Ruolo delle proteine alfa-sinucleina, parkina, DJ-1 e PINK1, mutate nelle forme familiari di Morbo di Parkinson, nel controllo dell'omeostasi mitocondriale dello ione Calcio

Le malattie neurodegenerative, tra le quali il morbo di Parkinson (PD) sono associate a disfunzioni mitocondriali e a stress ossidativo. Inoltre, è stato suggerito che profonde alterazioni della struttura e delle funzioni del reticolo endoplasmatico (RE), una condizione nota come “ER stress”, e disfunzioni del sistema proteosoma-ubiquitina (UPS) siano alcuni dei processi cellulari coinvolti nell’insorgenza di queste malattie. I meccanismi attraverso i quali queste disfunzioni alterano la funzione cellulare sono complessi e solo parzialmente chiariti. Tra questi, gli effetti sulla distribuzione spazio-temporale di un secondo messaggero fondamentale per la corretta comunicazione cellulare, quale lo ione Ca2+, è sicuramente importante. Il programma del mio Dottorato di Ricerca prevedeva di chiarire alcuni di questi aspetti utilizzando modelli cellulari semplici. Infatti, anche se la maggior parte delle forme di PD sono sporadiche e multifattoriali, un numero crescente di mutazioni in geni specifici sono state individuate in alcune forme di malattia familiare. Lo studio delle funzioni delle proteine codificate da questi geni rappresenta quindi uno strumento molto importante per la comprensione degli aspetti molecolari alla base del processo neurodegenerativo. L’aspetto interessante è rappresentato dal fatto che le alterazioni cellulari alla base dei difetti genetici sono le stesse identificate nei casi sporadici. La delucidazione dei meccanismi patogenici delle forme genetiche, oltre a contribuire alla comprensione delle forme più diffuse, potrebbe quindi fornire anche nuove informazioni sui meccanismi cellulari alla base della insorgenza dei processi neurodegenerativi. In particolare, mutazioni in geni diversi (che codificano le proteine alfa-sinucleina, parkina, DJ-1, PINK1, ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase-1 (UCHL-1), LRRK2/dardarina e Omi/HTRA2) sono state individuate in pazienti affetti da forme familiari di PD. In tutti i casi l’esatta funzione dei prodotti genici non è ancora completamente chiarita. Il programma di ricerca prevedeva di studiare il loro ruolo nella regolazione dell’omeostasi del Ca2+, con particolare attenzione alla funzione mitocondriale. Uno degli elementi comuni di molte malattie neurodegenerative è infatti rappresentato da disfunzioni del metabolismo mitocondriale del Ca2+. I mitocondri hanno un ruolo centrale nella biologia cellulare, non solo in quanto sono la sede principale di produzione di ATP, ma anche perché svolgono un ruolo importante nel sequestro del Ca2+ intracellulare e nella produzione di specie reattive dell’ossigeno e di radicali liberi. Essi sono il primo bersaglio del danno ossidativo e delle disfunzioni che ne derivano, inoltre contengono numerose proteine che regolano il fenomeno della morte cellulare per apoptosi. Perturbazioni della funzionalità mitocondriale portano quindi inevitabilmente a disturbi del funzionamento cellulare e possono dare origine al processo di morte cellulare rendendo le cellule più suscettibili agli insulti neurotossici. Oltre all’omeostasi mitocondriale del Ca2+ sono stati analizzati anche altri aspetti legati alla fisiologia mitocondriale, in particolare il metabolismo energetico e i rapporti tra mitocondri e RE. Dagli esperimenti presentati in questa tesi, che hanno analizzato sia gli effetti della sovraespressione che del silenziamento delle proteine alfa-sinucleina, parkina, DJ-1 e PINK1, emergono alcuni aspetti comuni molto interessanti: tutte queste proteine sono in grado di modulare l’omeostasi del Ca2+ mitocondriale. Per quanto riguarda alfa-sinucleina, parkina, DJ-1 abbiamo osservato che esse condividono anche il meccanismo con il quale operano questa modulazione: in tutti e tre i casi la loro sovraespressione provoca un aumento di circa il 10% dei contatti tra reticolo endoplasmatico e mitocondri e quindi potenzia il trasferimento di Ca2+ tra questi due organelli. Se questa funzione viene a mancare, come abbiamo dimostrato nel caso di alfa-sinucleina, viene attivata la risposta autofagica. Per quanto riguarda PINK1 abbiamo evidenziato la possibilità che possa regolare l’omeostasi mitocondriale del Ca2+ attraverso un’azione bifasica, resta da chiarire se ciò dipenda dalla sua distribuzione nelle membrane mitocondriali e dalla sua attività sulle proteine che regolano il trasporto del Ca2+ mitocondriale. Gli esperimenti condotti in cellule permeabilizzate, ed esposte ad una concentrazione di Ca2+ pari a 1 microM, sembrano suggerire questa possibilità.