Malattie da Accumulo Lisosomiale

Malattie da Accumulo Lisosomiale Lysosomal Storage Diseases (LSD)

Un po di storia! La malattia di Tay-Sachs è stata la prima Malattia da Accumulo Lisosomiale (LSD) ad essere descritta nel 1881. La malattia di Gaucher la seconda (1882). Il primo legame tra un difetto enzimatico ed una LSD (difetto di α-glucosidasi nella M. di Pompe) fu pubblicato da Hers nel 1963. La terapia della M. di Gaucher con β-glicuronidasi fu praticato, con successo, nei primi anni 90.

Basi cellulari e biochimiche delle LSD Le LSD non sono pura conseguenza dell accumulo di particolari molecole ma il risultato di alterazioni complesse dei meccanismi di segnalazione cellulare. Molte mutazioni comportano la presenza nel lisosoma di un enzima quantitativamente o qualitativamente inefficiente. Le mutazioni possono influenzare il trasporto dell enzima fuori dal reticolo endoplasmico. Possono essere difettosi gli attivatori dell enzima. Possono essere alterati complessi enzimatici: Complesso Catepsina A>Sialidasi>β-galattosidasi necessario per il trasporto.

S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Dimostrazione di un marker comune a molti enzimi lisosomiali.

Segnali per il trasporto degli enzimi lisosomiali Kang C et al. N Engl J Med 2010;362:677-685

Basi cellulari e biochimiche delle LSD Multiple Sulphatase Deficiency (MSD) FGly = Formyl-Glycine FGE = Formyl-Glycine Generating Enzyme SUMF1 Sulphatase Modifying Factor-1

Basi cellulari e biochimiche delle LSD Catepsina A Sialidasi Galattosialidosi β-galattosidasi Nature Rev. Mol. Cell Biol. 5, 554-565 (2004)

Glico-sfingo-Lipidosi Le Glico-sfingolipidosi (Malattie di accumulo di Sfingolipidi) sono causate dal difetto di enzimi necessari per il catabolismo dei glico-sfingo-lipidi (GSL). La frequenza individuale é bassa ma, collettivamente, rappresentano un gruppo significativo di malattie molto gravi che colpiscono 1 individuo su 18.000 nati (malattie rare), con una distribuzione etnicamente disomogenea. Poiché i GSL, ed in particolare i gangliosidi, sono presenti nel Sistema Nervoso Centrale (SNC), il cervello é organo spesso colpito. Le glico-sfingo-lipidosi sono la causa più frequente di malattie neurodegenerative pediatriche.

Che cosa é uno sfingolipide? Un lipide che contiene l amino-alcol sfingosina Il gruppo NH della sfingosina può formare un legame amidico con un residuo di acido grasso. Il composto che ne deriva é un ceramide Sfingosina

Metabolismo del ceramide

Sfingomielina Sfingosina Fosfocolina Acido grasso Un ceramide con fosfocolina o fosfoetanolamina legato all OH dell amino-alcol (un fosfolipide) Costituente comune delle membrane cellulari Largamente presente nel SNC

Glicosfingolipidi (GSL) Cerebrosidi: Forma monosaccaridica: constituenti importanti del sistema nervoso. Forme di-, tri e tetrasaccaridiche, in: milza, fegato, eritrociti e plasma. Sulfatidi: Esteri solforici dei galatto-cerebrosidi. Globosidi: Cerebrosidi che contengono carboidrati addizionali, prevalentemente: Gluc., Gal. e GalNac Gangliosidi: GSL contenenti acido sialico. Abbondantemente rappresentati nel SNC. Sono lipidi polari, coè, sono discretamente solubili in acqua.

Glycoprotein Glycolipid phospholipids, sphingolipids Carbohydrates Cholesterol Integral protein Peripheral protein Modello di organizzazione strutturale della membrana definito Mosaico Fluido, descritto da Singer e Nicholson nel 1972 in cui si osserva il doppio strato, costituito in larga misura da fosfolipidi, in cui sono inseriti proteine ed una varietà di lipidi complessi. (da: Human Biology di Daniel Chiras) S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Funzioni dei GSL Costituenti strutturali importanti delle membrane. Regolatori strutturali e funzionali dei recettori per ormoni, fattori di crescita e proteine della matrice extracellulare, antigeni di gruppo sanguigno. Sono recettori per tossine batteriche e virus. Funzionano come secondi messaggeri per fattori di crescita, citochine, fattori di differenziazione, vitamine ed altri regolatori cellulari. Sono particolarmente efficienti come surfattanti.

Funzioni come secondi messaggeri Fattori di crescita e citochine inducono idrolisi della sfingomielina (SM) dando origine a metaboliti diversi che attivano enzimi che modificano il comportamento della cellula. Il fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGF) induce idrolisi della SM ed altre reazioni che danno origine a sfingosina-1-fosfato, potente mitogeno ed inibitore della apoptosi. Il Tumor necrosis factor-α (TNF-α) induce idrolisi della SM liberando ceramide, che inibisce la crescita ed induce apoptosi.

Espansione dell alveolo polmonare: Ruolo dei surfattanti. Alveolo polmonare fetale o neonatale pre-termine o patologico Strato fluido O Hδ+..-δO Legami a idrogeno tra le molecole di acqua su superfici opposte H O Rilascio di surfattanti Alveolo polmonare normale δ- δ+ δ+ δ- δ+ δ- La colina (δ+) della lecitina interagisce con l acqua (δ-) creando una superfice idrofobica di idrocarburi che allontana le pareti alveolari O Nei neonati pre-termine rapporto lecitina/sfingomielina basso; surfattanti sono somministrati come terapia della sindrome da insufficienza respiratoria.

Storia delle LSDs Cellula di Gaucher (1882) Ernest GAUCHER (1854-1919)

Quadro sinottico delle principali sfingolipidosi e dei difetti enzimatici che ne rappresentano la causa Malattia Difetto Enzimatico Sfingolipide Gaucher Fabry α-galattosidasi A Ceramidetriesoside Glucocerebrosidasi Glucocerebroside Krabbe β-galattosidasi Galattocerebroside Niemann- Pick Sandhoff Tay-Sachs Sintomi Eruzione cutanea, insufficienza renale Epato-splenomegalia, erosione ossa lunghe e pelvi; ritardo mentale Mancanza di mielina; ritardo mentale Sfingomielinasi Sfingo-mielina Epato-splenomegalia; ritardo mentale Esosaminidasi A (α 2 β 2 ) + B (β 4 ) Globoside e G M2 Sintomi simili a Tay-Sachs, con sviluppo più rapido Esosaminidasi A G M2 marchio rosso (a cilieggia) Ritardo mentale; cecità, sulla macula S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Malattia di Fabry (EM biopsia renale) S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Malattia di Fabry S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Opacità corneale (carrier malattia di Fabry)

Malattia di Gaucher Malattia da accumulo lisosomiale (Sfingolipidosi), monogenica, cromosoma 1q21, trasmissione autosomica recessiva. Deficienza di gluco-cerebrosidasi causa accumulo di gluco-cerebroside. Le cellule di Gaucher (caratteristiche), accumulano sfingolipidi in: milza, fegato,midollo osseo, alveoli polmonari, cervello.

Cellula di Gaucher (C.P.E. Gaucher, 1882)

Malattia di Gaucher (Milza, ematossilina-eosina)

Malattia di Gaucher (Istiociti)

Macrofagi in Gaucher

Malattia di Gaucher (Midollo osseo)

Varianti della malattia di Gaucher Tipo I (Non-neuropatica giovanile) Piuttosto comune negli ebrei Ashkenazi (1:450) Tipo II (Infantile neuropatica) Frequenza: 1 in 100,000 nascite Mortale nel primo anno di vita Tipo III (Cronica neuropatica, varietà Norrbotten - Vesterbotten) Frequenza: 1 in 50,000 nascite

Mutazioni nella malattia di Gaucher Identificate più di 150 mutazioni,di cui solo 4 sono responsabili per la malattia nel 95% dei casi negli Ebrei Ashkenazi e nel 50% della popolazione generale. L444P, sostituzione di una singola coppia di basi nell esone 10 genera un sito di clivaggio per una endonucleasi. Ne risulta una proteina di solo 497 aa (invece di 536). Omozigoti affetti da Tipo III. Ritenuta responsabile del sub-tipo Norrbotten.

Mutazione N370S Sostituzione di una singola base (A > G) nell esone 9. Trovata soltanto in pazienti di Tipo I. Frequenza genica di 0.035 negli Ashkenazi. Molto più rara nella popolazione generale. Sembra prevenire i sintomi neuropatici nei soggetti portatori dell allele L444P.

Mutazione D409H Trovata nella forma neuropatica di Gaucher. Variante con calcificazioni cardiache ed opacità corneale. Manifestazioni analoghe a quelle di un altro gruppo di malattie lisosomiali come la sindrome di Hurler (muco-poli-saccaridosi) suggeriscono che la glucocerebrosidasi é un enzima lisosomiale con attività su glicoproteine e mucopolisaccaridi.

Quadro sinottico delle principali sfingolipidosi e dei difetti enzimatici che ne rappresentano la causa Malattia Difetto Enzimatico Sfingolipide Gaucher Fabry α-galattosidasi A Ceramidetriesoside Glucocerebrosidasi Glucocerebroside Krabbe β-galattosidasi Galattocerebroside Niemann- Pick Sandhoff Sintomi Eruzione cutanea, insufficienza renale Epato-splenomegalia, erosione ossa lunghe e pelvi; ritardo mentale Mancanza di mielina; ritardo mentale Sfingomielinasi Sfingo-mielina Epato-splenomegalia; ritardo mentale Esosaminidasi A (α 2 β 2 ) + B (β 4 ) Globoside e G M2 Sintomi simili a Tay-Sachs, con sviluppo più rapido Tay- Ritardo mentale; cecità, Sachs Esosaminidasi A G M2 marchio rosso (a cilieggia) sulla macula S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Malattia di Krabbe (leucodistrofia globoide) Malattia di Krabbe (acccumulo di galattocerebroside) Infiammazione

Malattia di Nieman-Pick Tre tipi: Tipo A e B e Tipo C. Tipo A e B attribuiti al difetto dell enzima sfingomielinasi acida. La forma originalmente descritta corrisponde al tipo A malattia fatale della prima infanzia caratterizzata da assenza di crescita, epato-splenomegalia e degenerazione nervosa rapidamente progressiva. Tipo B: forma meno grave non neuropatica. Tipo C: attribuita al difetto di trasportatore putativo di colesterolo NPC-1 o la proteina lisosomiale legante il colesterolo NPC-2.

Fisiopatologia della malattia di NP Tipo A e B: difetto di sfingomielinasi codificata dal gene SMPD1 localizzato sul cromosoma 11p15.1-15.4. Tipo C: diversa genetica, biochimica e clinica rispetto ad A e B. Difetto attribuito ad un trasportatore (NPC-1) e non ad un enzima. Il difetto di NPC-1 comporta accumulo di colesterolo e glicolipidi nella cellula.

Malattia di Nieman-Pick tipo A (Deficit di Sfingomielinasi) Istiociti schiumosi (fegato, milza) Macchia rosso ciliegia nel 50% dei pazienti Alteerazioni degenerative del SNC, epato-splenomegalia, sopravvivenza, in genere, non oltre i 3 anni S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Quadro sinottico delle principali sfingolipidosi e dei difetti enzimatici che ne rappresentano la causa Malattia Difetto Enzimatico Sfingolipide Gaucher Fabry α-galattosidasi A Ceramidetriesoside Glucocerebrosidasi Glucocerebroside Krabbe β-galattosidasi Galattocerebroside Niemann- Pick Sandhoff Sintomi Eruzione cutanea, insufficienza renale Epato-splenomegalia, erosione ossa lunghe e pelvi; ritardo mentale Mancanza di mielina; ritardo mentale Sfingomielinasi Sfingo-mielina Epato-splenomegalia; ritardo mentale Esosaminidasi A (α 2 β 2 ) + B (β 4 ) Globoside e G M2 Sintomi simili a Tay-Sachs, con sviluppo più rapido Tay- Ritardo mentale; cecità, Sachs Esosaminidasi A G M2 marchio rosso (a cilieggia) sulla macula S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Malattia di Tay - Sachs Malattia a trasmissione autosomica recessiva causata dal difetto di Esosoaminidasi A. Tre forme: Infantile, Giovanile, Adulta Accumulo di gangliosidi G M2 che raggiunge concentrazioni molto elevate nel sistema nervoso e nella milza. Descritta da W. Tay e B. Sachs nella seconda metà del 1800. Il gene per l enzima Esosoaminidasi A é stato clonato nel 1985.

Incidenza della malattia di Tay-Sachs Colpisce con alta frequenza gli Ebrei di origine est-europea (Ashkenazi) Incidenza: 1 / 2500-3600 Ebrei di ceppo Ashkenazi In queste popolazioni 1 / 25-30 persone sono carriers. Nella popolazione generale 1 / 250-300 sono carriers. Alta frequenza anche tra i franco-canadesi del sud-est Quebec, e tra i Cajuns della Louisiana sud-occidentale.

Malattia di Tay-Sachs (Midollo spinale, corno anteriore)

Lisosomi nella Malattia di Tay-Sachs

Malattia di Tay-Sachs (Macchia rosso-ciliegia)

Modello di patogenesi delle LSD

Malattie da Accumulo Lisosomiale Mucopolisaccaridosi

Costituenti principali della Matrice Extra-Cellulare Proteine fibrillari: es. Collageno ed Elastina (ruolo prevalentemente strutturale). Glicoproteine di adesione: Fibronectina, Laminina, Vitronectina, etc. Glucosaminoglicani: polisaccaridi, spesso solfati, a volte legati a proteine (proteoglicani).

Mucopolisaccaridi Glucosaminoglicani (GAGs): catene polimeriche di disaccaridi (80-200 residui), spesso solforilati, prodotti da cellule mesenchimali. Legati covalentemente a proteine specifiche (core proteins) i GAGs formano complessi molecolari detti Proteoglicani.

Fibrilla di collageno (immersa in un mare di GAGs)

Sostanza fondamentale Cinque tipi di GAGs: Condroitin solfato Eparan solfato Dermatan solfato Cheratan solfato Acido ialuronico

Distribuzione dei GAGs GAG Localizzazione Commento Ialuronato Condroitin solfato Eparan solfato Eparina Dermatan solfato Cheratan solfato Sinovia, vitreo, MEC connet. Cartlagine, osso,valvole cardiache Memb.basale, superfice cellulare Granuli mastcell. di arterie polmone, fegato e cute Cute, vasi, valvole cardiache Cornea, osso, cartilagine Grosso polimero ammortizzatore Il GAG più abbondante Contiene +N-acetilgluc. dell Eparina Più solfato di Eparano S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Mucopolisaccaridosi Attribuibili a difettoso riciclo e catabolismo dei GAGs rilasciati dalle cellule mesenchimali. A causa della loro carica negativa, i GAGs sono fortemente igroscopici. Contenuto elevato di GAGs nel tessuto connettivo, aumenta il deposito di collageno. Cute, tessuto connetttivo e cartilagine aumentano di volume e si deformano: deformazioni facciali e macroglossia (gargoilismo). Alterazioni cardiovascolari (accumulo di GAGs).

Malattia da Inclusioni cellulari (I-cell Disease), Mucolipidosi II (Hurler simile) Difetto di N-acetilglucosamina-1-fosfotrasferasi (difetto di Mannosio-6fosfato e mancato riconoscimento recettore per M6P). Ritardo psicomotorio, anomalie scheletriche, bassa statura, vacuolizzazione cellulare (Inclusioni).

Deficit di β-galattosidasi (Morquio, tipo B) S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Anomalia di Alder-Reilly (intensa colorazione rossa) S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II

Alterazioni tipiche delle MPS Cardiomiopatia Ispessimento parete arteriosa, senza deposito di lipidi Idrocefalo Gangliosides-zebra bodies S. M. Aloj - Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare L. Califano, Università di Napoli Federico II