UNIVA La Degenerazione Frontotemporale Lobare e gli aspetti di confine

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1 UNIVA 2014 La Degenerazione Frontotemporale Lobare e gli aspetti di confine La Demenza Fronto-Temporale: genetica e fenotipi Journal Club Maria Anfossi

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3 Una della scoperte più interessanti che riguardano la genetica della FTLD è arrivata da uno studio di linkage di famiglie affette da FTD-MND che ha portato all identificazione di un potenziale locus di suscettibilità sul cromosoma 9p21.22 (Morita et al 2006) Nel 2011 due gruppi di ricerca hanno identificato, in maniera indipendente, la presenza di un espansione di una ripetizione esanucleotidica (GGGGCC) presente in una porzione non codificante del gene C9orf72 che è proprio posizionato sul cromosoma 9p21 (Rentonet al.2011, De-Jesus Hernadez et al., 2011).

4 Il gene C9orf72 è costituito da 12 esoni compresi due primi esoni alternativi non codificanti (1a e 1b), codifica per una proteina la cui funzione non è stata ancora chiarita; Vengono prodotte tre trascritti differenti:v1,v2,v3. le varianti V1 e V3 dei trascritti codificano per una proteina di 481 aminoacidi, mentre la V2 codifica per un isoforma 222 aminoacidi Nei pre-mrna la ripetizione esanucleotidica espansa si può localizzare in due siti: a livello della regione promotrice (V1) oppure nel primo introne (V2 e V3). Espressa in maniera ubiquitaria nell organismo. Nel SN è espressa in tutte le regioni con più alti livelli nel cervelletto

5 COMPLESSITA DEL QUADRO CLINICO I fenotipi principali associati all espansione sono la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e la demenza frontotemporale lobare (FTLD). Nei pazienti affetti da SLA e FTLD con mutazione C9ORF72 sono descritti sintomi atipici : Sintomi psicotici (allucinazioni e deliri) Altri disturbi psichiatrici (es. disturbo ossessivo compulsivo) Sintomi parkinsoniani

6 Non Motor Phenotypes Il fenotipo FTLD maggiormente associato alla mutazione C9ORF72 è bvftd, a seguire afasia non fluente progressiva (PNFA), mentre la demenza Semantica (SD) risulta essere poco associato. Con una frequenza inferiore all 1% l espansione è stata individuata in AD con autopsia confermata. All interno dei casi bvftd-c9orf72 related c è un numero significativo di casi che presentano psicosi.

7 Motor phenotypes SLA con onset bulbare è il fenotipo maggiormente associato all espansione, inoltre è stata osservata un incidenza di demenza o una storia familiare per demenza in pazienti C9ORF72-SLA.

8 Motor phenotypes L espansione C9ORF72 è stata associata ANCHE : Parkinsonismo in quanto la neuropatologia associata al C9ORF72 colpisce la substantia nigra. Degenerazione olivopontocerebellare in un paziente con storia familiare positiva per SLA. «fenocopie» della malattia di Huntington: pazienti con sintomi clinici simili a HD ma senza mutazioni nel gene HTT. CBD un solo paziente.

9 L espansione in C9orf72 rappresenta la causa più comune per SLA, FTLD e SLA-FTLD familiare oltre a contribuire alle forme sporadiche di queste malattie La più alta frequenza di mutazione è stata osservata nella popolazione caucasica del Nord Europa; alcuni studi suggeriscono che ci possa essere un comune fondatore (Smith et al., 2012) Onset variabile da 30 a 76 anni per FTLD e da 27 a 83 anni per la SLA L elevata variabilità dell onset e della durata della malattia suggerisce la presenza di modificatori genetici o ambientali Frequenza dell espansione di C9ORF72

10 Diversi studi suggeriscono che ci possa essere stato un fondatore comune per l espansione. Infatti lo screening di numerose popolazioni per C9ORF72 evidenzia un forte LD tra l espansione e un allele di rischio (A-allele rs389942) all interno dell aplotipo al locus 9p21 (Mok et al.2012). La questione è: tutti i carriers dell espansione condividono un comune ancestore l aplotipo con l allele A conferisce un maggiore rischio di mutazione. L analisi di 42-SNPs nei carriers dell espansione in Europa, USA e Australia fa ipotizzare che ci sia un comune ancestore circa 100 generazioni fa nel nord Europa ( Renton et al.,2012). Uno studio successivo con 82-SNPs corregge a 250 il numero di generazioni precedenti al fondatore (Smith et al.,2013). Ipotesi effetto fondatore per l espansione C9ORF72

11 DOMANDE ANCORA APERTE Qual è la normale funzione di C9ORF72? Qual è il numero di ripetizioni che rende patologica l espansione? La ripetizione è stabile o è soggetta ad instabilità causando il fenomeno dell anticipazione? Che impatto ha la misura della ripetizione sul fenotipo clinico (onset, durata di malattia, gravità)? Qual è il contributo del mosaicismo somatico associato al C9ORF72 sul fenotipo clinico? Qual è il meccanismo patologico associata all espansione C9ORF72? Qual è il ruolo delle inclusioni p62- positive etdp-43 negative/positive, e qual è il contributo della patologia cerebellare?

12 Qual è il numero di ripetizioni che rende patologica l espansione? Qual è il contributo del mosaicismo somatico associato al C9ORF72 sul fenotipo clinico? Allele normale C9ORF72 da 2 a 24 G4C2 repeats. o Cut-off patologico>24 unità (van der Zeen et al, 2012) o Cut-off >30 unità (Renton et al, 2011). Entrambi i cut-off vanno utilizzati con cautela in quanto sono stati individuati in soggetti di controllo (0,17%). Larghe espansioni (>700 unità) sono soggette ad instabilità (Buchmanet al, 2013) ciò potrebbe in parte spiegare l eterogeneità somatica presente nei vari tessuti incluso il SN. Nel cervelletto sono state osservate lunghezze di ripetizione più corte (1667unità) rispetto alla corteccia frontale (5250unità)

13 L instabilità della ripetizione può causare il fenomeno dell anticipazione? Alcuni studi riportano un anticipazione dell onset tra genitore e figli; una variabilità intrafamiliare relativa al fenotipo patologico è stata osservata nei carriers dell espansione C9ORF72 Che impatto ha la misura della ripetizione sul fenotipo clinico (in particolare durata di malattia e gravità)? Non esiste nessuna evidenza circa la relazione tra la lunghezza della ripetizione e la severità del fenotipo clinico (Chiò et al.,2012) Altra caratteristica della mutazione nel C9orf72 è quella della penetranza incompleta-età correlata: <35 anni bassa penetranza 58 anni penetranza intorno al 50% 80 anni piena penetranza

14 Associazione dell espansione C9orf72 con mutazioni nei geni SLA, FTD Numerosi dati di letteratura mostrano l associazione dell espansione C9orf72 sia con mutazioni dal significato clinico dimostrato e sia con mutazioni dalla patogenicità non chiara: TDP-43 (Cooper-Knock et al.,2012) FUS (van Blitterswijk et al.,2012; Millecamps et al., 2012) SOD1 (van Blitterswijk et al., 2012; Millecamps et al., 2012) OPTN (Opteneurin) (Millecamps et al., 2012) ANG (Angiogenin)(Millecamps et al., 2012) UBQLN2 (Ubiquilin-2) (Millecamps et al., 2012) DAO (D-amino-acid oxidase) (Millecamps et al., 2012) GRN (Ferrari et al 2012) PSEN2 (Ferrari et al 2012) MAPT (King et al., 2013) SQSTM1 (Facto et al.,2011;rubino eta.2012)

15 Qual è il meccanismo patologico associata all espansione C9ORF72? Meccanismi patogenici: Loss of function: 1. Aploinsufficienza LOSS-OF-FUCTION: è stato osservato un decremento del 50% (solo per la variante1) Gain of function: 2. RAN translation dell'espansione per formare dipeptide repeat protein 3. Formazione di RNA foci tossica GAIN-OF-FUNCTION: in brain tissue proveniente da carriers dell espansione, sono stati osservati aggregati nucleari e citoplasmatici rispettivamente formati da RNA foci e dipeptidi ripetuti

16 Loss of function: APLOINSUFFICIENZA Il meccanismo di APLOINSUFFICIENZA è supportato dall osservazione che l espansione conduce ad una riduzione di circa il 50% di C9ORF72 mrna nella corteccia frontale e in linfoblasti provenienti da portatori dell espansione. L ipotesi più accreditata è quella che l espansione possa causare una metilazione aberrante delle isole di CpG nella regione del promotore di C9ORF72 conducendo ad una downregulation del suo mrna. Del resto questo è un meccanismo comune anche ad altre malattie causate da espansioni ripetute.

17 Gain of function: RNA foci Il meccanismo associato ad un guadagno di funzione del RNA prende il nome RNA foci L espansione viene trascritta in RNA (G4C2-RNA); questo mrna aberrante andrà a sequestrare RNA binding proteins (hnrna3) formando una struttura che prende il nome RNA G-Quadruplex (Reddy et al.,2013; Fratta et al.,2013). G-quadruplex si formano da sequenze ricche di guanina a partire dall RNA a singolo filamento Quattro guanina interagire attorno a un ione positivo, facendo un quadrato chiamato G-quartetto, questi quadrati di guanina sovrapposti costituiscono un quadruplo. Un singolo filamento di acido nucleico può formare un quadruplo. G-quadruplex sono delle strutture estremamente stabili che si accumulano nei neuroni come foci neurotossici. Foci neurotossici sono stati individuati nei nuclei dei neuroni della regione corticale frontale e del midollo spinale in pazienti portatori dell espansione.

18 Gain of function: RAN traslated proteins Altro meccanismo ipotizzato associato al guadagno di funzione dell RNA è la formazione di una proteina costituita da dipeptidi ripetuti attraverso un meccanismo denominato RAN (repeat-associated non ATG). I dipeptidi ripetuti si formano a partire dal trascritto espanso senso e antisenso, con formazione di 6 tipi di proteine RAN (antisenso: Pro-Arg, Pro-Ala, Gly-Pro; senso: Gly-Ala; Gly-Arg, Gly-Pro) che si accumulano sottoforma di aggregati citoplasmatici in diverse regioni del cervello (Zu et al., 2013) N.B. La caratteristica di questo meccanismo è la trascrizione bidirezionale e la traduzione di entrambi i filamenti di RNA. Questo dato è unico in quanto solitamente viene trascritto e tradotto solo il filamento senso.

19 I risultati fin qui raggiunti, permettono l inserimento dei casi di FTD-MND alla sempre crescente classe di malattie associate all espansione di ripetizioni non codificanti, come la Distrofia miotonica (DM1 e DM2), la Sindrome dell X-fragile associata a tremori ed atassia (FXTAS) e a molte sindromi di atassia-cerebrospinali (SCA8, SCA10, SCA31, SCA36). Tutte queste patologie sono riconducibili ad un meccanismo patologico comune: accumulo in foci a livello nel nucleo e/o del citoplasma delle cellule interessate a partire da mrna abberrante. Tali depositi a loro volta, sequestrano varie proteine RNA-binding, portando così ad una disregolazione dei normali processi di splicing alternativo con conseguente morte neuronale.

20 Qual è il ruolo delle inclusioni p62-positive etdp-43 negative/positive? Qual è il contributo della patologia cerebellare? La lesione più caratteristica dei carriers dell espansione C9orf72 è rappresentata da inclusioni citoplasmatiche e nucleari p62+ nel cervelletto e nell ippocampo; le inclusioni TDP43 non sono sempre presenti Marker caratteristico solo dell espansione C9ORF72 Nelle altre regioni del SN in particolare nella corteccia cerebrale e nel sistema motorio piramidale sono presenti inclusioni p62+ e TDP43 + prevalentemente di tipo B. Le inclusioni TDP-43 negative contengono proteine costituite da DPR mentre nelle inclusioni nucleari è stato osservato accumulo di RNA foci (Mackenie et al.,2014) La positività a p62 potrebbe indicare una generale perturbazione del sistema ubiquitina-proteosoma o un suo diretto coinvolgimento nel meccanismo patologico. E dibattuto se le inclusioni nel cervelletto possano essere associate a neurodegenerazione in quanto non tutti i pazienti manifestano segni clinici tipici della patologia cerebellare.

21 CONCLUSIONI L espansione in C9orf72 sembra essere responsabile di un elevato numero di casi familiari e sporadici di SLA, FTLD e FTLD-SLA. Dal punto di vista clinico i portatori dell espansione patologica in C9orf72 presentano una grandissima variabilità fenotipica. L espansione C9ORF72 è caratterizzata da diverse inclusioni nucleari e citoplasmatiche nei neuroni del SN. Nonostante la scoperta di questo nuovo gene e della sua elevate frequenza, molte famiglie nello spettro della FTLD/SLA non sono ancora spiegate geneticamente!!

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