BASI GENETICHE DELLA MALATTIA DI ALZHEIMER

Transcript

1 BASI GENETICHE DELLA MALATTIA DI ALZHEIMER Valentina Gatta Professore Associato Genetica Medica Università G. D Annunzio Chieti Centro Studi dell Invecchiamento (Ce.SI) Fondazione G. D Annunzio Chieti v.gatta@unich.it

2 La malattia di Alzheimer è stata descritta per la prima volta nel 1906 dal neuropatologo Alois Alzheimer Alois Alzheimer

3 Malattia di Alzheimer (AD) DR. ALOIS ALZHEIMER La malattia di Alzheimer è la forma più frequente di demenza, colpisce circa il 5% delle persone ultrasessantacinquenni circa il 10% di quelle oltre gli 85 anni La malattia ha un inizio subdolo: le persone cominciano a dimenticare alcune cose per arrivare al punto in cui non riconoscono nemmeno i familiari ed hanno bisogno di aiuto anche per le attività quotidiane più semplici.

4 Oltre 100 cause di Demenza A. Degenerative Malattia di Alzheimer Malattia di Pick Malattia di Huntington Atrofia Frontotemporale senza corpi di Pick Malattia a corpi di Lewy Malattia di Parkinson Malattia di Wilson Paralisi Sopranucleare Progressiva Degenerazione Spinocerebellare Degenerazione Corticobasale Afasia Progressivea Demenza Semantica Atrofia corticale posteriore B. Vascolari Multi-infartuale Malattia di Binswanger Vasculiti Ematoma Subdurale Infarto Strategico Ipoperfusione Postemorragica C. Miste vascolari e degenerative D. Miscellanea (malattie respiratorie ostruttive; sleep apnea; radiazioni; dialisi; privazione di sonno; ipossia)

5 Impatto sociale ed economico 36 milioni i malati nel mondo, di cui 6 milioni in Europa e 1 milione in Italia incremento in Italia di nuovi casi all'anno aumento progressivo delle demenze, circa 66 milioni nel 2030 e quasi 116 milioni nel 2050 costi sociali e sanitari pari all uno per cento del PIL Mondiale, più di 600 miliardi di dollari. *stime dell Alzheimer's Disease International (Adi)

6 Impatto sociale Una delle patologie a più grave impatto sociale del mondo -ampia e crescente diffusione nella popolazione -limitata e comunque non risolutiva efficacia delle terapie disponibili -enormi risorse necessarie per la sua gestione (sociali, emotive, organizzative ed economiche), che ricadono in gran parte sui familiari dei malati

7 Impatto sociale Il 90% delle persone con problemi di demenza sono assistite dalle famiglie -a domicilio

8 Impatto sociale La famiglia del malato di Alzheimer La famiglia rappresenta il principale supporto assistenziale per i malati affetti dalla demenza di tipo Alzheimer e da altra patologia cronica. -ricerca di un equilibrio all interno della famiglia, sin dalla diagnosi, si stabilisce un equilibrio che si evolve e si aggiusta con la progressione e della malattia -malattia del caregiver -aggravamento dei disturbi comportamentali. Aiuti possibili: -informazione sulla natura della demenza -rete dei servizi -supporto delle associazioni

9 L Alzheimer (AD) Si tratta di un processo degenerativo che distrugge lentamente e progressivamente le cellule del cervello, la cui massa complessiva si riduce progressivamente.

10 AREE ENCEFALICHE COINVOLTE I. Gangli della base contenenti acetilcolina, neurotrasmettitore importante per memoria e apprendimento. II. Ippocampo, essenziale per la conservazione della memoria. III.Corteccia cerebrale, dove vengono elaborati pensiero e linguaggio.

11 Si tratta di un disturbo acquisito, e con base organica, delle funzioni intellettive che sono state in precedenza acquisite: memoria (a breve e lungo termine) e almeno una tra pensiero astratto, capacità critica, linguaggio, orientamento spazio temporale, con conservazione dello stato di coscienza vigile Essa inizia con l indebolimento della memoria, in particolare per i fatti recenti; le sensazioni si affievoliscono, l attenzione è labile e alla lunga impossibile; la volontà è incerta e senza vigore; i movimenti sono lenti e imprecisi

12

13 MMSE Storia naturale della Malattia di Alzheimer Inizio della malattia Comparsa dei sintomi Diagnosi Pre-DA Lieve-Moderata Intermedia Grave 25 Sintomi cognitivi 17 Decadi Perdita dell autosufficienza 10 Disturbi del comportamento 5 Ricovero in strutture sanitarie 0 Morte Anni Adattata da Gauthier S. ed. Clinical Diagnosis and Management of Alzheimer s

14 Patologia della malattia di Alzheimer PLACCHE DI AMILOIDE: depositi amorfi extracellulari di proteina -amiloide (A ) sotto forma di placche GROVIGLI NEUROFIBRILLARI: intreccio intracellulare di neurofibrille formate da proteina TAU anomala

15 La Proteina Precursore dell Amiloide (APP) è una proteina posta in parte all interno della membrana cellulare e in parte all esterno. Essa è molto importante per la crescita, la sopravvivenza e la riparazione della cellula.

16 APP APP può essere tagliata in frammenti funzionali da tre enzimi che operano tagli proteolitici: la α-secretasi e la β-secretasi in un primo momento e successivamente la γ-secretasi. Attraverso due tagli successivi operati prima dall'α-secretasi e poi dall'γ-secretasi, viene prodotto un peptide innocuo chiamato p3. La β-secretasi opera un taglio differente che, in seguito al successivo taglio da parte della γ- secretasi, porta alla produzione (pathway amiloidogenico) di due peptidi di 40 e 42 aminoacidi, chiamati beta-amiloide (Aβ 1-40 e Aβ 1-42): il secondo (Aβ 1-42) è considerato il più tossico a livello neuronale. Nei soggetti sani il processo di degradazione della APP sembra essere operato principalmente dalla α-secretasi. Per motivi non totalmente chiariti, nei soggetti malati l'enzima che interviene sull'app non è l'α-secretasi ma la β-secretasi, con una larga produzione di proteina beta-amiloide.

17 -secretase Pathway: (not drawn to scale) APP Protein: a g g (1) -secretase cuts APP protein, giving: (2) g-secretase cuts this residue, giving: A 40 Fragment Soluble or A 42 Fragment Unsoluble, aggregates into plaques

18 Il precursore dell amiloide Queste proteasi sono sotto il controllo di due altre proteasi: le preseniline 1 e 2 Mutazioni nelle preseniline, a-, -, e g-secretasi o nella APP stessa determinano l accumulo extracellulare di A che sono causa di malattia.

19 Patologia neurofibrillare Sono anormali strutture filamentose che includono filamenti a doppia elica e filamenti lineari che contribuiscono alla formazione di matasse nei corpi cellulari. Questi filamenti sono altamente insolubili e permangono nello spazio extracellulare anche dopo la morte del neurone. I grovigli neurofibrillari sono dovuti a fasci di filamenti insolubili che derivano da alterata fosforilazione delle proteine TAU, associate al citoscheletro dei neuroni, che si accumulano nel corpo neuronale. La proteina L iperfosforilazione riduce l affinità delle TAU per i microtubuli causando una perdita di stabilità nel neurone e può portare alla modificazione del metabolismo dell APP

20 The amyloid cascade hypothesis: DEMENZA

21 Eziopatogenesi Fattori di rischio: Genetici Età Differenze di genere Storia di traumi Fattori modificabili

22

23 Forma sporadica (75%) Forma associata a S. di Down (1%) Forma familiare a insorgenza tardiva (20%) Forma familiare a insorgenza precoce (5%)

24 GENETICA La Genetica si occupa: della struttura della trasmissione dell espressione dell informazione ereditaria. DNA

25 1953 Struttura

26

27 A=T C=G Elmenti base del DNA

28 GENETICA La Genetica si occupa: della struttura della trasmissione dell espressione dell informazione ereditaria. DNA

29 Trasmissione dei caratteri Mendel ( ) Leggi della ereditabilità dei caratteri Processo mediante il quale caratteri specifici vengono trasmessi dai genitori ai figli. l'ereditarietà di questi caratteri è controllata da determinati fattori, chiamati geni.

30 Trasmissione L insieme delle caratteristiche genetiche rappresenta il GENOTIPO Unione di due patrimoni, uno di origine paterna ed uno di origine materna

31 Cariotipo

32 Cromosomi e geni Sui cromosomi di ogni individuo sono presenti i geni, ognuno in una specifica posizione (locus) Ogni gene determina direttamente o indirettamente uno o più fenotipi

33

34 Lo stratagemma del codice genetico AGTGCTGATCGTAGCTAGCTAGCTAGCTAG AGT-GCT-GAT-CGT-AGC-TAG-CTA-GCT-AGC-TAG aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 aa6 aa7 aa8 aa9 aa10 Proteina X

35 Il codice genetico

36 Siamo fatti di pochi ingredienti: acqua, sali, zuccheri, grassi, proteine: LA NOSTRA INDIVIDUALITA' DIPENDE SOLO DALLE PROTEINE

37 Il ruolo delle proteine Le proteine prodotte dai geni agiscono in un individuo determinando, insieme all ambiente: L aspetto fisico Il metabolismo Le capacità cognitive La capacità di reagire a stimoli esterni Tale ruolo è esercitato attraverso 3 funzioni: Strutturale Ormonale Enzimatica

38

39 Come possono i geni fare tutto? Una catena di processi molecolari che conducono da un singolo gene ad un particolare carattere ereditario I geni devono governare la sintesi delle proteine mediante un processo detto

40 Cosa succede se altero la sequenza di un gene?? LE MUTAZIONI

41 Perdita di funzione Dal gene alla proteina

42 Cos è una mutazione?

43

44

45 Mutazioni Cambi nella normale sequenza del DNA Sede: Germinali (ereditabili) Somatiche (non ereditabili) Origine: Spontanea (errori di replicazione o riparazione del DNA) Indotta (da agenti fisici o chimici)

46 Agenti mutageni

47

48

49

50 Effetti delle mutazioni Mutazioni letali Provocano la morte del 100% dei portatori prima della pubertà Mutazioni subletali Portano a morte più del 50% (ma non il 100%) dei portatori prima della pubertà Mutazioni neutrali Non modificano la salute dell individuo in senso negativo o positivo Mutazioni vantaggiose Sono favorevoli per la specie, aumentando la fitness riproduttiva dei portatori

51 VARIAZIONE DEI CARATTERI nel bene nel male

52 Darwin ( ) Esistenza di una ampia variabilità Ereditarietà dei caratteri tra genitori e figli Selezione: in un determinato ambiente alcune forme hanno più successo di altre

53 Dal genotipo al fenotipo

54 Patologia Genetica Patologia Monogenica: malattie dovute a mutazioni di un singolo gene Patologia Poligenica: malattie dovute a mutazioni o polimorfismi di più geni, generalmente con presenza di una componente ambientale Patologia Cromosomica: malattie dovute ad alterazioni numeriche o strutturali del cariotipo

55 Le malattie a trasmissione mendeliana: Autosomiche Dominanti, Recessive e X-linked

56 Malattie a trasmissione autosomica dominante Sono quelle in cui l allele mutato prevale su quello sano, ed è pertanto dominante Omozigote dominante AA = malato Omozigote recessivo aa = sano Eterozigote Aa = malato

57 Alberi genealogici con trasmissione di malattie autosomiche dominanti Gli affetti hanno di norma un genitore affetto In media il 50% dei figli di un affetto sono affetti Non vi è salto di generazione

58 Nanismo acondroplasico Trasmissione autosomica dominante a penetranza completa Incidenza: 1/ /8 dei casi risultati di nuove mutazioni Locus: 4p16 Gene: FGFR3 Mutazione: 90% dei casi transizione G-A con cambio di una glicina in arginina (mutazione da acquisto di funzione)

59 Malattie a trasmissione autosomica recessiva Sono quelle in cui l allele sano prevale su quello malato, che è quindi recessivo Omozigoti dominanti AA= sani Omozigoti recessivi aa = malati Eterozigoti Aa = portatori sani

60 La trasmissione delle patologie autosomiche recessive L incrocio di due etorizigoti (portatori sani) produrrà: 25% di figli sani 50% di figli portatori sani 25% di figli affetti

61 Alberi genealogici con trasmissione di malattie autosomiche recessive Una coppia di portatori sani avrà un rischio del 25% di avere figli malati In genere presente il salto di generazione Frequente riscontro di consanguineità dei genitori

62 Altre malattie autosomiche recessive Emocromatosi ereditaria (1/350-1/2000) Accumulo di ferro nell organismo Danni a carico di fegato, pancreas e cuore Anemia Falciforme (1/400-1/600 afroamericani) Anemia cronica con tipiche deformazioni degli eritrociti Sordità bilaterale (1/1.1700) Atrofia Muscolare Spinale (1/10.000) Morte dei motoneuroni del midollo spinale Paralisi progressive con età di esordio e gravità variabili Albinismo (1/30.000)

63 Patologia Genetica Patologia Monogenica: malattie dovute a mutazioni di un singolo gene Patologia Complessa: malattie dovute ad alterazioni di più geni, con presenza di una componente ambientale Patologia Cromosomica: malattie dovute ad alterazioni numeriche o strutturali del cariotipo

64 Il fenotipo è un carattere quantitativo, derivante dalla interazione tra fattori genetici e ambientali

65 Caratteri complessi Schizofrenia Anoressia/Bulimia Autismo Infarto Tumori..

66 Patologia Genetica Patologia Monogenica: malattie dovute a mutazioni di un singolo gene Patologia Poligenica: malattie dovute a mutazioni o polimorfismi di più geni, generalmente con presenza di una componente ambientale Patologia Cromosomica: malattie dovute ad alterazioni numeriche o strutturali del cariotipo

67 Patologia cromosomica

68

69 Tipi diversi di morbo di Alzheimer Forma familiare a insorgenza tardiva (20%) Forma familiare a insorgenza precoce (5%) Forma sporadica (75%) Forma associata a S. di Down (1%)

70 Forme familiari esordio precoce esordio tardivo

71 Forma esordio precoce familiare (5%) (AD1, AD3, AD4) Forma mendeliana eredità autosomica dominante Diagnosi in famiglie con più casi della malattia che si manifestano prima dei 65 anni. I sottotipi (AD1, AD4, AD3) si possono distinguere solo con un test genetico.

72 Cause genetiche

73 AD Familiare ad esordio tardivo dopo i 65 anni (20%) Patologia multigenica con diversi loci di suscettibilità Rischio di ricorrenza familiare: 20% Clinicamente indistinguibili da quella sporadica

74 Presente in tutti i Down dopo i 40 anni Aumentata espressione del gene APP (precursore della amiloide), situato sul cromosoma 21

75 Forma Sporadica Forma sporadica (75%): assenza di storia familiare Ipotesi patogenetica multifattoriale: Età Predisposizione genetica (ApoE) Agenti ambientali Sostanze tossiche Traumi

76 AD esordio tardivo ApoE principale gene candidato nell AD

77 Apo E ApoE (Apolipoproteina E) : lipoproteina coinvolta nel metabolismo del colesterolo, trasporto e rilascio di lipidi tra differenti cellule o tessuti Implicata nella riparazione neuronale Presente in tre isoforme ε3, ε2, ε4

78 Rimozione dell amiloide Ruolo dell ApolipoproteinaE (ApoE) Proteina plasmatica implicata nel trasporto del colesterolo Nel SNC interviene nei meccanismi di crescita e riparazione dopo un danno Nell AD la ApoE è legata alle placche di A e ai grovigli neurofibrillari ApoE inibisce la formazione di fibrille di A, ma perde efficacia se associata ai lipidi I peptidi amiloidi interagiscono direttamente con ApoE legandovisi e potrebbero essere poi trasportati all interno delle cellule neuronali via recettori per ApoE Nei cervelli di soggetti sani ApoE si lega e sequestra A in modo più efficiente che in quelli dei malati di AD La deplezione di colesterolo comporta una riduzione nella produzione e nel rilascio di A Aggregazione promossa per aggiunta di ioni metallici, ApoE facilita o attenua il processo a seconda del metallo

79 Correlazione ApoE ed AD

80 AD esordio tardivo :

81 Nuove tecnologie

82

83 Sequenziamento del DNA Tecnica che ci permette di determinare il preciso susseguirsi di basi del DNA.

84

85 Next gen sequencing Tecnologia che è in grado di sequenziare a bassi costi ed alta processività. Genoma umano in 10 giorni. Progetto Genoma è durato 10 anni

86

87 Il sequenziamento di interi genomi: progetto genoma Il sequenziamento di interi genomi si è basato sulla costruzione di genoteche che rappresentavano la collezione completa di cloni di DNA :clonaggio Progetto Genoma è durato 10 anni Essendo il genoma umano di 3 Χ 10 9 basi, sarebbero necessarie 10 7 sequenze di 300 basi

88 2005: prima piattaforma di NGS commercializzata è stata l FLX Genome Sequencer della 454 Life Sciences (Branfrd, Connecticut, USA) ora proprietà del gruppo Roche 2007 dal Genome Analyzer I della Illumina (San Diego, California, USA) SOLiD della Applied Biosystems (Foster City, California, USA).

89

90

91 PGM La nuova tecnologia del PGM si differenzia in modo drastico dai sequenziatori di seconda generazione: materiale semiconduttore leggere le sequenze di DNA misurando le variazioni di ph che si generano quando un nuovo nucleotide viene aggiunto al filamento sintetizzato.

92 Elimina fonti di errore Basi modificate Basi fluorescenti Laser detection Cascata di amplificazione enzimatica Basi non naturali Sintesi difettosa Tempi lunghi

93 Chip 314 Chip 316 Chip Mb 100 Mb 1 Gb 1.3 milioni 6.2 milioni 11.1 milioni

94 MicroArray High Density Mouse OneArray Whole Genome DNA microarray (Phalanx Biotech) 31,802 trascritti

95 Early and Sustained Altered Expression of Aging-Related Genes in Young 3xtg-AD Mice Valentina Gatta1,2, Alberto Granzotto3, Marco D Aurora2,4, Liborio Stuppia1,2, and Stefano L. Sensi3,4,5,6* 2 Functional Genetics Unit, Center of Excellence on Aging (Ce.S.I.), Chieti, Italy 3 Molecular Neurology Unit, Center of Excellence on Aging (Ce.S.I.), Chieti, Italy 4 Department of Neuroscience and Imaging, G. D Annunzio University» +

96 SCOPO Evidenziare, mediante MicroArray, i profili di espressione genica agedependent, di ippocampi di modelli murini AD-like a 3 e 12 mesi di età rispetto a topi WT della stessa età Valutare i network genici e i pathway che sono coinvolti sia nell invecchiamento che nella patologia neurodegenerativa di Alzheimer

97 Modello animale (3xTG) Human mutant APP (swedish mutation) Human Mutant PS1 Human mutant tau (P301L) Overespressione dei transgeni ristretta al SNC Deposizione di peptidi di A a 4-6 mesi di età Danneggiati la trasmissione sinaptica e la long-term potentiation a 6-9 mesi di età Formazione di aggregati di forma alterata e detection di tau fosforilata nell ippocampo a mesi di età U.O. Neurologia Molecolare - Ce.S.I. Prof. Sensi S.L.

98 Disegno sperimentale Confronto tra ippocampi: 3xTG a 3 mesi di età vs WT a 3 mesi di età 3xTG a 12 mesi di età vs WT a 12 mesi di età Aging fisiologico WT a 12 mesi di età vs WT a 3 mesi di età Femmine 3xTG-AD (n=4) Femmine WT (n=4) L analisi dei dati ottenuti dai è stata eseguita mediante clustering gerarchico (Cluster 3.0) e visualizzata con il software TreeView (Stanford University Labs)

99 WT12vsWT3 3xTG3vsWT3 3xTG12vsWT12 A B C D L analisi Cluster ha evidenziato 4 gruppi genici differenzialmente espressi A 37 geni sovra-espressi con l invecchiamento e sottoespressi nei 3xTG a 3 e 12 mesi rispetto ai WT B 62 geni sovra-espressi sia nell invecchiamento che nei 3xTG a 3 mesi e sotto-espressi nei 3xTG a 12 mesi C 193 geni sovra-espressi in tutte le condizioni D 77 geni sotto-espressi sia nell invecchiamento che nei 3xTG a 3 mesi e sovra-espressi nei 3xTG a 12 mesi

100

101 Conclusione Alterazioni a livello della espressione genica sono evidenziabili in età precoce. Il profilo di espressione in un modello animale giovane è simile a quello di età avanzata Biomarker predittivi

102 La genetica dell AD Tanzi et al Oct

103 Eziopatogenesi Fattori di rischio: Genetici Età Differenze di genere Storia di traumi

104 Guardando il futuro Nei prossimi 40 anni il numero di persone affette di AD si triplica.

105

106 Leggere nel futuro