Scoperta di nuove proteine ​​implicate nella patologia SCA1

Nelle malattie neurodegenerative, un gene problematico e la proteina che ne deriva svolgono un ruolo cruciale nella perdita selettiva di cellule cerebrali. Tuttavia, una domanda fondamentale rimane senza risposta: sebbene la proteina difettosa sia presente in tutto il cervello, perché solo alcuni neuroni sono colpiti? La Dott.ssa Zoghbi e il suo team di ricerca hanno cercato di rispondere a questa domanda studiando un modello murino di atassia spinocerebellare di tipo 1 (SCA1). I loro risultati hanno messo in discussione la convinzione comune che la SCA1 colpisca principalmente il cervelletto, rivelando che anche altre regioni cerebrali sono colpite dalla poliQ espansa ATXN1. Soprattutto, hanno scoperto nuove proteine ​​coinvolte nella progressione di questa malattia.  

La SCA1 colpisce circa una persona su 100.000 in tutto il mondo ed è caratterizzata da squilibrio e disabilità motorie. È causata da un’espansione ripetuta di tre basi del DNA, C, A e G, nel gene ATXN1 . Nella proteina prodotta da questo gene, chiamata anche ATXN1, la ripetizione CAG si traduce in più unità dell’amminoacido glutammina una accanto all’altra, un tratto chiamato poliglutammina o polyQ. Questa espansione anomala porta alla degenerazione neuronale principalmente nelle cellule di Purkinje del cervelletto. Sappiamo che senza il tratto polyQ, ATXN1 interagisce normalmente con una proteina chiamata Capicua (CIC). Capicua è un fattore di trascrizione , il che significa che è responsabile della regolazione dell’espressione di molti geni. Tuttavia, studi precedenti dimostrano che il tratto polyQ nella proteina ATXN1 della SCA1 interrompe la normale relazione tra Capicua e ATXN1, portando a un’eccessiva riduzione dei livelli dei geni regolati da Capicua. Questa eccessiva riduzione dell’espressione si rivela letale per i neuroni. È importante sottolineare che, interrompendo l’interazione tra capicua e la proteina ATXN1 di SCA1, il team di ricerca ha precedentemente dimostrato di poter correggere gli effetti dannosi causati da questa interazione nel cervelletto di topi SCA1 .  

Combinando le informazioni che il gruppo di ricerca aveva appreso dal loro studio precedente e due informazioni chiave,  

1) ATXN1 è ampiamente espresso in tutto il cervello; e 

2) Le regioni cerebrali oltre il cervelletto, compreso il tronco encefalico, sono colpite dalla SCA1 e degenerano con il progredire della malattia. Il gruppo ha individuato una nuova domanda di ricerca: l’interazione tra capicua e la proteina SCA1 ATXN1 è responsabile anche della perdita di cellule cerebrali e della distruzione osservata in queste altre regioni cerebrali?  

Per rispondere a questa domanda, il gruppo di ricerca ha generato un nuovo modello murino. Hanno preso un modello murino che produce un ATXN1 mutante con una sequenza estesa di 154 glutammine e hanno mutato due amminoacidi critici. Questi amminoacidi erano localizzati nella posizione in cui ATXN1 interagisce con il capicua. Inducendo queste mutazioni, i ricercatori hanno impedito l’interazione di queste due proteine ​​in tutto il cervello. Questo approccio ha permesso loro di valutare se l’interazione, cruciale per la degenerazione del cervelletto, avesse un impatto anche su altre regioni cerebrali. 

I ricercatori hanno esaminato se l’interruzione dell’interazione tra SCA1 e ATXN1 capicua portasse a miglioramenti nei fenotipi neurologici di SCA1 in tutto il cervello in questo modello murino. Nel cervelletto, i ricercatori hanno riscontrato un miglioramento dell’organizzazione, della connettività e della funzione neuronale dopo la mutazione dei due amminoacidi chiave. Successivamente, hanno esaminato se la perdita del complesso ATXN1-capicua potesse alleviare altri sintomi correlati a SCA1, come la cifosi e la perdita di peso. Hanno scoperto che questi sintomi non erano migliorati. Analogamente, i deficit di apprendimento e memoria persistevano nonostante la perdita del complesso ATXN1-capicua. Tuttavia, i ricercatori hanno riscontrato un parziale miglioramento in altri sintomi, tra cui l’incoordinazione motoria, la respirazione e la durata della vita. Sebbene questi risultati dimostrino che l’interazione tra SCA1 e ATXN1 capicua sia importante per alcuni fenotipi, questa ricerca suggerisce anche il coinvolgimento di ulteriori fattori nella progressione della malattia.   

Per comprendere quali potrebbero essere questi altri fattori, i ricercatori hanno esaminato l’impatto delle mutazioni aminoacidiche sui cambiamenti nell’espressione genica nel cervello in SCA1. Poiché capicua è un fattore di trascrizione responsabile dell’attivazione e della disattivazione di molti geni, l’utilizzo del sequenziamento dell’RNA ha potuto mostrare quali geni sono stati salvati dalle mutazioni aminoacidiche che interrompono l’interazione tra ATXN1 e capicua e quali geni non vengono salvati. Il gruppo di ricerca ha esaminato questo in cinque diverse regioni: cervelletto, ippocampo, tronco encefalico, corteccia e striato. Hanno osservato cambiamenti nel livello dei geni in tutte le regioni cerebrali confrontando i topi SCA1 con i topi selvatici. Sebbene l’interruzione del complesso ATXN1-capicua abbia migliorato una varietà di eventi in tutti i tessuti nei topi SCA1, non ha normalizzato completamente tutti i cambiamenti nei livelli genici. Questi risultati suggeriscono che, sebbene altri studi abbiano dimostrato che l’interazione ATXN1-capicua è importante nel mediare la disfunzione nel cervelletto, esistono anche altri fattori che contribuiscono alla malattia in tutto il cervello.    

La scoperta che l’interruzione del complesso ATXN1-capicua migliorasse solo parzialmente le variazioni dell’attività genica ha spinto i ricercatori a indagare il coinvolgimento di altre proteine ​​chiave che interagiscono con ATXN1. Hanno ipotizzato che queste proteine ​​potessero svolgere un ruolo nella tossicità di SCA1 in altre aree cerebrali, oltre al cervelletto. Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno utilizzato un modello murino che produce ATXN1 con due glutammine e presenta mutazioni nei due amminoacidi critici per la sua interazione con la proteina capicua. Per indagare se altre proteine ​​oltre a capicua interagissero con ATXN1, hanno utilizzato una tecnica che ha permesso loro di isolare ATXN1 insieme a tutte le proteine ​​ad essa associate. Grazie a questo, hanno scoperto tre nuovi fattori trascrizionali espressi nel cervello: dito di zinco con domini KRAB e SCAN 1 (ZKSCAN1), dito di zinco e dominio BTB contenente 5 (ZBTB5) e fattore regolatore X 1 (RFX1), che interagiscono con ATXN1 sia wild-type che espanso polyQ anche in assenza di legame con capicua. I ricercatori hanno scoperto che due di questi, RFX1 o ZKSCAN1, controllano molti geni che sono attivati ​​o disattivati ​​in modo anomalo nel modello murino di SCA1. Anche quando l’interazione tra ATXN1 e capicua è bloccata, molti geni rimangono anomali, probabilmente perché RFX1 e ZKSCAN1 rimangono legati ad ATXN1. È importante notare che i ricercatori hanno scoperto che i geni regolati da questi fattori di trascrizione nel modello murino mostravano anomalie simili anche nei neuroni derivati ​​da pazienti con SCA1, suggerendo che questi risultati sono rilevanti per la malattia umana. Insieme a capicua, si prevede che queste proteine ​​di nuova scoperta regolino circa il 33% dei geni interessati nella SCA1. 

In conclusione, questo lavoro ha fatto progredire significativamente la nostra comprensione dei meccanismi che guidano la progressione della SCA1. L’aspetto interessante di questo studio è che non si concentra solo sul cervelletto, tradizionalmente associato alla SCA1, ma estende il nostro interesse ad altre regioni cerebrali. La scoperta di ulteriori proteine ​​che interagiscono con ATXN1 promette lo sviluppo di interventi e trattamenti mirati per questo disturbo. Comprendendo i diversi fattori che guidano la patologia SCA1 a livello cerebrale, ci avviciniamo a un futuro in cui terapie efficaci offrono speranza alle persone e alle famiglie colpite da questa condizione neurologica.