UNIVA 2014

La Degenerazione Frontotemporale Lobare e

gli aspetti di confine

La Demenza Fronto-Temporale: genetica e fenotipi

Journal Club

Maria Anfossi

Una della scoperte più interessanti che riguardano la genetica della FTLD è arrivata da

uno studio di linkage di famiglie affette da FTD-MND che ha portato all’identificazione

di un potenziale locus di suscettibilità sul cromosoma 9p21.22 (Morita et al 2006)

Nel 2011 due gruppi di ricerca hanno identificato, in maniera indipendente, la presenza

di un’espansione di una ripetizione esanucleotidica (GGGGCC) presente in una

porzione non codificante del gene C9orf72 che è proprio posizionato sul cromosoma

9p21 (Rentonet al.2011, De-Jesus Hernadez et al., 2011).

Il gene C9orf72 è costituito da 12 esoni compresi due primi esoni alternativi non codificanti (1a

e 1b), codifica per una proteina la cui funzione non è stata ancora chiarita;

Vengono prodotte tre trascritti differenti:V1,V2,V3.

le varianti V1 e V3 dei trascritti codificano per una proteina di 481 aminoacidi, mentre la V2

codifica per un’isoforma 222 aminoacidi

Nei pre-mRNA la ripetizione esanucleotidica espansa si può localizzare in due siti: a livello

della regione promotrice (V1) oppure nel primo introne (V2 e V3).

Espressa in maniera ubiquitaria nell’organismo. Nel SN è espressa in tutte le regioni con più

alti livelli nel cervelletto

I fenotipi principali associati

all’espansione sono la sclerosi laterale

amiotrofica (SLA) e la demenza

frontotemporale lobare (FTLD).

Nei pazienti affetti da SLA e FTLD con

mutazione C9ORF72 sono descritti

sintomi ‘atipici’:

Sintomi psicotici (allucinazioni e

deliri)

Altri disturbi psichiatrici (es. disturbo

ossessivo compulsivo)

Sintomi parkinsoniani

COMPLESSITA’ DEL QUADRO CLINICO

Non–Motor Phenotypes

Il fenotipo FTLD maggiormente associato alla mutazione C9ORF72

è bvFTD, a seguire afasia non fluente progressiva (PNFA), mentre la

demenza Semantica (SD) risulta essere poco associato.

Con una frequenza inferiore all’1% l’espansione è stata individuata

in AD con autopsia confermata.

All’interno dei casi bvFTD-c9orf72 related c’è un numero

significativo di casi che presentano psicosi.

Motor phenotypes

SLA con onset bulbare è il fenotipo maggiormente

associato all’espansione, inoltre è stata osservata

un incidenza di demenza o una storia familiare per

demenza in pazienti C9ORF72-SLA.

L’espansione C9ORF72 è stata associata ANCHE :

Parkinsonismo in quanto la neuropatologia associata al C9ORF72 colpisce la substantia nigra.

Degenerazione olivopontocerebellare in un paziente con storia familiare positiva per SLA.

«fenocopie» della malattia di Huntington: pazienti con sintomi clinici simili a HD ma senza

mutazioni nel gene HTT.

CBD un solo paziente.

Motor phenotypes

L’espansione in C9orf72 rappresenta

la causa più comune per SLA, FTLD

e SLA-FTLD familiare oltre a

contribuire alle forme sporadiche di

queste malattie

La più alta frequenza di mutazione è

stata osservata nella popolazione

caucasica del Nord Europa; alcuni

studi suggeriscono che ci possa

essere un comune fondatore

(Smith et al., 2012)

Onset variabile da 30 a 76 anni per

FTLD e da 27 a 83 anni per la SLA

L’elevata variabilità dell’onset e della

durata della malattia suggerisce la

presenza di modificatori genetici o

ambientali

Frequenza dell’espansione di C9ORF72

Ipotesi effetto fondatore per

l’espansione C9ORF72

Diversi studi suggeriscono che ci possa

essere stato un fondatore comune per

l’espansione. Infatti lo screening di

numerose popolazioni per C9ORF72

evidenzia un forte LD tra l’ espansione e un

allele di rischio (A-allele rs389942)

all’interno dell’aplotipo al locus 9p21 (Mok

et al.2012).

La questione è:

•tutti i carriers dell’espansione condividono

un comune ancestore

•l’aplotipo con l’allele A conferisce un

maggiore rischio di mutazione.

L’ analisi di 42-SNPs nei carriers

dell’espansione in Europa, USA e Australia

fa ipotizzare che ci sia un comune

ancestore circa 100 generazioni fa nel nord

Europa ( Renton et al.,2012). Uno studio

successivo con 82-SNPs corregge a 250 il

numero di generazioni precedenti al

fondatore (Smith et al.,2013).

DOMANDE ANCORA APERTE

• Qual è la normale funzione di C9ORF72?

• Qual è il numero di ripetizioni che rende patologica l’espansione?

• La ripetizione è stabile o è soggetta ad instabilità causando il fenomeno

dell’anticipazione?

• Che impatto ha la misura della ripetizione sul fenotipo clinico (onset, durata di

malattia, gravità)?

• Qual è il contributo del mosaicismo somatico associato al C9ORF72 sul

fenotipo clinico?

• Qual è il meccanismo patologico associata all’espansione C9ORF72?

• Qual è il ruolo delle inclusioni p62- positive eTDP-43 negative/positive, e qual

è il contributo della patologia cerebellare?

• Qual è il numero di ripetizioni che rende patologica l’espansione?

• Qual è il contributo del mosaicismo somatico associato al C9ORF72 sul fenotipo clinico?

Allele normale C9ORF72 da 2 a 24 G4C2 repeats.

o Cut-off patologico>24 unità (van der Zeen et al, 2012)

o Cut-off >30 unità (Renton et al, 2011).

Entrambi i cut-off vanno utilizzati con cautela in quanto

sono stati individuati in soggetti di controllo (0,17%).

Larghe espansioni (>700 unità) sono soggette ad

instabilità (Buchmanet al, 2013) ciò potrebbe in parte

spiegare l’eterogeneità somatica presente nei vari

tessuti incluso il SN. Nel cervelletto sono state

osservate lunghezze di ripetizione più corte

(1667unità) rispetto alla corteccia frontale (5250unità)

Altra caratteristica della mutazione nel C9orf72 è

quella della penetranza incompleta-età correlata:

<35 anni bassa penetranza

58 anni penetranza intorno al 50%

80 anni piena penetranza

Non esiste nessuna evidenza circa la relazione tra la

lunghezza della ripetizione e la severità del fenotipo

clinico (Chiò et al.,2012)

• L’instabilità della ripetizione può causare il fenomeno dell’anticipazione?

• Che impatto ha la misura della ripetizione sul fenotipo clinico (in particolare durata di malattia e

gravità)?

Alcuni studi riportano un’anticipazione dell’onset tra genitore e figli; una variabilità

intrafamiliare relativa al fenotipo patologico è stata osservata nei carriers dell’espansione

C9ORF72

Associazione dell’espansione C9orf72 con mutazioni nei geni SLA, FTD

Numerosi dati di letteratura mostrano l’associazione dell’espansione C9orf72 sia con mutazioni dal

significato clinico dimostrato e sia con mutazioni dalla patogenicità non chiara:

TDP-43 (Cooper-Knock et al.,2012)

FUS (van Blitterswijk et al.,2012; Millecamps et al., 2012)

SOD1 (van Blitterswijk et al., 2012; Millecamps et al., 2012)

OPTN (Opteneurin) (Millecamps et al., 2012)

ANG (Angiogenin)(Millecamps et al., 2012)

UBQLN2 (Ubiquilin-2) (Millecamps et al., 2012)

DAO (D-amino-acid oxidase) (Millecamps et al., 2012)

GRN (Ferrari et al 2012)

PSEN2 (Ferrari et al 2012)

MAPT (King et al., 2013)

SQSTM1 (Facto et al.,2011;Rubino eta.2012)

Qual è il meccanismo patologico associata all’espansione C9ORF72?

Meccanismi patogenici:

Gain of function:

2. RAN translation dell'espansione per

formare dipeptide repeat protein

3. Formazione di RNA foci tossica

GAIN-OF-FUNCTION: in brain tissue

proveniente da carriers

dell’espansione, sono stati osservati

aggregati nucleari e citoplasmatici

rispettivamente formati da RNA foci e

dipeptidi ripetuti

Loss of function:

1. Aploinsufficienza

LOSS-OF-FUCTION: è

stato osservato un

decremento del 50%

(solo per la variante1)

Il meccanismo di APLOINSUFFICIENZA è

supportato dall’osservazione che

l’espansione conduce ad una riduzione di

circa il 50% di C9ORF72 mRNA nella

corteccia frontale e in linfoblasti provenienti

da portatori dell’espansione.

L’ipotesi più accreditata è quella che

l’espansione possa causare una metilazione

aberrante delle isole di CpG nella regione del

promotore di C9ORF72 conducendo ad una

downregulation del suo mRNA .

Del resto questo è un meccanismo comune

anche ad altre malattie causate da

espansioni ripetute.

Loss of function: APLOINSUFFICIENZA

Il meccanismo associato ad un guadagno di

funzione del RNA prende il nome RNA foci

L’espansione viene trascritta in RNA (G4C2-RNA);

questo mRNA aberrante andrà a sequestrare RNA

binding proteins (hnRNA3) formando una struttura

che prende il nome RNA G-Quadruplex (Reddy et

al.,2013; Fratta et al.,2013).

G-quadruplex sono delle strutture estremamente

stabili che si accumulano nei neuroni come foci

neurotossici.

Foci neurotossici sono stati individuati nei nuclei

dei neuroni della regione corticale frontale e del

midollo spinale in pazienti portatori

dell’espansione.

G-quadruplex si formano da sequenze ricche di guanina

a partire dall’RNA a singolo filamento Quattro guanina

interagire attorno a un ione positivo, facendo un

quadrato chiamato G-quartetto, questi quadrati di

guanina sovrapposti costituiscono un quadruplo. Un

singolo filamento di acido nucleico può formare un

quadruplo.

Gain of function: RNA foci

Altro meccanismo ipotizzato associato al

guadagno di funzione dell’RNA è la

formazione di una proteina costituita da

dipeptidi ripetuti attraverso un meccanismo

denominato RAN (repeat-associated non–

ATG).

I dipeptidi ripetuti si formano a partire dal

trascritto espanso senso e antisenso, con

formazione di 6 tipi di proteine RAN

(antisenso: Pro-Arg, Pro-Ala, Gly-Pro; senso:

Gly-Ala; Gly-Arg, Gly-Pro) che si accumulano

sottoforma di aggregati citoplasmatici in

diverse regioni del cervello (Zu et al., 2013)

N.B. La caratteristica di questo meccanismo è

la trascrizione bidirezionale e la traduzione di

entrambi i filamenti di RNA.

Questo dato è unico in quanto solitamente

viene trascritto e tradotto solo il filamento

senso.

Gain of function: RAN traslated proteins

I risultati fin qui raggiunti, permettono

l’inserimento dei casi di FTD-MND alla

sempre crescente classe di malattie

associate all’espansione di ripetizioni non

codificanti, come la Distrofia miotonica

(DM1 e DM2), la Sindrome dell’X-fragile

associata a tremori ed atassia (FXTAS) e

a molte sindromi di atassia-cerebrospinali

(SCA8, SCA10, SCA31, SCA36).

Tutte queste patologie sono riconducibili ad un meccanismo patologico comune:

accumulo in foci a livello nel nucleo e/o del citoplasma delle cellule interessate a partire da mRNA

abberrante.

Tali depositi a loro volta, sequestrano varie proteine RNA-binding, portando così ad una disregolazione dei

normali processi di splicing alternativo con conseguente morte neuronale.

• Qual è il ruolo delle inclusioni p62-positive eTDP-43 negative/positive?

• Qual è il contributo della patologia cerebellare?

La lesione più caratteristica dei carriers dell’espansione

C9orf72 è rappresentata da inclusioni citoplasmatiche e

nucleari p62+ nel cervelletto e nell’ippocampo; le

inclusioni TDP43 non sono sempre presenti

Marker caratteristico solo dell’espansione C9ORF72

Nelle altre regioni del SN in particolare nella corteccia

cerebrale e nel sistema motorio piramidale sono

presenti inclusioni p62+ e TDP43 + prevalentemente di

tipo B.

E’ dibattuto se le inclusioni nel cervelletto possano essere

associate a neurodegenerazione in quanto non tutti i

pazienti manifestano segni clinici tipici della patologia

cerebellare.

Le inclusioni TDP-43 negative contengono proteine

costituite da DPR mentre nelle inclusioni nucleari è

stato osservato accumulo di RNA foci (Mackenie et

al.,2014)

La positività a p62 potrebbe indicare una generale

perturbazione del sistema ubiquitina-proteosoma o un

suo diretto coinvolgimento nel meccanismo patologico.

L’ espansione in C9orf72 sembra essere responsabile di un

elevato numero di casi familiari e sporadici di SLA, FTLD e

FTLD-SLA.

Dal punto di vista clinico i portatori dell’espansione

patologica in C9orf72 presentano una grandissima

variabilità fenotipica.

L’espansione C9ORF72 è caratterizzata da diverse

inclusioni nucleari e citoplasmatiche nei neuroni del SN.

Nonostante la scoperta di questo nuovo gene e della sua

elevate frequenza, molte famiglie nello spettro della FTLD/SLA

non sono ancora spiegate geneticamente !!

CONCLUSIONI