Phosphoproteome modifications and cortical circuit dysfunction are linked to the early-stage progression of alpha-synuclein aggregation.

La malattia di Parkinson è spesso riconosciuta dai tremori e dalla rigidità che colpiscono il corpo, ma per molte persone che vivono con questa condizione, le sfide più debilitanti sono di natura cognitiva: perdita di memoria, confusione e cambiamenti dell'umore. Questi sintomi non motori derivano dal fatto che la malattia non rimane confinata nelle strutture profonde del cervello che controllano il movimento; essa si diffonde agli strati esterni del cervello, la corteccia, che gestisce il pensiero e le emozioni. Un protagonista chiave in questa diffusione è una proteina chiamata alfa-sinucleina. In un cervello sano, questa proteina aiuta a gestire la comunicazione tra le cellule nervose. Tuttavia, quando funziona male, si aggrega in fibre appiccicose e filamentose che viaggiano da un neurone all'altro, corrompendo le cellule sane lungo il percorso. Gli scienziati sanno da tempo che questi ammassi finiscono per uccidere le cellule cerebrali, ma la domanda critica è stata cosa accada nel cervello prima che tale morte avvenga. Comprendere i cambiamenti molecolari precoci che si verificano mentre il cervello è ancora vivo potrebbe rivelare nuovi modi per fermare la malattia prima che causi danni irreversibili.

Per investigare questi eventi precoci, i ricercatori si sono rivolti a un modello che imita la diffusione della patologia del Parkinson. Hanno iniettato piccole quantità di fibre di alfa-sinucleina pre-formate direttamente nello striato, una regione profonda del cervello, di ratti e topi. Questa iniezione agisce come un seme, innescando l'alfa-sinucleina naturale degli animali affinché si aggreghi e si diffonda in aree connesse, incluso la corteccia sensomotoria, una regione vitale per il movimento e la sensazione. Il team ha atteso tre mesi, un arco di tempo sufficientemente lungo affinché gli ammassi si formassero e viaggiassero, ma abbastanza breve perché gli animali non avessero ancora subito una perdita significativa di cellule cerebrali o mostrato evidenti deficit comportamentali. Esaminando il tessuto cerebrale in questa specifica finestra temporale, i ricercatori miravano a cogliere la malattia nel momento in cui interrompe la funzione cellulare, prima che le cellule muoiano.

Gli scienziati hanno approcciato il tessuto cerebrale con un'analisi multistrato, esaminando la collezione totale di proteine, i tag chimici specifici ad esse attaccati e i grassi che compongono le membrane cellulari. Sorprendentemente, quando hanno osservato la quantità complessiva di proteine o i tipi di grassi presenti, i cervelli degli animali trattati apparivano quasi identici a quelli dei controlli. Non c'era un cambiamento massiccio nell'inventario dei componenti cellulari. Tuttavia, quando hanno fatto uno zoom per osservare i tag chimici noti come fosfati, che agiscono come interruttori on-off per l'attività proteica, il quadro è cambiato drasticamente. I cervelli trattati mostravano centinaia di cambiamenti significativi nel modo in cui questi interruttori venivano azionati. Questa scoperta suggerisce che lo stadio precoce della malattia non è definito da una mancanza di proteine o da un cambiamento nella struttura di base della cellula, ma piuttosto da una ricollegatura caotica dei segnali che dicono a quelle proteine cosa fare.

Ulteriori analisi di questi segnali alterati hanno rivelato che la rete di comunicazione del cervello era sotto stress. I cambiamenti erano concentrati nelle proteine responsabili della trasmissione sinaptica, il processo attraverso il quale i neuroni si inviano messaggi l'un l'altro, e nelle proteine che mantengono lo scheletro interno della cellula. I ricercatori hanno utilizzato strumenti informatici per prevedere quali enzimi, o macchine molecolari, fossero responsabili dell'azionamento di questi interruttori. Hanno trovato forti prove che due tipi specifici di enzimi, noti come caseina chinasi-2 e proteina chinasi A, stavano diventando iperattivi. Ancora più notevolmente, hanno identificato un aumento dell'attività della cascata di segnalazione MAPK, una via spesso coinvolta nel modo in cui le cellule rispondono allo stress e alla crescita. Ciò suggerisce che la presenza degli ammassi di alfa-sinina sta innescando una complessa risposta multi-enzimatica che altera il modo in cui i neuroni comunicano e mantengono la loro struttura.

Per vedere se questi cambiamenti molecolari si traducessero in un'effettiva funzione cerebrale, il team ha registrato l'attività elettrica dei neuroni nella corteccia sensomotoria dei topi trattati. Hanno scoperto che i neuroni scattavano più frequentemente del normale, uno stato noto come ipereccitabilità. Inoltre, i neuroni scattavano in modo più sincronizzato, con i loro picchi elettrici che si incastravano passo dopo passo l'uno con l'altro attraverso la rete. Ciò indica che la malattia non sta solo silenziando il cervello, come ci si potrebbe aspettare da una condizione neurodegenerativa, ma sta in realtà causando l'iperattività e la disorganizzazione dei circuiti. Questo caos elettrico si allinea perfettamente con i risultati molecolari relativi agli interruttori sinaptici alterati, dipingendo l'immagine di un cervello che sta lottando per regolare i propri segnali di comunicazione molto prima che le cellule inizino a morire.

Forse la scoperta più sorprendente fu la posizione fisica di questi segnali di stress all'interno dei neuroni. Quando i ricercatori hanno osservato da vicino le cellule contenenti gli ammassi di alfa-sinucleina, hanno trovato piccole strutture granulari che si accumulavano nel citoplasma, lo spazio fluido all'interno della cellula ma esterno al nucleo. Queste strutture erano ricche della forma attivata dell'enzima MAPK. Questi granuli somigliavano a noti corpi di stress chiamati corpi granulovacuolari, che sono stati osservati in altre malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, ma era la prima volta che venivano chiaramente collegati all'aggregazione di alfa-sinucleina in questo modo specifico. Crucialmente, questi corpi di stress apparivano nei neuroni che trasportavano gli ammassi tossici e si formavano già un mese dopo l'iniezione iniziale. Questa scoperta fornisce un marcatore fisico tangibile di distress cellulare che avviene molto presto nel processo della malattia, distinto dalla morte cellulare che arriva successivamente.

Lo studio ha anche chiarito cosa non stia accadendo in questa fase. Nonostante l'intensa segnalazione molecolare e i cambiamenti elettrici, i ricercatori non hanno trovato prove di una perdita significativa di spine dendritiche, le piccole protuberanze sui neuroni dove vengono stabiliti i collegamenti. Ciò significa che la disfunzione del circuito e il caos chimico avvengono mentre l'architettura fisica delle sinapsi rimane intatta. Il cervello non sta ancora crollando; sta semplicemente emettendo segnali errati. I ricercatori hanno anche notato che, sebbene alcune cellule gliali, le cellule di supporto del cervello, mostrassero segni di attivazione, la fonte primaria di questi drammatici cambiamenti chimici sembrava essere i neuroni stessi. Questa distinzione è vitale, poiché suggerisce che i neuroni stanno rispondendo attivamente agli ammassi tossici con una complessa cascata di segnalazione interna, piuttosto che soccombere passivamente all'infiammazione esterna.

Collegando i punti tra gli interruttori molecolari, l'attività elettrica e i corpi di stress fisici, questa ricerca offre una nuova visione di come il Parkinson inizi ad influenzare le parti del cervello dedicate al pensiero. Mostra che la diffusione degli ammassi di alfa-sinucleina innesca una specifica reazione a catena: attiva un insieme di enzimi che sconvolgono i segnali che controllano la funzione sinaptica, portando a uno stato di ipereccitabilità e alla formazione di granuli di stress all'interno della cellula. Questi eventi si verificano molto prima che i neuroni muoiano, suggerendo una finestra di opportunità in cui il cervello è ancora vivo ma funzionalmente compromesso. L'identificazione di questi specifici percorsi di segnalazione e dei corpi di stress fisico che creano fornisce un nuovo insieme di bersagli per le future terapie. Invece di aspettare che le cellule muoiano, i trattamenti potrebbero potenzialmente mirare a calmare queste vie di segnalazione iperattive o a prevenire la formazione di questi granuli di stress, preservando potenzialmente la funzione cognitiva nelle fasi iniziali della malattia.