Aspetti molecolari dell'associazione fra mutazioni della GBA e la malattia di Parkinson

Andrea Dardis, PhDUniversity Hospital “Santa Maria della

Misericordia”Udine, Italy

Catania, 30 Ottobre 2013

Associazione fra Guacher (GD) e Parkinson (PD)

Zimran et al, 1989 case report che descrive la presenza di Parkinson in pazienti GD1

Gaucher's disease with Parkinson's disease: clinical and pathological aspects.Bembi B et al, Neurology. 2003 Jul 8;61(1):99-101.

Occurrence of Parkinson's syndrome in type I Gaucher disease.Neudorfer O et al, QJM. 1996 Sep;89(9):691-4.

The neurological manifestations of Gaucher disease type 1: the French Observatoire on Gaucher disease (FROG).Chérin P et al, J Inherit Metab Dis. 2010 Aug;33(4):331-8.

105 pazienti affetti da GD1

4 PD

22 al meno un sintomo frequentemente associato con PD (tremori, rigidità extrapiramidale, bradikinesia, akinesia, ecc)

100 pazienti GD Ashkenazi 8 PD

Parkinson's disease in patients and obligate carriers of Gaucher disease.Becker JG, Pastores GM, Di Rocco A, Ferraris M, Graber JJ, Sathe S.Parkinsonism Relat Disord. 2013 Jan;19(1):129-31.

Associazione fra mutazioni della GBA e PD

10 famiglie di pazienti GD -40 portatori eterozigoti di cui 10 svilupparono PD (Goker-Alpan et al, 2004).

Su 200 portatori obbligati di mutazioni nella GBA, eil 5.5% svilupparono PD (vs 2.2% in controlli; p=0.215) svilupparono PD

(Becker et al., 2013).

Associazione fra mutazioni della GBA e PD

Study GBA mutations (%)

PD Normals

USA (Lwin et al, 2004) 14 0

Britain (Eblan et al, 2005) 8 -

Canada (Sato et al, 2005) 5.6 0.8

Mixed-64% jewish (Clark et

al, 2007)13.7 4.5

China (Ziegler et al, 2007) 5.4 1.1

Greek (Kalinderi et al, 2009) 4.7 0.8

Ashkenazi (Gan.-Or et al,

2008)17.9 4.2- 6.35

Porto (Bras et al, 2007) 6.1 0.7

Italy*(De Marco et al, 2008) 2.9 0.2

Norway*(Toft et al, 2006) 2.3 1.7

Brazil* (Spitz et al, 2008) 3 0

USA*(Mata et al, 2008) 2.9 0.4

* Only L444P and N370S

5691 pazienti affetti da PD (780 Ashkenazi Jews) e 4898 controlli (387 Ashkenazi Jews).

Sidransky et al., NEJM, 2009

The odds ratio for any GBA

mutation in patients versus

controls was 5.43 across

centers.

•In pazienti affetti da PD le mutazioni del gene GBA sono presenti più frequentemente che le mutazioni in altri loci coinvolti nell’insorgenza della malattia.

•Essere portatori di mutazioni in GBA risulta essere il principale fattore di rischiodi carattere genetico associato all’ insorgenza di PD.

Il gene mutato con più alta frequenza nei casi di PD sporadici è GBA!!!

Formazione di aggregati proteici formati da proteine con folding non corretto.Formazione di aggregati →fibrille→ fibre con struttura amilode = b-sheets strettamente intrecciati e impaccati

Malattia di Parkinson: formazione di aggregati di synucleina (α-syn), proteina coinvolta nel traffico delle vescicole contenenti neurotrasmettitore: corpi di Lewy

NEURODEGENERAZIONEMeccanismo comune:

Meccanismi molecolari alla base della associazione fra mutazione della GBA e Parkinson non del tutto chiari

Come si possono generare aggregati proteici?

Condizione di proteostasi alterata, l’equilibrio tra sintesi e degradazione proteica si sbilancia a causa di un di una riduzione dell’efficienza dei processi di degradazione

Principali processi di degradazione proteica all’interno della cellula

Lisosoma dipendentiLisosoma indipendenti

Sistema ubiquitina-proteasoma autofagia

SISTEMI CHE CONTROLLANO LA PROTEOSTASI

Sistema ubiquitina proteasomaSistemi autofagici: autofagia mediata da chaperones

macroautofagia

microautofagia

Meccanismo

1) Loss of function

2) Gain of function

Con o senza perdita di attività della GBA

Null mutations???

enzima GBA

non funzionaleGSL e cer

Eterozigoti????

Proteina GBA mutata

α-syn

α-syn

α-syn si accumula in modelli animali di GD e pazienti PD che portano mutazioni nella GBA

Mass spec analysis

Silenziamento di GCase in coltura primaria di neuroni corticali di topo.

Loss of function

Mazzulli et al; Cell 2011 Jul 8;146(1):37-52

La riduzione di GCase porta da un aumento della quantità di α-syn ma non di tau che forma aggregati in PD ed in AD. Effetto specifico di GBA su α-Syn

Mazzulli et al; Cell 2011 Jul 8;146(1):37-52

Loss of function

Generazione di induced pluripotent stem cells (iPS) da fibroblasti di paziente

e successiva differenziazione in neuroni dopaminergici

Oct-4nanog Tra-1-60

SSEA-4

Pluripotent stem cells

Dopaminergic neuron

Skin fibroblast

Per validare i dati ottenuti su colture primarie di neuroni e su linee cellulari:

Mazzulli et al; Cell 2011 Jul 8;146(1):37-52

Loss of function

α-syn esogena (in grado di oligomerizzare) diminuisce la quantità di GBA che va al lisosoma

Pazienti PD senza mutazioni a carico della GC esprimono comunque un ridotto livello di GBA

L’overespressione dell’ α-syn provoca una riduzione dell’ espressione di GCase e del suo targeting ai lisosomi

Mazzulli et al; Cell 2011 Jul 8;146(1):37-52

Modello patogenetico delle sinnucleopatie

Mazzulli et al; Cell 2011 Jul 8;146(1):37-52

Overespressione di GBA mediata da adenovirus nel CNS nel modello murino di

malattia di Gaucher e nel modello murino che overesprime A53T α syn

La transfezione con forme mutate di GBA aumentala quantità di α-syn

L’accumulo di a-syn si riduce trattando con rapamicina, Inibitore della via di mTOR →attivazione di macroautofagia

La overespressione di GBA mutata porta ad un accumulo di αααα-syn

Gain of function

GBA mutata mantiene un’attività enzimatica sufficiente a prevenire l’accumulo di GC però la proteina mutata altera la proteostasi.

Cullen et al, Ann Neurol 2011 Jun;69(6):940-53.

Alterazione della degradazione e accumulo di α-syn

Open questions

Non tutti i pazienti GD o portatori di mutazioni nel gene GBA sviluppano PD

Altri fattori ??

La GBA ha un ruolo nella degradazione e/o tossicità della syn che è indipendente

della sua attività enzimatica ??? Interazione??

Per tanto mutazioni della GBA che non hanno effetto sull’attività enzimatica

potrebbero avere un effetto sulla interazione e/o tossicità della α-syn

In assenza di GBA (siRNA, null mutations) si accumula α-syn

Non c’è correlazione fra l’attività enzimatica e l’accumulo di α-syn

In sintesi

La overespressione di GBA WT riduce i livelli di α-syn, mentre la presenza di mutazioni nella GBA risulta in una minore capacità di ridurre l’accumulo

di α-syn