Effects of familial Alzheimer's disease-linked presenilin 2 mutants on Ca2+ homeostasis of Golgi Apparatus sub-compartments

La malattia di Alzheimer's (AD) è un disordine neurodegenerativo e la forma più comune di demenza senile. La caratteristica istopatologica di AD è la presenza di depositi neurofibrillari intracellulari e di placche amiloidi, costituite da aggregati di peptide amiloide (Aß), che si depositano nella matrice extracellulare del cervello. I peptidi Aß sono il risultato di due tagli sequenziali della Proteina Precursore dell'Amiloide (APP); Aß viene poi rilasciato dall'enzima α-secretasi. Le più abbondanti specie peptidiche di Aß, prodotte anche fisiologicamente per tutta la vita, sono Aß40 e Aß42, quest'ultimo più insolubile e più incline all'aggregazione. Sebbene la maggior parte dei casi di AD siano sporadici, una piccola percentuale di pazienti è affetta dalla forma ereditaria di Alzheimer (malattia familiare di Alzheimer, FAD), causata da mutazioni dominanti in uno dei geni codificanti per APP, presenilina-1 (PS1) e presenilina-2 (PS2); le PSs sono le subunità catalitiche del complesso enzimatico della α-secretasi ma funzionano anche in maniera indipendente da tale attività enzimatica. Le mutazioni in PSs legate a FAD portano ad un aumento nel rapporto Aß42/Aß40, che promuove la deposizione di placche amiloidi. Oltre a questo effetto, è stato ampiamente dimostrato che molte mutazioni in PS1 e PS2 provocano alterazioni della omeostasi del Ca2+ intracellulare, rendendo così i neuroni più sensibili agli stimoli eccitotossici e apoptotici. L'apparato di Golgi (GA) rappresenta, insieme al reticolo endoplasmatico (ER), il principale deposito intracellulare di Ca2+, IP3 sensibile, e la sua funzionalità è fondamentale per il controllo delle risposte citosoliche di Ca2+. Sempre maggiori evidenze suggeriscono che il GA sia un organello eterogeneo in termini di Ca2+ handling, essendo dotato di un diverso toolkit molecolare per il Ca2+ rispetto a quello espresso nell' ER. Ad esempio, come meccanismi di uptake per il Ca2+, il GA esprime la classica pompa SERCA (Sarco-Endoplasmic Reticulum Ca2+ ATPase) ma anche un ulteriore pompa, detta SPCA1 (Secretory Pathway Ca2+ ATPase1). L'utilizzo di uno specifico sensore per il Ca2+ specificatamente indirizzato al trans-Golgi, ci ha precedentemente permesso di dimostrare direttamente la eterogeneità funzionale del GA, mostrando il comportamento distinto di questo sub-compartimento: i meccanismi di uptake di Ca2+ sono mediati esclusivamente dalla SPCA1 (e non dalla SERCA); non rilascia Ca2+ in risposta alla generazione IP3, ma piuttosto si accumula il catione come conseguenza dell'aumento di Ca2+ citoplasmatico. Per quanto riguarda gli altri sub-compartimenti del GA, abbiamo generato un nuovo indicatore per il Ca2+ fuso alla sequenza di indirizzamento dell'enzima 1,6 N-acetylglucosaminyltransferasi (C2gnT) residente del cis/medial-Golgi. La nuova sonda co-localizza con il marcatore di cis/medial-Golgi Giantina e quindi è stata utilizzata per studiare le dinamiche di Ca2+ in questo sub-compartimento a livello di singola cellula. Complessivamente i dati ottenuti suggeriscono che il GA sia unico in termini di omeostasi del Ca2+, con tali sub-compartimenti separati da pochi micron, e in equilibrio molto rapido tra loro, ma comunque in grado di mantenere differenze consistenti in termini di concentrazione dello ione e risposta a stimoli esterni . Le differenze tra i due sub-compartimenti del GA sono confermate dall'effetto specifico sulla omeostasi del Ca2+ dell'espressione della forma mutata di PS2T122R legata alla malattia familiare di Alzheimer. Le cellule che esprimono tale proteina mostrano una diminuzione del contenuto di Ca2+ nel cis/medial-Golgi ma nessun effetto sull'omeostasi del Ca2+ nel trans-Golgi. PS2T122R sembra inibire l'assorbimento di Ca2+ nel cis/medial-Golgi, inibendo l'attività della pompa SERCA, mentre non influenza l'assorbimento di Ca2+, mediato dalla SPCA1, nel trans-Golgi. Il GA sembra quindi giocare un ruolo importante nella patogenesi di AD e comprendere il contributo di tale organello nella patogenesi di AD e la sua base fisiopatologica potrà avere un forte impatto sulla possibilità di sviluppare terapie più efficaci per AD.