Sindrome di Rett e alterazione nello sviluppo delle connessioni sinaptiche: nuovo studio in vivo sul modello animale


    Autori: Silvia Landi(1) e Gian Michele Ratto(2)
    (1) NEST, Scuola Normale Superiore e (2) Istituto Nanoscienze-CNR.

    Il background genetico di questa malattia è ben noto; circa il 90% dei casi di Rett è dovuto alla mutazione del gene MeCP2 (Amir et al., 1999). Sono passati oltre 10 anni da questa scoperta cruciale e solo ora iniziamo a capire alcuni dei meccanismi cellulari controllati da questo gene. Al momento della scoperta, si è pensato che MeCP2 fosse semplicemente un repressore della trascrizione genica capace di agire su geni target implicati nella regolazione della plasticità neuronale (CREB, BDNF, MAP chinasi). Oggi sappiamo che la funzione di MeCP2 è notevolmente più complessa, agendo come un regolatore globale della cromatina, quella sovrastruttura proteica a livello della quale il DNA è compattato all’interno del nucleo nella cellula (Cohen et al., 2011). MeCP2 è quindi un regolatore della trascrizione fondamentale per i meccanismi di plasticità e per il corretto sviluppo del sistema nervoso.

    La Rett inizia a colpire il sistema nervoso proprio nel momento del suo massimo sviluppo dopo la nascita, quando i circuiti sensoriali e quelli legati alla memoria e all’apprendimento si riorganizzano per raggiungere la maturazione. L’esperienza modula la comunicazione fra i diversi neuroni modificando sia la struttura anatomica delle connessioni sia l’efficacia delle singole sinapsi. Questi processi sono particolarmente attivi durante il cosiddetto periodo critico per la plasticità (Berardi et al., 2001) presente nella vita giovanile. E’ infatti noto che da bambini è più facile imparare a suonare il violino o imparare una lingua straniera rispetto che da adulti, perché il cervello è più sensibile agli stimoli provenienti dall’esterno e riesce a codificarli in modo diverso risultando appunto più plastico.

    Il modello animale più studiato di sindrome di Rett è un topolino in cui manca l’espressione del gene per MeCP2: questo modello è detto knock-out (KO) per MeCP2 e riepiloga molto bene parecchie caratteristiche della malattia umana. Abbiamo incrociato questi topi con una linea di topi in cui i neuroni della corteccia cerebrale sono stati resi visibili in quanto esprimono una proteina verde fluorescente. In questo modo, mediante la microscopia a due fotoni, è possibile visualizzare direttamente la dinamica dei processi di riorganizzazione anatomica che portano alla maturazione dei circuiti neuronali nel modello di Rett.

    In particolare, abbiamo studiato la struttura delle piccole protrusioni anatomiche presenti sui neuroni eccitatori, dette spine dendritiche (vedi Figura 1) che hanno una dimensione dell’ordine dei millesimi di millimetro. Ogni spina dendritica forma una sinapsi dalla quale il neurone riceve un input dalle cellule a monte: le spine dendritiche rappresentano perciò il principale elemento computazionale del cervello. Se cambia la forma o la posizione delle spine, si rimodella anche la relativa capacità della sinapsi associata di ‘lavorare’, e ciò è alla base dei processi di memoria e apprendimento.

    Fig.1

    Figura 1: Ricostruzione di un neurone eccitatorio (sinistra); particolare della struttura di un dendrite su cui sono presenti le spine dendritiche (centro); immagine al microscopio elettronico di una spina dendritica (destra dove appare una sinapsi (asterischi)).

    Potremmo dire che ogni cosa che siamo ed impariamo sia in qualche modo codificata nelle modifiche biochimiche e strutturali delle spine che avvengono in risposta degli stimoli di cui siamo pervasi. Nelle cellule adulte le spine dendritiche sono molto stabili e non è possibile rilevare differenze tra le cellule malate e quelle sane. Invece durante la formazione dei circuiti nervosi, c’è una grande differenza di comportamento delle spine dendritiche in cellule colpite dalla malattia e cellule sane; mentre infatti in quelle sane si assiste ad un continuo cambiamento di forma e lunghezza delle spine, associato all’apprendimento e alla risposta a stimoli sensoriali e quindi al corretto sviluppo del cervello, le spine di cellule malate appaiono estremamente stabili, indicando un deficit nei meccanismi di plasticità.

    Dal nostro studio emerge un deficit di plasticità sinaptica che si può interpretare come un precoce invecchiamento del sistema nervoso: ad una età in cui nel topolino normale i processi di rimodellamento strutturale sono ancora attivi corrisponde nel topolino Rett un forte rallentamento di questi meccanismi. Questo deficit si instaura molto precocemente e, una volta "congelato" nel sistema nervoso maturo, probabilmente ne limita il corretto funzionamento.

    Fig.2

    Figura 2: Immagini a confronto di dendriti di cellule della corteccia cerebrale dedicata ad analizzare gli stimoli tattili. Aquattro settimane di età è evidente una certa riduzione nel numero complessivo di spine dendrtiche nel topo KO per MeCP2. Nel controllo sono anche evidenti i segni della formazione di nuove spine. Le spine immature sono le sottili protusioni filiformi indicate dalle frecce gialle sono molto piu abbondanti nella corteccia di controllo piuttosto che nel KO per MeCP2.

    La somministrazione sottocutanea acuta di un fattore di crescita, quale il fattore di crescita insulino-simile IGF-1 è in grado di contrastare l’invecchiamento precoce della corteccia del topolino Rett. Ciò significa che i neuroni si parlano molto di meno e in modo scorretto, laddove l’espressione genica di MeCP2 sia compromessa a causa della sua mutazione. Rispetto ad uno studio precedente condotto presso il MIT di Boston da Daniela Tropea e collaboratori (Tropea et al., PNAS, 2009) in cui lo stesso fattore era stato impiegato a lungo termine e consentiva un recupero della densità di sinapsi nell’animale adulto, in questo studio si fa vedere che IGF-1 ha un effetto immediato sulla ripresa di funzionalità delle sinapsi ed è efficace fin dalle prime fasi di sviluppo e tanto più quanto più viene somministrato precocemente. D’altra parte, un altro recente studio ha mostrato come nella Rett ci sia un profondo difetto nella sintesi proteica (Ricciardi et al., 2010) che potrebbe contribuire a spiegare il mancato sviluppo/precoce invecchiamento delle connessioni nervose.

    Fig.3

    Figura 3: Immagini di uno stesso dendrite allo scorrere del tempo (ogni 15 minuti) fotografate grazie alla microscopia a due fotoni nel cervello di un topolino anestetizzato. Mentre nel topolino Rett (RTT) a destra la situazione sembra cristallizzata, nel topo di controllo ci sono delle spine indicate dalle frecce gialle che si muovono molto (A). Come appare in B, mentre nell’animale sano (controllo) ci sono sia spine molto motili che altre più immobili (la loro motilità è rappresentata come variazione della lunghezza in funzione del tempo), nel topo Rett le fluttuazioni in lunghezza sono minime. In particolare, le spine immature, cioè i ‘filopodi’ sembrano le spine più colpite dalla patologia. Nel nostro studio, abbiamo inoltre osservato che il comportamento patologico nella dinamica delle spine durante la fase precoce della malattia, quando i sintomi più gravi quali ritardo mentale, autismo, disordini motori, stereotipie non sono ancora presenti, può essere quasi completamente prevenuto da una singola iniezione sottocutanea del fattore di crescita insulino-simile, IGF-1, il giorno prima dell’osservazione sotto al microscopio.

    Fig.4

    Figura 4: La somministrazione del fattore di crescita IGF-1 già dopo 24 ore riattiva la dinamica delle spine dendritiche fornendo il supporto alla loro motilità come indicato dalle frecce gialle che indicano spine nuovamente motili. In particolare, nel topo Rett ricompaiono i ‘filopodi’ che tornano ad essere più motili.

    Questi dati suggeriscono che:

    1. qualunque trattamento per sostenere il normale sviluppo sinaptico dovrebbe essere iniziato precocemente ancora prima di osservare i sintomi clinici chiave della sindrome di Rett.
    2. l’imaging mediante microscopia a due fotoni in vivo è una tecnica promettente per valutare sia lo sviluppo dei circuiti del sistema nervoso che gli effetti di agenti terapici nel tempo.
    3. da questo studio emergono gli effetti in acuto, ma non a lungo termine del fattore di crescita IGF-1 sulla plasticità delle spine dendritiche nella Rett. Sarebbe interessante osservare a questo punto se le spine che si sviluppano grazie agli effetti di IGF-1 siano funzionali e osservare a lungo termine non solo un recupero anatomico, ma anche funzionale e comportamentale dapprima nel modello animale. Il nostro studio rappresenta comunque una evidenza a sostegno della possibile applicazione di IGF-1 a fini clinici sull’Uomo, tanto più efficace tanto più somministrato precocemente. E’ inoltre bene precisare che attualmente, l’uso di IGF-1 è stato approvato per un trial clinico in corso in America. D’altra parte il trasferimento di conoscenze dalla ricerca di base alla pratica clinica non è mai lineare e soprattutto l’approvazione di trial clinici sull’Uomo non è mai un percorso banale.

    RIFERIMENTO DELLA PUBBLICAZIONE:

    The short-time structural plasticity of dendritic spines is altered in a model of Rett syndrome. S.Landi, E.Putignano, E.M.Boggio, M.Giustetto, T.Pizzorusso, G.M.Ratto Scientific Reports 1, Article number: 45 doi:10.1038/srep00045

    FINANZIAMENTI A SOSTEGNO DEL PROGETTO:

    FIRB 2003 Laboratorio nazionale sulle nanotecnologie per genomica e post-genomica (NG-Lab), Telethon Grant GGP07278 a Gian Michele Ratto e GGP09196 a Tommaso Pizzorusso e Maurizio Giustetto, TLS-Toscana Life Sciences ‘Orphan diseases’ a Gian Michele Ratto, Firb FUTURO IN RICERCA 2008-Miur a Silvia Landi e E-Rare EuroRett Consortium a Tommaso Pizzorusso e Maurizio Giustetto. L'articolo è tratto dal numero 60 di Vivirett, rivista dell'associazione dei genitori delle bambine con sindrome di Rett (http://www.airett.it)



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