Proteine Autonome

Siamo estremamente propensi a classificare ogni cosa ci si pari davanti. La classificazione è sempre stato uno strumento estremamente utile, che permette di mettere ordine in un mondo estremamente eterogeneo.
Le classificazioni, tuttavia, hanno sempre qualcosa di arbitrario, perchè siamo noi che decidiamo di classificare in base ad una particolare caratteristica. Per cui è normale scoprire cose che sfuggono ad ogni classificazione preesistente. E questi sono i casi più interessanti ed intriganti. Tutto questo sproloquio per arrivare a parlarvi di un argomento che sfugge alle classificazioni prefissate e che diversi anni fa è anche arrivato sulla bocca di tutti, per cui chiunque ne parlava.
Di solito le cose di cui parlo non sono mai allegre, e questa non fa eccezione. Vi ho avvertiti.
Normalmente noi e anche i medici distinguiamo molto nettamente le malattie infettive da tutte le altre. Le malattie infettive sono delle malattie la cui causa è un microorganismo (virus, batterio, protozoo) e che di solito si diffonde tra individuo e individuo (direttamente o indirettamente attraverso vettori come ad esempio gli insetti). Queste malattie sono per molti aspetti monofoattoriali, anche se non è sempre vero, perchè in molti casi non è sufficiente il Microorganismo perchè si sviluppi la malattia. Le malattie genetiche invece sono su un pianeta completamente diverso.Sono le malattie trasmesse dai genitori ai figli e sono causate da mutazioni genetiche. Ci sonio malattie genetiche cosiddette Mendeliane o monogeniche, perchè la loro trasmissione è predetta in modo abbastanza accurato dalle leggi di Mendel e ci sono le malattie complesse che invece hanno dei modelli di trasmissibilità più complessi e non sempre del tutto prevedibili. Come vedete sono due universi molto distanti. Vi potrebbe mai venire in mente l’esistenza di qualcosa che possa risultare da un’intersezione di questi due insiemi? Ebbene, in qualche modo esiste.
Sin dall’inizio dello scorso secolo, si iniziò a sostenere che alcune patologie neurodegenerative potessero essere causate da un agente infettivo, soprattutto in base all’analisi di campioni istologici provenienti da una popolazione indigena della Nuova Guinea in cui questa patologia si trasmetteva da individuo a individuo. La popolazione colpita chiamava quella malattia Kuru, che nella loro lingua significa Brivido. Il Kuru portava inevitabilmente alla morte del malato, con progressiva paralisi, brividi, e alterazioni del linguaggio e deficit cognitivi. Era (ormai è praticamente debellata) una malattia con un tempo di latenza di molti anni, ma una volta che si presentavano i primi sintomi, portava alla morte in pochi mesi. Le analisi che vennero eseguite sui cervelli di questi individui mostrarono una diffusa degenerazione delle cellule del sistema nervoso centrale, degenerazione che venne definita “spongiforme”, perchè evidentemente l’aspetto istologico assomigliava ad una spugna. Si pensava che fosse dovuta ad un’infezione di qualche microorganismo, dovuta ad un particolare rituale di cannibalismo che veniva da loro eseguito durante i funerali, cibarsi cioè dei cervelli dei defunti (sembra una storia di Zombie) e per molto tempo si cercò di individuarlo.
Parallelamente, negli anni 20 del ’900, due medici tedeschi individuarono una degenerazione nervosa che si sarebbe poi rivelata molto simile al Kuru, e venne chiamata Morbo di Creutzfeldt-Jacob. Questa patologia però non sembrava essere infettiva, anzi, in alcuni casi sembrava piuttosto essere genetica, con un’incidenza più alta in alcune popolazioni come gli ebrei Aschenaziti (con il grado di Endogamia che presentavano, c’è poco da stupirsi che molte malattie genetiche colpissero quasi esclusivamente loro, ad esempio la malattia di Tay Sachs, ed è così tutt’oggi).
Aggiungiamo, per complicare il quadro, che anche altri animali oltre all’uomo, sembravano soffrire di questa patologia, in particolare le pecore, nelle quali veniva chiamata Scrapie.
Un bell’enigma, che rimase insoluto per molti decenni ancora. Inizialmente si credeva fosse dovuto ad un virus, un virus anomalo, fino a quando un certo Prusiner iniziò a scoprire, studiando il cervello di alcuni roditori (criceti) che presentavano questa degenerazione, che nessun acido nucleico di origine virale poteva essere isolato, ma anzi, che il materiale isolato dai cervelli era di natura esclusivamente proteica. Quando riuscì a purificare abbastanza la proteina potè sequenziarla, e dalla sequenza di amminoacidi potè ottenere informazioni sul gene che doveva codificarla, e, rullo di Tamburi, non era un gene virale, ma un gene endogeno, presente in tutti i mammiferi. Ovviamente, quando si inoculava questa proteina in animali sani, questa proteina poteva causare la malattia. Quindi, in pratica, era una proteina la responsabile della diffusione di queste malattie, non un microorganismo. Un agente non vivente, da solo, è in grado di indurre degenerazione del sistema nervoso. Una proteina, tra l’altro, endogena.
Si iniziò quindi a studiare il gene. Si scoprì che animali geneticamente modificati che non avevano questo gene erano perfettamente normali, quindi non si riuscì (e non si riesce bene neppure ora) a scoprire a cosa serva questa proteina; ma la notizia più interessante venne quando si inoculò l’estratto di proteine purificato dal cervello di un animale malato in un animale senza il gene, e si scoprì non si verificava nulla di nulla. L’animale geneticamente modificato non si ammalava.
Intanto, la proteina venne chiamata Prione (Prion, in inglese), abbreviata PrP, codificata dal gene PRNP. E’ una proteina di 209 amminoacidi, e normalmente è una proteina di membrana. Il problema era che non si capiva come potesse essere la responsabile della neurodegenerazione.
Sia chiaro, il problema non è di per sè come una proteina possa causare neurodegenrazione; molte malattie neurodegenerative, come Alzheimer e Parkinson, sono causate da proteine alterate che si depositano in aggregati insolubili dentro e/o fuori i neuroni e li fanno degenerare. Il problema semmai è come fa una proteina, o un estratto di proteine, a propagare la patologia da un individuo all’altro. Se io prendo da un cervello di un individuo malato di alzheimer la proteina responsabile (la Beta-Amiloide) e la inoculo in un altro individuo, questo non svilupperà l’alzheimer (anche se ci sono prove sperimentali che in alcuni casi, aggregati proteici di amiloide possono essere causati attraverso la propagazione di proteine alterate). Se lo faccio con i prioni invece accade!
La risposta a questo dilemma venne quando si studiò la struttura della proteina con la Risonanza Magnetica Nucleare(NMR). Si scoprì che la proteina prionica poteva esistere in due conformazioni completamente diverse, pur avendo la stessa sequenza amminoacidica (il che era assolutamente impensabile). Una prevedeva la presenza di Alfa-eliche, l’altra, invece, di Beta-foglietto. L’immagine dovrebbe aiutarvi a capire:

Se ad una “popolazione” di prioni in struttura ad alfa-elica (PrP-C) viene aggiunto un piccolo quantitativo di proteina a Beta-foglietto (PrP-sc), entro poco tempo, tutte le proteine assumono la conformazione a beta foglietto. Sembra che la proteina a beta foglietto funzioni come stampo su cui quella ad alfa elica si adatti, probabilmente passando attraverso stati intermedi e forse con l’aiuto di qualche fattore ancora ignoto.
Apparve fin da subito che la forma a beta foglietto era la forma responsabile della patologia, mentre quella ad alfa elica era la conformazione che naturalmente la proteina assume.
Divenne altresì chiaro che nei casi evidenziati del morbo di Creutzefeldt-Jacob che erano a chiara trasmissione ereditaria, la patologia era dovuta a delle mutazioni che facevano sì che la proteina prionica assumesse la conformazione a Beta-foglietto (PrP-sc). Questa conformazione alterata rende la proteina particolarmente suscettibile all’aggregazione, e si è dimostrato che l’aggregazione di prioni alterati porta alla formazione di corpuscoli insolubili e difficilmente eliminabili di queste proteine. E’ questo il meccanismo patogenetico della degenerazione nervosa. La degenerazione spongiforme da Prione è però nella maggiorparte dei casi sporadica. Sono note mutazioni genetiche ereditarie, ma in molti casi non è ravvisabile alcuna familiarità. Si ritiene che in questi casi la proteina normale assuma “spontaneamente” la conformazione alterata, causando la malattia. Questo è possibile perchè se vi ricordate la proteina alterata può indurre quella normale ad assumere la conformazione a beta foglietto! in questo modo basta che poche proteine assumano la conformazione sbagliata per far sì che il meccanismo patogenetico si avvii (Si può anche capire, quindi, il motivo di un periodo di latenza così lungo). E’ quindi questo il modo attraverso il quale le malattie da prioni si possono propagare nella popolazione. Quindi il il morbo di Kreutzfeldt-Jacob e il Kuru sono due facce della stessa medaglia. Il primo è ereditario o comunque spontaneo, mentre il secondo si trasmette da un individuo all’altro attraverso l’assunzione di tessuti con proteine alterate, proprio in virtù delle proprietà dei prioni.
Sono stati anche dimostrati casi in cui soggetti che hanno ricevuto un trapianto di cornee da soggetti con queste mutazioni, hanno sviluppato la patologia a causa della contaminazione del tessuto con proteine prioniche alterate.
Quindi, un caso assolutamente incredibile in cui basta una piccola contaminazione da proteine alterate per indurre le proteine normali ad assumere la conformazione alterata!! Non so se anche voi, come me, vi stupite nell’immaginare una cosa simile. Ed ecco spiegato come mai animali senza il gene per i prioni non sviluppavano la malattia in seguito al contatto con proteine alterate: perchè non avevano una proteina normale che si potesse alterare.
Fino ad ora ho parlato di trasmissione uomo-uomo, ma ci sono stati anche dei casi di trasmissione animale-uomo, di cui tutti abbiamo sentito parlare: vi dice niente il morbo della mucca pazza? Ebbene, la BSE, encefalopatia spongiforme bovina, è una malattia da prioni alterati che si trasmetteva tra i bovini che venivano nutriti con mangimi in cui venivano aggiunti resti di altre mucche, in questo modo i Prioni alterati si sono diffusi e hanno causato alcune centinaia di migliaia di casi di mucca pazza. Ma la trasmissione ha fatto un salto di specie, in seguito alla contaminazione della carne di mucca con queste proteine, che resistenti alla cottura e al nostro sistema digerente, hanno causato degenerazione nervosa in alcune persone: 214 casi in tutto segnalati, di cui 167 in UK e 25 in Francia. I prioni bovini alterati, proprio come virus, “infettavano le carni, e riuscivano a propagare l’alterazione nei prioni umani!
Tutto questo, comunque, vuole anche sottolineare come anche le proteine siano in grado di trasmettere informazioni, oltre agli acidi nucleici. E questo non è solo il caso dei prioni, ma anche degli istoni con l’epigenetica!
Spero di essere riuscito a farvi capire quanto questo processo, per quanto tragico, sia comunque affascinante da un punto di vista strettamente biologico. Come una malattia genetica possa diffondersi da persona a persona, come una proteina possa corromperne un’altra! Alla fine, comunque, non finiremo mai di stupirci.
Come sempre, interagite!! i commenti esistono per questo! Alla prossima!

Bibliografia:
Molte informazioni e l’immagine sono prese da:
Erling Norrby, “Prions and protein folding diseases” J. internal medicine, Apr. 2011