Le basi epigenetiche della Malattia di Alzheimer

Nota: questo articolo, scritto direttamente dal ricercatore autore dello studio, è stato pubblicato nel 2012. Descrive risultati ottenuti su un modello animale (topi), non su pazienti umani: l'autore stesso concludeva che, per sapere se la S-adenosilmetionina fosse davvero efficace nell'uomo, sarebbe stato necessario uno studio clinico di almeno 2-3 anni. Diversi anni dopo (2023) tale ricerca è stato effettivamente condotto lo studio clinico: un trial di fase II randomizzato e controllato con placebo su 60 pazienti con decadimento cognitivo lieve o Alzheimer (Holper et al., 2026, Alzheimer's & Dementia, DOI: 10.1002/alz.71381) ha testato la S-adenosilmetionina per sei mesi. Il trattamento si è confermato sicuro, ma non ha ridotto i biomarcatori della malattia né migliorato le performance cognitive rispetto al placebo. Il meccanismo molecolare qui descritto resta un filone di ricerca attivo, ma questa specifica ipotesi terapeutica non ha trovato conferma nell'uomo.

---

Studio del meccanismo molecolare e di un possibile intervento terapeutico in un modello murino.

Autore: Andrea Fuso. Dipartimento di Chirurgia "P. Valdoni" e dipartimento di Psicologia; Sapienza Università di Roma.

Abstract

La forma sporadica (non familiare) della Malattia di Alzheimer insorge generalmente dopo i 65 anni ed è quella prevalente dal punto di vista epidemiologico in quanto responsabile del 90-95% dei casi. La patologia è caratterizzata, dal punto di vista anatomo-patologico, dalla presenza di depositi cerebrali di proteina amiloide e di proteina tau, responsabili della morte neuronale. Oggi si è accertato che la malattia è altamente multifattoriale, il che rende difficile l’individuazione delle cause e quindi anche di una terapia efficace. La scoperta che alcuni meccanismi epigenetici potrebbero essere coinvolti nell’insorgenza dell’Alzheimer, apre nuove strade alla comprensione delle cause e all’identificazione di un possibile trattamento.

Introduzione

La malattia di Alzheimer (AD: Alzheimer’s Disease)

La malattia di Alzheimer è una malattia neurodegenerativa associata alla perdita di neuroni che risiedono principalmente nelle aree cerebrali coinvolte nella memoria, nell’apprendimento e in altre vitali funzioni mentali.

Rappresenta tra il 50% e il 70% dei casi di demenza accertati post mortem (Ferri et al., 2005). La sua prevalenza ed incidenza aumentano con l’aumentare dell’età raggiungendo una crescita quasi esponenziale nella fascia di età compresa tra i 65 e gli 85 anni e recentemente si è scoperto che l’incidenza continua ad aumentare oltre gli 85 anni di età.

Si stima che i soggetti affetti da Alzheimer in Italia siano oltre 500.000.Benché esista una forma familiare molto aggressiva, con esordio precoce e sviluppo rapido, causata da mutazioni genetiche note, la forma prevalente è quella sporadica (LOAD: Late Onset Alzheimer’s Disease) caratterizzata da insorgenza e sviluppo molto variabili nel tempo e da eziologia multifattoriale (Iqbal & Grundke-Iqbal, 2008).

Dal punto di vista anatomo-patologico l’Alzheimer è caratterizzato da depositi proteici all’interno del neurone (grovigli neurofibrillari di proteina tau iperfosforilata) e depositi proteici all’esterno del neurone (“placche senili” di proteina amiloide, Aβ) Questi depositi sono responsabili della morte dei neuroni con conseguente deficit dei neurotrasmettitori (acetilcolina), atrofia cerebrale (ippocampo, amigdala, corteccia entorinale e parietale), dilatazione dei ventricoli cerebrali, atrofia.

Dal punto di vista clinico, la malattia inizia con una fase caratterizzata da deficit della memoria a breve termine, disorientamento nello spazio, cambiamenti di personalità e alterata capacità di giudizio. A questa segue una fase moderata con difficoltà nell’eseguire le normali attività quotidiane (alimentarsi, vestirsi, lavarsi), agitazione, disturbi del sonno, difficoltà nel riconoscere le persone.

I disturbi peggiorano poi fino alla compromissione funzionale negli atti della vita quotidiana e sfociano nei disturbi di espressione e comprensione, inappetenza e dimagrimento, incontinenza e totale dipendenza dagli altri.

Alzheimer e iperomocisteinemia

Fra i molti fattori chiamati in causa nell’insorgenza della patologia, alla fine degli anni ’90 ha cominciato a farsi strada l’evidenza che la presenza di elevati livelli di omocisteina (HCY) nel sangue (iperomocisteinemia) potessero essere associati al LOAD (Diaz-Arrastia, 1998).

Inoltre, alcuni studi evidenziavano anche l'associazione della malattia con bassi livelli di vitamine del gruppo B (Folato, B12 e B6), che sono responsabili dello smaltimento dell'omocisteina (Selhub et al., 2000).

L’omocisteina è un aminoacido che l’organismo non utilizza per la sintesi di proteine, ma fa parte di un ciclo metabolico molto importante e complesso, schematizzato in fig. 1 (Chiang et al., 1996).

Fig.1 Rappresentazione schematica del ciclo della SAM/HCY. Bassi livelli di folato, vitamina B12 e vitamina B6 portano all'accumulo di HCY e di SAH, con conseguente inibizione delle reazioni di metilazione. Abbreviazioni: Met, Metionina; SAM, S-adenosilmetionina; SAH, S-adenosilomocisteina; Ado, Adenosilomocisteina; HCY, Omocisteina; CYS, Cistationina; THF, Tetraidrofolato; MTHF, metiltetraidrofolato; B12, Vitamina B12; B6, Vitamina B6; 1 Metionina adenosiltransferasi (MAT); 2, Metiltransferasi; 3, SAH-idrolasi; 4, Cistationina -Beta-sintasi (CBS); 5, Metionina sintasi (MS); 6, Metilentetraidrofolato reduttasi (MTHFR).

L’omocisteina viene trasformata attraverso due vie metaboliche grazie anche alla presenza delle vitamine B che agiscono come cofattori.

Se non viene trasformata efficacemente, ad esempio per la carenza di questi cofattori, si può accumulare causando tossicità, come già precedentemente appurato nel caso delle malattie cardiovascolari.

Nel caso dell’Alzheimer, però, non si manifestava questo tipo di tossicità.

In realtà, mentre l’associazione tra LOAD e iperomocisteinemia era ben caratterizzata dal punto di vista clinico ed epidemiologico, molto poco lavoro era stato fatto per cercare un collegamento causale fra le alterazioni del metabolismo dell'omocisteina e l'insorgenza della patologia.

Inoltre, nessuno aveva posto l'attenzione al fatto che l'aumento di omocisteina e la diminuzione di vitamine B potesse essere correlata all'alterazione delle reazioni di metilazione.

La metilazione del DNA

La metilazione del DNA è la principale modificazione epigenetica (Razin & Cedar, 1991).

Si tratta, cioè, di una modificazione chimica della molecola di DNA che non ne altera però la sequenza nucleotidica. Nel caso della metilazione si tratta dell’aggiunta di un gruppo metilico (-CH3) su un residuo di citosina, una delle 4 basi azotate che formano la sequenza nucleotidica del DNA.

La metilazione del DNA è normalmente associata al silenziamento genico: questo significa che se un gene ha la sua regione regolatrice (il promotore) metilata, il gene sarà poco espresso; viceversa, se il promotore è demetilato, il gene sarà più espresso, verrà sintetizzato più RNA messaggero e, conseguentemente, più proteina.

Il DNA viene metilato a specifici enzimi (le DNA-metiltransferasi) che usano come substrato la S-adenosilmetionina (SAM), un intermedio del ciclo metabolico dell’omocisteina, che dona il suo gruppo metilico trasformandosi in S-adenosilomocisteina (SAH) e poi in omocisteina.

Se l’omocisteina si accumula, si osserva un accumulo di SAH che è in grado di inibire le reazioni di metilazione SAM-dipendenti.

Ipotesi di lavoro e modello sperimentale

Sulla base di queste evidenze scientifiche, ci siamo chiesti se l’effetto dell’iperomocisteinemia potesse essere quello di far diminuire la metilazione di specifici geni coinvolti nell’insorgenza del LOAD.

Per verificare questa ipotesi, abbiamo messo a punto un sistema sperimentale, usando prima cellule neuronali in coltura e poi topi transgenici, in cui causavamo una deficienza di folato, B12 e B6; come conseguenza, trovavamo un aumento dei livelli di omocisteina e una diminuzione delle reazioni di metilazione.

Un’altra complicazione nello studio del LOAD è la mancanza di modelli sperimentali adeguati a causa della natura altamente multifattoriale della patologia.

Al momento, l’unica possibilità è rappresentata dall’uso di modelli animali (topi) transgenici che portano mutazioni caratteristiche delle forme di AD familiare e perciò riproducono alcune delle caratteristiche molecolari e anatomo-patologiche della malattia, rendendo possibile la loro misurazione in diverse condizioni sperimentali.

Infatti, benché anche i topi normali producano, ad esempio, proteina amiloide (così come gli esseri umani) che ha un ruolo nella normale fisiologia del cervello, data la breve vita di questi animali, non si osserva deposizione patologica di placche senili.

I topi che abbiamo usato nel nostro lavoro (e che ci sono stati gentilmente donati da un collega dell’Università di Toronto) portano il gene umano che codifica per la proteina precursore dell’amiloide (APP) recante due mutazioni caratteristiche delle forme familiari (mutazioni “swedish” e “indiana”) e mostrano per questo la deposizione di placche senili di proteina amiloide a partire dai due-tre mesi di età.

Abbiamo studiato vari geni coinvolti nella patologia di Alzheimer e abbiamo trovato che uno di questi risultava demetilato in condizioni di deficienza di vitamine B con conseguente aumento della sua espressione. Questo gene (Presenilina1) è uno dei responsabili del taglio dell’APP per formare la proteina amiloide, che veniva quindi prodotta in quantità ancora maggiori nei nostri topi anticipando e aggravando la condizione patologica (Fuso et al., 2005; Fuso et al., 2011).

Efficacia del trattamento con S-adenosilmetionina

I risultati ottenuti ci hanno permesso di determinare l’esistenza di un collegamento di tipo causa-effetto fra l’aumento dei livelli di omocisteina indotti da deficienza vitaminica ed i meccanismi patogenetici dell’AD così riassumibile: deficienza di vitamine B -> iperomocisteinemia -> inibizione delle reazioni di metilazione -> demetilazione del gene Presenilina1 -> aumento della produzione di proteina amiloide.

A questo punto ci siamo domandati se fosse possibile inibire la demetilazione del gene Presenilina1 nei topi, diminuendo quindi la produzione di proteina amiloide. Dal momento che la SAM, che è il principale donatore di gruppi metilici, era già usata da decenni in medicina come blando antidepressivo, abbiamo deciso di utilizzare direttamente questa molecola endogena somministrandola agli animali per via orale. Dopo lo svezzamento, topi transgenici e di controllo sono stati trattati con diversi dosaggi di SAM.

Oltre ad un dosaggio (400 μg/die) paragonabile a quello usato normalmente nel trattamento della depressione nell’uomo (400 mg/die) sono stati testati anche un dosaggio superiore ed uno inferiore, per determinare quello più efficace.

Si è visto che il dosaggio intermedio presentava un effetto maggiore rispetto al più basso ma paragonabile a quello più alto; pertanto è su questo dosaggio che ci siamo concentrati per la maggior parte delle determinazioni biochimiche e biomolecolari.

Dopo un trattamento di 1 o 2 mesi, sono stati analizzati diversi parametri: la concentrazione di HCY, SAM e SAH nel sangue e la concentrazione di SAM e SAH nel cervello; l’attività delle DNA metiltransferasi nel cervello; lo stato di metilazione del gene Presenilina1, i livelli del suo RNA messaggero e della proteina; la sintesi di proteina amiloide e il suo accumulo nelle placche senili; i livelli di fosforilazione della proteina tau; infine, è stato eseguito un esperimento di analisi comportamentale sui topi per determinare gli effetti della deficienza vitaminica e della somministrazione di SAM sulle capacità cognitive degli animali.

I risultati ottenuti hanno dimostrato che la somministrazione di SAM è in grado di contrastare tutti gli effetti negativi correlati all’aumento di omocisteina indotto dalla carenza di vitamine del gruppo B, ristabilendo il normale metabolismo della metilazione e la normale espressione di Presenilina1, riducendo il numero di placche senili e migliorando la performance cognitiva degli animali (Fuso et al., 2012).

Inaspettatamente, il risultato è stato anche più soddisfacente del previsto perché non solo la SAM si è dimostrata in grado di diminuire le placche senili nei topi trattati con carenza di vitamine B, ma anche nei topi sottoposti ad una dieta normale (figura 2A,B,C).

Fig.2A

Fig.2B

Fig.2C

Fig.2A Il modello murino transgenico della malattia di Alzheimer utilizzato negli esperimenti è caratterizzato dalla produzione di proteina beta-amiloide (AΒ) che forma le cosiddette "placche senili", tipiche della malattia, nel cervello.

Fig.2B Gli stessi topi sottoposti ad una dieta carente di vitamine del gruppo B (Folato, B6 e B12) mostrano un peggioramento della patologia e l'aumento delle placche. Il meccanismo è mediato dalla demetilazione del DNA di un gene coinvolto nella produzione di AΒ (PSEN1) e dalla sua maggiore espressione.

Fig.2C Somministrando S-adenosilmetionina ai topi, sia in condizioni normali che in carenza vitaminica, si osserva il ripristino della metilazione, l'inibizione dell'espressione del gene e la diminuzione delle placche.

Conclusioni:

Benché questi risultati siano per il momento limitati ad un modello cosiddetto “preclinico”, cioè un modello sperimentale animale, sono abbastanza incoraggianti da ipotizzare l’esecuzione di un trial clinico con la SAM nei pazienti con malattia di Alzheimer.

Il fatto che la SAM sia una molecola endogena e che sia già utilizzata come farmaco (e quindi non sono necessarie le fasi preliminari per determinarne sicurezza, tossicità e dosaggio) è un vantaggio.

D'altro canto l’esecuzione di un trial di questo tipo è molto onerosa in termini di costi in quanto i markers biochimici usati nell'Alzheimer non sono così precisi e gli strumenti di diagnosi di elezione restano ancora quelli dell'analisi neurologica dello stato cognitivo affiancato sempre di più dall'indagine per immagini (TAC e PET).

Pertanto, per determinare se la SAM sia veramente efficace nei pazienti, occorre prevedere uno studio della durata di almeno 2-3 anni su un cospicuo numero di soggetti.

Bibliografia

• Chiang, P.K., Gordon, R.K., Tal, J., Zeng, G.C., Doctor, B.P., Pardhasara- dhi, K, McCann, P.P. S-adenosylmethionine and methylation. FASEB J. 1996, 10:471-480.
• Diaz-Arrastia R. Hyperhomocysteinemia: a new risk factor for Alzheimer disease? Arch Neurol. 1998, 55(11):1407-1408.
• Ferri C.P., Prince M., Brayne C., Brodaty H., Fratiglioni L., Ganguli M., Hall K., Hasegawa K., Hendrie H., Huang Y., Jorm A., Mathers C., Menezes P.R., Rimmer E., Scazufca M. Alzheimer’s Disease International. Global preva- lence of dementia: A Delphi consensus study. Lancet 2005, 366:2112-2117.
• Fuso A., Nicolia V., Cavallaro R.A., Ricceri L., D'Anselmi F., Coluccia P., Calamandrei G., Scarpa S. B-vitamin deprivation induces hyperhomocysteinemia and brain S-adenosylhomocysteine, depletes brain S-adenosylmethionine, and enhances PS1 and BACE expression and amyloid-beta deposition in mice. Mol Cell Neurosci. 2008, 37(4):731-746
• Fuso A., Nicolia V., Pasqualato A., Fiorenza M.T., Cavallaro R.A., Scarpa S. Changes  in Presenilin 1 gene methylation pattern in diet-induced B vitamin deficiency. Neurobiol Aging. 2011, 32(2):187-199.
• Fuso A., Nicolia V., Ricceri L., Cavallaro R.A., Isopi E., Mangia F., Fiorenza M.T., Scarpa S. S-adenosylmethionine reduces the progress of the Alzheimer-like features induced by B-vitamin deficiency in mice. Neurobiol Aging. 2012, In press.
• Iqbal, K., Grundke-Iqbal, I. Alzheimer neurofibrillary degeneration: significance, etiopathogenesis, therapeutics and prevention. J. Cell. Mol. Med. 2008,12:38–55.
• Razin, A. and Cedar, H. Microbiol. Rev. 1991, 55:451-458.
• Selhub J., Bagley L.C., Miller J., Rosenberg I.H. B vitamins, homocysteine, and neurocognitive function in the elderly. Am J Clin Nutr. 2000, 71(2):614S-620S.