Ca2+ homeostasis in familial Alzheimer's disease: a view from intracellular Ca2+ stores

E stato dimostrato che mutazioni in presenilina 1 e 2 (PS1, PS2) legate alle forme familiari della malattia di Alzheimer (FAD) sono implicate nella neurodegenerazione e in ultima istanza nella morte cellulare per effetto della tossicità del peptide amiloide e della perturbazione dell'omeostasi del Ca2+ cellulare. Il meccanismo alla base di quest'ultimo fenomeno non è ancora stato chiarito. Si è visto che in linee cellulari e in neuroni esprimenti mutazioni in PS1 e PS2, il rilascio di Ca2+ nel citosol in seguito a stimolazione cellulare può essere sia aumentato che ridotto. Nonostante i dati contraddittori attualmente disponibili, è innegabile che i mutanti di PS legati a FAD provocano uno squilibrio nell'omeostasi del Ca2+ cellulare. Recentemente studi indipendenti hanno dimostrato che i mutanti FAD in PS1 o PS2 interagiscono sia con i meccanismi di rilascio che di accumulo di Ca2+ nel reticolo endoplasmatico (RE), modulando sia l'attività  della pompa SERCA che i canali di tipo IP3R e RyR. In questo studio abbiamo impiegato due linee già  disponibili di topi transgenici (tg) esprimenti una PS2 mutata, da sola o assieme alla Proteina Precursore dell'Amiloide (APP) (entrambe con mutazioni legate a FAD) al fine di investigarne gli effetti sull'omeostasi del Ca2+ in una condizione fisiologica più rilevante per la patologia oggetto dello studio. Abbiamo focalizzato in particolare la nostra attenzione sull'alterazione del Ca2+ in neuroni corticali ottenuti da topi tg omozigoti per il solo mutante PS2-N141I o doppi omozigoti per le proteine mutate PS2-N141I e APPswe. Le misure di Ca2+ sono state effettuate con la tecnica del Fura-2/AM. Questo studio mette in evidenza il ruolo della PS2-N141I nel modulare l'omeostasi del Ca2+ in neuroni corticali murini. Abbiamo dimostrato che, indipendentemente dalla presenza del mutante di APP, l'espressione della PS2-N141I, in quantità  moderata, inficia le dinamiche del Ca2+ dei depositi intracellulari. In particolare,i depositi del Ca2+ sono parzialmente svuotati, come dimostrato dal ridotto rilascio di Ca2+ in seguito a stimolazione con ionomicina. Conseguentemente i neuroni tg hanno un ridotto rilascio di Ca2+in risposta ad agonisti legati alla generazione di IP3. Occorre notare che la PS2 mutata non altera i livelli di espressione delle proteine SERCA e IP3R. I nostri risultati suggeriscono che il mutante FAD PS2-N141I causa un difetto funzionale nelle vie di entrata e di uscita del Ca2+ dal RE. Abbiamo inoltre dimostrato che i neuroni di entrambe le linee tg esprimono bassi livelli di proteina mutante ma mostrano un'alterazione del segnale Ca2+ qualitativamente e quantitativamente simile a quella precedentemente riportata per le linee cellulari sovra-esprimenti la stessa proteina. Al contrario, misure del rilascio di Ca2+ via RyR hanno rivelato un effetto inatteso, ovvero un aumentato rilascio di Ca2+ in risposta a caffeina nei neuroni tg. Inoltre, i livelli proteici di RyR2 sono aumentati nei neuroni tg. Un aumento della funzionalità  e dei livelli proteici di RyR2 potrebbero essere un fenomeno adattativo per compensare la riduzione del rilascio di Ca2+ via IP3R oppure essere un effetto diretto dei mutanti PS2 su RyR2 o ancora un effetto secondario. Infine abbiamo dimostrato che la PS2-N141I causa un'alterazione nell'eccitabilità  neuronale. I neuroni tg hanno un numero significativamente più elevato di oscillazioni di Ca2+ sincronizzate, evocate da picrotossina, che dipendono dall' ingresso di Ca2+ extracellulare e non dal rilascio di Ca2+ dai depositi. E interessante notare che, mentre l'alterazione del Ca2+ è qualitativamente e quantitativamente simile nei singoli e doppi tg, sia il livello totale di peptidi Ab42 e Ab40 nel tessuto cerebrale (misurati mediante ELISA) che il loro rapporto sono notevolmente diversi tra le due linee tg. Questi risultati suggeriscono che nei topi tg l'espressione di APP mutata o i livelli di Ab non hanno alcun effetto primario sul contenuto dei depositi di Ca2+ in questo stadio precoce, e suggeriscono che gli effetti sulle dinamiche del segnale Ca2+, così simili nelle due linee tg, siano dovuti alla PS2 mutata. Infine, i risultati qui presentati suggeriscono che nonostante l'alterazione del segnale Ca2+ sia un evento precoce nei neuroni a questo stadio, non altera la vulnerabilità  neuronale a stimoli citotossici che agiscono atrraverso i depositi del Ca2+ . La seconda parte di questo studio si è concentrata sul ruolo degli oligomeri di Ab42 sulle dinamiche del Ca2+ cellulare. Nei neuroni di topi wt, oligomeri di Ab42 sintetico riducono il rilascio di Ca2+ in risposta ad agonisti legati alla produzione di IP3, ma non riducono il contenuto totale di Ca2+ dei depositi misurato mediante applicazione di ionomicina. D'altra parte, gli oligomeri di Ab42 aumentano il rilascio di Ca2+ indotto da caffeina. E' probabile che gli oligomeri di Ab42 agiscano sulla via attivata dagli agonisti legati alla produzione di IP3 e sull' IP3R. I meccanismi attraverso cui Ab42 altera l'omeostasi intracellulare del Ca2+ richiedono tuttavia ulteriori indagini. In conclusione, oltre agli oligomeri di Ab42 anche i depositi intracellulari di Ca2+ possono diventare un importante bersaglio terapeutico per intervenire sulla patologia di Alzheimer familiare ma anche sulla forma sporadica