Immunoproteasome Deficiency Impairs Microglial Clearance and Worsens Tau and Amyloid Pathology

Nel cervello che invecchia, un lento accumulo di detriti proteici segnala spesso l'insorgenza della malattia di Alzheimer. Due tipi di queste proteine, la tau e la beta-amiloide, si aggregano insieme per formare aggregati tossici che interrompono la comunicazione tra le cellule nervose. Per sopravvivere a questo accumulo, il cervello si affida alla propria squadra di pulizia: cellule immunitarie specializzate chiamate microglia. Queste cellule agiscono come gli addetti alle pulizie del cervello, scansionando costantemente l'ambiente per individuare e inghiottire le proteine danneggiate. Tuttavia, inghiottire la spazzatura è solo il primo passo. Affinché la pulizia abbia successo, la microglia deve anche essere in grado di scomporre ciò che ha mangiato all'interno delle proprie cellule. Se il macchinario interno che digerisce queste proteine fallisce, i rifiuti si accumulano, le cellule rimangono ostruite e i detriti tossici continuano a diffondersi.

Per anni, gli scienziati hanno dibattuto sul ruolo di una specifica macchina cellulare chiamata immunoproteasoma in questo processo. Questa macchina è una versione specializzata dell'unità standard di riciclo proteico della cellula, che viene attivata quando il corpo affronta infiammazioni o stress. Nel contesto dell'Alzheimer, i ricercatori non erano sicuri se la presenza di questa macchina aiuti il cervello a combattere la malattia eliminando le proteine tossiche, o se peggiori le cose alimentando l'infiammazione che danneggia il cervello. Questa incertezza ha reso difficile capire se le terapie debbano cercare di potenziare questa macchina o di spegnerla.

Un nuovo studio condotto dai ricercatori del Columbia University Irving Medical Center ha risolto questa questione osservando direttamente cosa accade quando questa macchina è assente. Il team ha utilizzato topi ingegnerizzati geneticamente per essere privi di immunoproteasoma e li ha incrociati con topi che sviluppano sintomi simili all'Alzheimer. Hanno scoperto che, senza questa specifica macchina, la squadra di pulizia del cervello non riesce a portare a termine il proprio compito. La microglia in questi topi era ancora in grado di trovare e inghiottire i grumi di proteine tossiche, ma non riusciva a digerirli. Di conseguenza, le proteine tossiche si sono accumulate a livelli più elevati e le cellule immunitarie del cervello sono rimaste in uno stato di stress costante e improduttivo. Lo studio suggerisce che l'immunoproteasoma non sia un cattivo che guida l'infiammazione, ma uno strumento vitale che permette alle cellule immunitarie del cervello di eliminare con successo i detriti che causano l'Alzheimer.

Per comprendere come avvenga questo fallimento, i ricercatori hanno prima esaminato i cervelli di topi privi di immunoproteasoma e portatori anche delle mutazioni genetiche per la malattia da tau. Hanno scoperto che questi topi presentavano una quantità significativamente maggiore di proteina tau tossica rispetto ai topi con la macchina intatta. Anche le cellule immunitarie in questi cervelli erano più attive, apparendo più grandi e numerose, il che di solito segnala che stanno combattendo un problema. Tuttavia, i ricercatori hanno anche controllato l'unità standard di riciclo proteico, che funziona diversamente dall'immunoproteasoma, e hanno scoperto che funzionava normalmente. Ciò significava che l'aumento della proteina tossica non era dovuto al malfunzionamento del sistema di riciclo generale, ma specificamente alla mancanza dell'immunoproteasoma specializzato. Lo stesso schema è apparso in un secondo gruppo di topi che sviluppavano sia patologia amiloide che tau; senza l'immunoproteasoma, l'accumulo di entrambi i tipi di proteine tossiche era peggiore e le cellule immunitarie erano più reattive.

I ricercatori si sono poi posti una domanda critica: le cellule immunitarie non riuscivano a trovare la spazzatura o non riuscivano a mangiarla? Per rispondere, hanno osservato le cellule in un piatto sotto un microscopio. Hanno mescolato cellule immunitarie sane con cellule che rilasciavano grumi di tau tossica. Hanno osservato che le cellule immunitarie prive di immunoproteasoma erano altrettanto brave nel trovare e afferrare i grumi tossici quanto le cellule sane. Inghiottivano il materiale senza problemi. Il problema avveniva dopo l'ingestione. Nelle cellule sane, il bagliore verde della proteina tossica ingerita svaniva nel tempo man mano che veniva scomposta. Nelle cellule prive di immunoproteasoma, il bagliore verde rimaneva brillante e bloccato all'interno della cellula per ore. Le cellule avevano accolto la spazzatura, ma il loro macchinario interno di digestione si era bloccato.

Per confermare che ciò accadesse in un cervello vivente, il team ha utilizzato una potente tecnica di imaging che ha permesso di osservare le stesse cellule per diverse ore all'interno del cranio di un topo. Hanno iniettato un tag fluorescente nel cervello per marcare la proteina tau tossica e hanno osservato come le cellule immunitarie interagissero con essa. Nei topi di controllo, le cellule immunitarie inghiottivano la proteina marcata e la quantità di materiale luminoso all'interno di esse diminuiva costantemente in sei ore. Nei topi senza l'immunoproteasoma, la quantità di materiale luminoso all'interno delle cellule immunitarie non diminuiva; anzi, a volte aumentava. Ciò ha dimostrato che il difetto non risiedeva nella capacità di afferrare la proteina, ma nella capacità di distruggerla una volta all'interno. Le cellule erano intrappolate in un ciclo di consumo senza smaltimento.

Lo studio ha anche esaminato il comportamento di questi topi per vedere se questo fallimento cellulare si traducesse in problemi reali. I ricercatori hanno testato i topi in una grande piscina d'acqua dove dovevano trovare una piattaforma nascosta. Sebbene i topi senza l'immunoproteasoma non mostrassero una chiara incapacità di apprendere la posizione della piattaforma, nuotavano molto più velocemente e passavano più tempo a circolare lungo i bordi della piscina. Ciò ha suggerito che la mancanza dell'immunoproteasoma cambiasse il modo in cui i topi reagivano allo stress o all'ambiente, rendendoli più iperattivi piuttosto che semplicemente confusi. Questo risultato è importante perché mostra che l'assenza di questa macchina cambia lo stato complessivo del cervello, anche se il test di memoria di base non mostra immediatamente un fallimento.

Per capire perché le cellule stessero fallendo, i ricercatori hanno analizzato le istruzioni genetiche all'interno delle cellule immunitarie. Hanno scoperto che le cellule senza l'immunoproteasoma avevano cambiato la loro programmazione interna. Agivano ancora come cellule immunitarie attivate, ma avevano perso le istruzioni specifiche necessarie per processare il carico che avevano ingerito. Mancavano di geni che aiutano a spostare i rifiuti nel posto giusto per la digestione. Questo cambiamento genetico non era unico nei topi; quando i ricercatori hanno esaminato i dati relativi ai cervelli umani, hanno scoperto che le persone con livelli inferiori di immunoproteasoma nelle loro cellule immunitarie mostravano cambiamenti simili nei geni responsabili del processamento dei rifiuti proteici. Ciò suggerisce che il problema osservato nei topi è rilevante per la malattia umana.

Interessante è che i ricercatori abbiano anche esaminato i centri energetici delle cellule, chiamati mitocondri, per vedere se il fallimento fosse dovuto a una mancanza di potenza. I dati genetici suggerivano che le cellule stessero riducendo la produzione di energia, il che potrebbe spiegare perché faticassero a digerire il pesante carico proteico. Tuttavia, quando i ricercatori hanno effettivamente testato la produzione di energia dei mitocondri in un piatto di laboratorio, hanno scoperto che le cellule avevano ancora molta energia. Ciò indica che il problema non è una totale mancanza di energia, ma piuttosto un guasto specifico nella coordinazione tra lo stato energetico della cellula e la sua capacità di processare i rifiuti. Le cellule stanno cercando di lavorare, ma il macchinario specifico necessario per scomporre le proteine tossiche manca.

Lo studio conclude che l'immunoproteasoma è un meccanismo protettivo che il cervello utilizza per gestire lo stress derivante dall'accumulo di proteine tossiche. Quando questa macchina è assente, le cellule immunitarie del cervello diventano reattive e ostruite, incapaci di completare il processo di pulizia. Questo fallimento permette alle proteine tossiche di accumularsi e diffondersi, peggiorando la malattia. I risultati sfidano l'idea che l'immunoproteasoma sia semplicemente un motore di infiammazione dannosa. Al contrario, esso appare come una componente necessaria del sistema di difesa del cervello. Se l'obiettivo è trattare l'Alzheimer, la ricerca suggerisce che preservare o ripristinare la funzione di questa macchina potrebbe essere più benefico rispetto al cercare di sopprimerla, poiché è essenziale per la capacità del cervello di eliminare i detriti che causano la malattia.