The role of calcium homeostasis in mitochondrial diseases and neurodegeneration

Il Ca2+ è uno dei principali secondi messaggeri cellulari, ed in particolare il segnale Ca2+ mitocondriale è implicato in vari processi fisiologici che spaziano dal metabolismo, attraverso il controllo della respirazione mitocondriale, alla risposta a condizioni di stress. Nonostante alcuni meccanismi d’azione non siano ancora stati chiariti, il ruolo del Ca2+ nell’attivazione del processo apoptotico è ampiamente riconosciuto e comprovato. Al contrario, il coinvolgimento del segnale Ca2+ in un altro importante processo, quale quello autofagico, ha cominciato ad emergere solo recentemente. Il ruolo del Ca2+ a livello fisiologico risulta dunque fondamentale all’interno della cellula e alterazioni nella sua regolazione hanno ripercussioni così profonde da indurre l'evolversi di differenti patologie umane. Nel presente lavoro verrà approfondito il ruolo del Ca2+ mitocondriale in particolar modo in due modelli di patologie umane: le malattie mitocondriali e la neurodegenerazione. Le malattie mitocondriali sono un gruppo molto eterogeneo di patologie, accomunate principalmente dalla perdita di funzionalità della catena respiratoria. Come modello di studio di queste patologie abbiamo scelto di utilizzare delle colture primarie di fibroblasti umani derivanti da pazienti con una specifica mutazione nel gene per la subunità ND5 del complesso I della catena respiratoria del DNA mitocondriale. L’utilizzo di questo modello sperimentale si è rivelato molto utile per l’identificazione di una interessante correlazione tra la diminuzione dell’uptake di Ca2+ mitocondriale e l’aumento del flusso autofagico in queste cellule. Inoltre, i nostri risultati suggeriscono che la causa del ridotto accumulo di Ca2+ mitocondriale è direttamente correlato con un riarrangiamento spaziale nella distribuzione di reticolo endoplasmatico e mitocondri, tale per cui i siti di contatti presenti tra questi due organelli diminuiscono nettamente. La neurodegenerazione è causata dalla selettiva e progressiva perdita di specifici tipi neuronali. Allo scopo di studiare il coinvolgimento del Ca2+ nella neurodegenerazione, abbiamo sviluppato un modello in vitro di neuroni primari di corteccia di topo, in cui abbiamo analizzato gli effetti della sovraespressione del canale per il Ca2+ mitocondriale, MCU (mitochondrial Ca2+ uniporter). Dai nostri dati possiamo concludere che la sovraespressione di MCU ha degli effetti dannosi per le cellule neuronali, tanto da indurne la morte. Inoltre, abbiamo dei risultati preliminari anche in un sistema in vivo, i quali confermano e consolidano i dati ottenuti in vitro. Nello specifico, abbiamo iniettato vettori adeno-virali esprimenti il canale del Ca2+ mitocondriale nel mesencefalo di topo, utilizzando la tecnica dell’iniezione stereotassica, ed anche in questo caso osserviamo l’induzione di morte cellulare e degenerazione neuronale