3 Autofagia nell’atrofia muscolare spinale e bulbare (SBMA)

Ci sono almeno nove malattie neurodegenerative causate da espansioni CAG. Queste malattie poli-glutammine includono la malattia di Huntington, diverse atassie spinocerebellari e atrofia muscolare spinobulbare o SBMA.121 SBMA è un adulto-esordio, X-linked disturbo neuromuscolare causato da una ripetizione trinucleotide CAG in esone 1 del recettore degli androgeni (AR), che viene attivato dal suo testosterone ligando (o diidrotestosterone).122 Mutato AR misfolds e aggregati nel nucleo e citoplasma di principalmente MNs e cellule muscolari causando molteplici interruzioni nella funzione cellulare e portando a neurodegenerazione.123 Uno dei primi studi che esplorano se questi aggregati citosolici potrebbero essere rimossi dall’autofagia è stato pubblicato nel 2009 da Merrys lab. Usando MNs in coltura da un modello murino SBMA transgenico che esprime l’AR mutato, gli autori hanno dimostrato che l’attivazione farmacologica dell’autofagia ha salvato la morte di MN indotta dagli aggregati AR tossici, anche quando l’AR mutato è stato modificato per risiedere nel nucleo.124 Altri rapporti che convalidano il ruolo citoprotettivo dell’autofagia nella patologia SBMA sono stati pubblicati da allora125,126 sebbene i meccanismi di azione di quelle molecole che attivano l’autofagia non siano ancora chiari. Allo stesso modo, il trattamento combinatorio del bicalutamide anti-androgeno (che promuove la ritenzione citoplasmatica di polyQ-AR riducendo quindi la sua traslocazione nucleare) con l’induttore di autofagia trealosio ha dimostrato di ridurre la formazione del deposito di polyQ-AR in MNs in coltura in vitro.Questi studi hanno evidenziato che l’autofagia funziona come una via citoprotettiva per eliminare gli aggregati citoplasmatici AR. Tuttavia, una comprensione dettagliata dei meccanismi molecolari sottostanti e se un’autofagia disfunzionale incapace di svolgere tale ruolo degradativo fa parte della patologia SBMA doveva ancora essere studiata. Come descritto in precedenza, p62 non è solo un recettore autofagia, ma media anche la formazione di inclusione, in particolare quando l’autofagia non funziona correttamente.68 Nel 2013, uno studio elegante ha dimostrato che l’eliminazione di p62 in un modello murino SBMA ha esacerbato la disfunzione motoria aumentando i livelli di complessi proteici monomerici mutanti AR e mutanti AR a seguito di compromissione dell’autofagia. Al contrario, la sovraespressione p62 proteggeva dalla tossicità dell’AR mutante inducendo la formazione di inclusioni proteiche citoprotettive.126 Questi risultati quindi non solo hanno sostenuto la funzione positiva dell’autofagia nella compensazione di questi aggregati, ma hanno anche suggerito che la formazione di inclusione di AR mutante può rappresentare un tentativo cellulare di far fronte alla presenza del recettore aberrante.

L’autofagia selettiva assistita da chaperone, o CASA, è un tipo meno studiato di autofagia che è stato fortemente legato alla fisiopatologia SBMA. Intorno all’anno 2000, è stato scoperto che la famiglia di proteine BAG (Bcl-2-associated athanogene), HSC/HSP70 co-chaperon, sono modulatori di proteostasi. La famiglia di proteine della SACCA umana contiene sei membri,vale a dire BAG1-6,127,128 che interagiscono con Bcl-2 per sopprimere l’apoptosi, 129 ma sono anche coinvolti in altri processi cellulari, come il ripiegamento delle proteine, la risposta allo stress e l’autofagia. Fatta eccezione per BAG5, tutti i membri delle proteine della BORSA interagiscono fisicamente con HSP70 tramite il loro dominio BAG e tutti hanno un dominio simile all’ubiquitina attraverso il quale legano il carico ubiquitinato per indirizzarlo alla degradazione. Le due proteine BAG più studiate fino ad oggi, e legate a malattie neurodegenerative, sono BAG1 e BAG3. Un robusto lavoro del gruppo Christian Behls ha dimostrato che, mentre BAG1 è coinvolto nella rimozione delle proteine poliubiquitinate dal sistema proteasomale, BAG3 è collegato al recettore dell’autofagia p62 e coinvolto nel turnover delle proteine poliubiquitinate dall’autofagia, scoprendo così una via per l’autofagia selettiva mediata da questo co-chaperone multifunzionale HSP70.130 Hanno anche scoperto che sotto stress cellulare, invecchiamento e condizioni soggette a neurodegenerative il rapporto BAG3:BAG1 aumenta nei neuroni e nel cervello del topo che migliora l’attività autofagia.131 Questo sistema basato su chaperone per degradare i componenti cellulari ha dimostrato di essere particolarmente importante per mantenere l’omeostasi nelle cellule muscolari, gli obiettivi del SNM spinale. A differenza dell’autofagia mediata da chaperone (CMA), che è indotta dallo stress, la CASA funziona in condizioni normali. Il coinvolgimento di BAG3 e dei suoi accompagnatori associati nella patologia delle MNDS, in particolare SBMA e SLA, e il crosstalk di questa rete degradativa con autofagia è stato ampiamente studiato dal gruppo di Poletti. Nel 2015 il suo gruppo si è presentatoregolazione dei geni autofagici (Beclin-1, Atg10, p62/SQSTM1, LC3) e del gene che codifica per la piccola proteina Hspb8 di shock termico BAG3 co-chaperone nel muscolo dei topi SBMA sintomatici. Anche BAG3 e altri interattori HSPB8 (HSPB2 e HSPB3) sono stati sovraregolati a livello di mRNA e proteine.69 In precedenza avevano dimostrato che HSPB8 era una proteina chiave coinvolta nella rimozione autofagica non solo di polyQ-AR ma anche delle proteine mutate legate alla SLA SOD1 e TDP-43 e che la sua espressione era altamente aumentata dopo il blocco del sistema del proteasoma dell’ubiquitina per facilitare la clearance dell’autofagia di queste proteine pro-aggregazione.46,132,133 Hanno inoltre dimostrato che il BAG3:Il rapporto BAG1 è stato aumentato nel muscolo SBMA suggerendo che il mutante polyQ-AR induce una potente risposta autofagica nelle cellule muscolari e che l’autofagia è la principale via di degradazione per l’AR misfolded sopra il proteasoma.132 Hanno concluso che i livelli di macchinari per il controllo della qualità delle proteine a base di HSPB8 potevano essere utilizzati come biomarcatori muscolo-specifici per valutare la progressione della SBMA e / o la risposta ai trattamenti farmacologici. Inoltre, hanno recentemente dimostrato che l’attivazione di entrambi i percorsi insieme, CASA e autofagia, attraverso la sovraespressione di BAG3 e HSPB8 in combinazione con il trattamento con trealosio porta alla completa clearance degli aggregati polyQ-AR nelle cellule muscolari scheletriche,134 aprendo così un promettente approccio combinato per trattare i pazienti con SBMA.

La rete di chaperone, incaricata di controllare il ripiegamento delle proteine e il turnover, comprende oltre 180 chaperon e co-regolatori. I livelli di multiplo di loro sono indotti dalle circostanze stressanti, particolarmente proteotoxicity e la regolazione di chaperone HSPB8 specificamente ha collegato a MND. È stato dimostrato che l’accumulo di proteine misfolded in SLA e SBMA MNs e muscolo induce la trascrizione HSPB8 come tentativo da parte di queste cellule di limitare la formazione di aggregati proteici. È interessante notare che l’HSPB8 è altamente espresso in MNs (rispetto ad altre cellule del midollo spinale) e nel muscolo scheletrico, i suoi livelli diminuiscono con l’età46 e le mutazioni nell’HSPB8 causano la malattia di Charcot-Marie-Tooth di tipo 2L, la neuropatia motoria distale ereditaria di tipo II o la miopatia distale.135-137 HSPB8 facilita anche l’attività autofagia legando BAG3, che funziona come una proteina impalcatura che lega la dineina.138 È stato proposto che il complesso HSPB8-BAG3-HSP70 venga trasportato tramite dynein attraverso microtubuli al microtubule organization center (MTOC) dove le proteine misfolded vengono inghiottite in AP nascenti per essere degradate tramite autofagia.139.140 Grandi progressi sono stati fatti nella caratterizzazione dei complessi proteici BAG1 e BAG3 coinvolti nella degradazione proteasomale e autofagica di proteine misfolded, rispettivamente.138 Guardando al futuro, sarà necessaria una comprensione dettagliata del meccanismo molecolare che controlla la sintesi de novo di BAG1, BAG3 e HSPB8, nonché i segnali che controllano la diafonia tra la degradazione del BAG1-proteasoma e BAG3-autofagia sullo stress della proteostasi.

La stragrande maggioranza degli studi focalizzati sul ruolo dell’autofagia nella patologia SBMA concorda sulla sua funzione neuroprotettiva come meccanismo per eliminare gli aggregati proteici; tuttavia, alcuni dati sono stati anche pubblicati suggerendo che l’autofagia potrebbe esercitare una funzione dannosa almeno quando altri meccanismi di controllo della proteostasi non funzionano correttamente. Uno studio ha dimostrato che il muscolo scheletrico di pazienti SBMA o modelli murini (topi knock-in AR113Q) mostrava UPR attivato mediato da CHOP e che la delezione di CHOP peggiorava il fenotipo della malattia attraverso l’attivazione dell’autofagia, suggerendo una funzione deleteria dell’autofagia in questo caso. Questa scoperta è stata convalidata nei topi SBMA aploinsufficienti Beclin-1, dove lo spreco muscolare è diminuito e la durata della vita è stata estesa rispetto ai topi SBMA con livelli normali di Beclin-1.141 Inoltre, gli autori hanno ulteriormente dimostrato che l’induzione dell’autofagia causata dalla carenza di CHOP ha peggiorato l’atrofia muscolare e ha concluso che l’autofagia è aberrantemente sovraregolata nel muscolo scheletrico SBMA che contribuisce alla patologia. Tuttavia, l’interazione tra l’UPR e l’autofagia che assicurano l’omeostasi proteica è intricata. È possibile che se l’UPR è una risposta naturale del muscolo scheletrico SBMA per far fronte allo stress proteostasi indotto da polyQ-AR, il blocco di questa risposta potrebbe anche alterare la normale funzionalità autofagia nelle cellule e aggravare la degenerazione. Nel 2014, lo stesso gruppo ha descritto che la localizzazione nucleare TFEB e i geni TFEB-target sono stati sovraregolati nel muscolo scheletrico da questo modello murino SBMA e dalle cellule del paziente.142 Hanno inoltre dimostrato che queste cellule mostravano una maggiore risposta autofagia alla stimolazione rispetto alle cellule wild-type, mentre la localizzazione nucleare dell’antagonista trascrizionale TFEB ZKSCAN3 era ridotta rispetto ai controlli sani.142 È interessante notare che il gruppo La Spadas ha trovato risultati diversi per quanto riguarda il ruolo del TFEB nella patologia SBMA. Usando cellule simili a motoneuroni e un diverso modello murino SBMA (YAC AR100), hanno dimostrato che l’AR di tipo selvaggio interagisce con TFEB agendo come co-attivatore mentre l’AR mutato interferisce con la sua transattivazione. Di conseguenza, polyQ-AR riduce il turnover delle proteine a lungo termine e altera il flusso autofagico.143 Hanno inoltre dimostrato che l’iperespressione TFEB ha ripristinato il difetto del flusso autofagico in MNs derivati da iPSC da pazienti SBMA e ha suggerito TFEB e composti che favoriscono la fusione autofagosoma-lisosoma come potenziali obiettivi candidati per gli sforzi di sviluppo della terapia. Questi studi che propongono scenari opposti per l’attività del TFEB e l’asse lisosoma-autofagia nella patogenesi SBMA, espongono che il ruolo dell’autofagia nella patologia di SBMA è ancora dibattuto. È infatti possibile che la risposta autofagica alla mutazione nell’AR differisca tra muscolo scheletrico e cellule neuronali. Sarebbe quindi interessante scoprire se l’autofagia è differenzialmente attiva ed esercita funzioni distinte tra questi due tipi cellulari e anche all’interno dello stesso tipo di muscolo in diversi stadi della malattia. A questo proposito, il gruppo Maria Pennutos ha recentemente riportato un interruttore metabolico glicolitico-ossidativo nelle fibre muscolari colpite da SBMA durante le prime fasi della malattia, accompagnato da un miglioramento dell’attività mTOR. Tuttavia, nelle fasi successive, hanno riscontrato un aumento dell’espressione TFEB e dell’autofagia e dell’inattivazione mTOR.144 Osservazioni simili in altre malattie neurodegenerative stanno rendendo evidente che il tipo cellulare e la dipendenza dallo stadio della malattia sono un tema ricorrente che deve essere preso in considerazione quando si valuta il contributo dell’autofagia a una particolare patologia.

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