della giunzione neuromuscolare, dove l’assenza dell’α-sintrofina porta a
sinapsi neuro-muscolari strutturalmente aberranti. I topi knockout per l’α-sintrofina non presentano un fenotipo distrofico ma hanno membrane post-sinaptiche modificate con livelli molto ridotti di
recettori dell’acetilcolina e pieghe post-giunzionali modificate.37 Inoltre, nNOS è assente nel sarcolemma. Queste scoperte supportano l’ipotesi che le
sintrofine siano adattatori molecolari che reclutano proteine segnale al complesso della distrofina.38
L’α-catulina si lega alla porzione idrofobica Cterminale della distrofina che deriva da uno splicing alternativo dell’esone 78 39. Essa contiene una
regione di forte omologia con l’α-catenina e la vinculina, proteine che sono entrambe coinvolte nell’interazione tra l’ambiente citoplasmatico e quello extracellulare, e che è coinvolta direttamente
nel posizionare i recettori sulla membrana.
B. Palmieri, V. Sblendorio: Distrofia muscolare di Duchenne: basi razionali e stato dell’arte
Alternativamente, l’α-catulina potrebbe svolgere un ruolo nell’organizzare l’architettura della membrana mediante l’associazione con recettori legati ad elementi strutturali al di fuori della cellula, segnalando perciò la presenza di
segnali extracellulari.
Queste osservazioni suggeriscono che il C-terminale della distrofina svolga un ruolo di primo
piano nel collegare tutto il complesso allo spazio
extracellulare, oltre che a una molto probabile funzione di signalling.
La sintasi dell’ossido nitrico neuronale (NOS) è
ancorata normalmente al sarcolemma attraverso
un’associazione diretta con la sintrofina ma è dislocata, in quantità ridotta, all’interno della fibra
muscolare nei pazienti Duchenne e nei topi mdx e
addirittura il prodotto di questo enzima, l’ossido
nitrico, un gas biologicamente attivo, non riesce a
svolgere le sue molteplici funzioni33, 40.
Tali scoperte fanno ipotizzare che la dislocazione di nNOS potrebbe dare tossicità da radicali liberi contribuendo a causare le tipiche caratteristiche patologiche del muscolo distrofico,
anche se non può essere la sola spiegazione per
il fenotipo osservato, dal momento che i topi in
cui è assente nNOS non presentano questo fenotipo41-43.
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trascritti addizionali attraverso almeno altri sei
promotori alternativi. Ciascuno dei trascritti è
espresso durante lo sviluppo ed in maniera tessuto-specifica: il risultato è l’espressione delle
molteplici isoforme della distrofina (Dp) che, in
base al loro peso molecolare, sono indicate come:
Dp427 muscolare, Dp427 cerebrale, Dp427 delle
cellule del Purkinije, Dp260, Dp140, Dp116 e
Dp71 51.
Lo splicing alternativo degli esoni 71-74 e 78 incrementa la diversità dei trascritti: quello tra gli
esoni 71 e 74 regola le interazioni con le sintrofine;
questi esoni possono essere uniti singolarmente oppure in combinazioni diverse, generando una serie
di varianti. L’eliminazione degli esoni 73 e 74 in
ognuno di questi trascritti produce una proteina
funzionale che però manca dei siti di legame alla
sintrofina43,52.
Lo splicing dell’esone 78 porta alla sostituzione degli ultimi 13 aa della regione C-terminale,
per lo più idrofilia, con 31 aa idrofobici e questo
processo è regolato durante lo sviluppo ed in modo tessuto-specifico 53. La variante di splicing
idrofobica è abbondante nella corteccia cerebrale e nella retina: essa serve a regolare il legame
della distrofina all’α-catulina ed alle sue proteine associate e la sequenza idrofobica presenta un
80% di identità tra l’uomo ed il pesce cane54.
DISTROFINA E SISTEMA NERVOSO CENTRALE
Il ruolo della distrofina nel posizionare i recettori e i canali è importante a livello delle sinapsi:
la maggior parte dei lavori sulla struttura e funzione delle sinapsi si basano sulla giunzione neuro-muscolare44,45. A livello di questo contatto specializzato nervo-muscolo, la distrofina è posizionata nelle depressioni delle pieghe giunzionali a
livello delle faccia post-sinaptica46,47. Attraverso
l’associazione con il suo esteso complesso di proteine, essa svolge un ruolo strutturale e di segnalazione.
Si sa poco riguardo alle sinapsi interneuronali: l’identificazione di proteine come la β-distrobrevina e la isoforma al 3’ della distrofina il
Dp260, entrambi membri del complesso della distrofina che non sono espressi nel muscolo ma sono presenti in quantità elevata nei neuroni, fornisce la prova della formazione di complessi unici a livello delle sinapsi del sistema nervoso
centrale48-50.
Conclusioni
La grande quantità di dati raccolti in 19 anni,
da quando è stato identificato il gene responsabile della DMD, ha portato a due importanti conclusioni.
• In primo luogo, non è ancora del tutto chiara la funzione della distrofina ed inoltre questa
proteina non funge solo da supporto della membrana muscolare durante lo stiramento e la contrazione, come originariamente si credeva. La diversità delle isoforme strutturali della distrofina
indica che essa è capace di generare una vasta
gamma di complessi proteici che differiscono nella loro composizione e conseguentemente nella
funzione in tessuti diversi.
• Infine, la capacità di reclutare molecole-segnale diverse, a seconda della specifica isoforma,
può ulteriormente differenziare le funzioni dei vari complessi.
DISTROFINE DIFFERENTI
Il gene della distrofia muscolare di Duchenne,
è di circa 2,3 Mb di lunghezza, 2,2 milioni di paia
di basi, e contiene 79 esoni (0,6% del gene). Nel
muscolo scheletrico normale maturo, tutti questi
esoni producono un trascritto di 14 Kb, che codifica per la proteina distrofina completa, di 427
kDa che corrispondono a 3.685 aminoacidi (aa).
Oltre al principale promotore muscolare che guida la trascrizione, il gene della DMD genera altri
Lo sforzo dei ricercatori nel comprendere
le basi molecolari della distrofia muscolare di Duchenne ha come fine ultimo quello di
sviluppare trattamenti efficaci per questa malattia e di individuare, quindi, le prospettive di
una possibile cura.
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Indirizzo per la corrispondenza:
Prof. Beniamino Palmieri
Università di Modena e Reggio Emilia
Ospedale Policlinico
Dipartimento Misto di Chirurgia Generale
e Specialità Chirurgiche
Divisione di Chirurgia I
Via del Pozzo, 71
41100 Modena
E-mail: [email protected]
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