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La malattia di Alzheimer una delle forme più comuni di demenza e rappresenta il 60-70% di tutti i casi di demenza in tutto il mondo. La rottura dell’omeostasi dei metalli e l’accumulo di depositi proteici nei neuroni sono considerati gli eventi prevalenti che portano all’insorgenza di questo disturbo neurologico.
In particolare, le placche neurotossiche del peptide β-amiloide (Aβ) sono costituite prevalentemente da aggregati di peptidi con un’estensione di 39–42 aminoacidi rilasciati in seguito alla scissione proteolitica della proteina precursore dell’amiloide. Tuttavia, insieme alle forme più diffuse, nei depositi di amiloide sono stati rilevati molti peptidi più corti con caratteristiche strutturali e tossicità distinte.
Sebbene la comprensione dei meccanismi e della cinetica dell’assemblaggio delle fibrille amiloidi sia stata recentemente migliorata, la moltitudine di fattori coinvolti nella modulazione della formazione di placche è ancora parzialmente sconosciuta. In questo contesto, è stata proposta un’associazione tra cambiamenti nelle concentrazioni di ioni metallici nei neuroni e la generazione di forme fibrillari di Aβ; infatti, lo squilibrio dei metalli di transizione è strettamente associato allo stress ossidativo, all’aggregazione proteica e alla disfunzione sinaptica nel sistema nervoso centrale (SNC). Sia gli ioni zinco che quelli rame vengono rilasciati nella fessura sinaptica per modulare la neurotrasmissione mediata dal glutammato legandosi al recettore N-metil-D-aspartato (NMDA) e al recettore glutamatergico dell’acido α-ammino-3-idrossi-5-metil-4-isossazolpropionico (AMPA).
La disregolazione di questo meccanismo può dare origine a un’interazione aberrante con i peptidi Aβ poiché entrambi i metalli sono stati trovati co-localizzati con i depositi di amiloide-β in concentrazioni altamente arricchite; inoltre, gli ioni rame (e ferro) sono in grado di promuovere l’attività redox neurotossica di Aβ e indurre la reticolazione ossidativa dei peptidi in oligomeri stabili. È noto che gli ioni metallici, come il rame (II), ma in particolare lo zinco (II), e i loro complessi possono anche contribuire all’idrolisi del legame peptidico secondo meccanismi di acido di Lewis. Pertanto, l’interazione di questi ioni metallici con Aβ può influenzare l’emivita e la clearance del peptide in vivo.
In effetti, una possibile strategia per lo sviluppo di nuovi farmaci terapeutici per combattere il declino dell’Alzheimer si è concentrata sulla riduzione della concentrazione di Aβ nella circolazione cerebrale, prendendo di mira in particolare il suo percorso di degradazione. Ad esempio, la promozione dei livelli di espressione di alcune proteasi che degradano l’amiloide (tra cui la neprilisina, l’enzima che degrada l’insulina, la glutammato carbossipeptidasi II, la metalloproteinasi-9 della matrice e altre) induce neuroprotezione e riduce la predisposizione allo sviluppo del disturbo. Studi in vitro hanno dimostrato che i prodotti di Aβ di dimensioni più piccole generati dalla scissione enzimatica erano meno neurotossici e più facilmente eliminati.
Risultati simili sono stati ottenuti dopo la promozione della degradazione proteolitica di Aβ mediata da frammenti anticorpali specifici. Tuttavia, alcuni prodotti idrolitici, ovvero i frammenti Aβ(25–35) e Aβ(22–35), hanno mostrato profili di tossicità simili ai monomeri Aβ a lunghezza intera.
Oltre all’Alzheimer, i processi di misfolding e gli squilibri nell’omeostasi degli ioni metallici sono caratteristiche altamente conservate in diverse patologie neurodegenerative, tra cui più di 30 malattie note correlate all’amiloide, come il morbo di Parkinson (MP), la malattia di Huntington, la malattia da prioni, ecc.. “Pertanto, abbiamo esteso la nostra indagine anche ad altre proteine neuronali che prendono parte direttamente a questi processi, come le proteine α-sinucleina e tau“, spiegano gli autori.
Come Aβ, tau e α-sinucleina sono inclini a dare processi di aggregazione auto-propaganti che risultano nell’accumulo di depositi insolubili, noti rispettivamente come grovigli neurofibrillari (NFT, nell’Alzheimer) e corpi di Lewy (LB, nel PD). Durante il processo di aggregazione, la presenza di ioni metallici, come rame e zinco, influenza e modula attivamente la stabilità di queste proteine, inducendo modifiche post-traduzionali, come iperfosforilazione, o cambiamenti conformazionali in grado di destabilizzare i monomeri verso oligomeri e fibrille.
È stato suggerito che la frammentazione della tau contribuisce alla formazione di filamenti elicoidali accoppiati (PHF) aumentando i tassi di aggregazione e semina rispetto alla proteina a lunghezza intera. Tuttavia, la frammentazione della tau è anche un normale meccanismo di eliminazione che può ridurre la gravità di questa patologia.
Allo stesso modo, l’idrolisi dell’α-sinucleina catalizzata dagli enzimi proteolitici è un processo comune per la rimozione dell’eccesso extracellulare di questa proteina. Tuttavia, ciò può anche portare al rilascio di frammenti tossici che sono inclini all’aggregazione e contribuiscono alla progressione del PD.
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In generale, i peptidi subiscono diversi percorsi di degradazione attraverso meccanismi chimici e fisici. I principali processi chimici coinvolgono l’ossidazione, la scissione idrolitica, la β-eliminazione, la deamidazione, la racemizzazione, l’isomerizzazione e la formazione di legami disolfuro, mentre i cambiamenti nella struttura secondaria dei peptidi, che portano alla loro aggregazione e precipitazione, sono esempi di modifiche fisiche. Questi percorsi di degradazione si verificano normalmente in una soluzione acquosa e sono strettamente correlati a parametri critici, come sequenze amminoacidiche, pH, temperatura e presenza di cationi metallici.
Conclusioni
La disomeostasi degli ioni metallici, come rame e zinco, è un’importante caratteristica patologica riscontrata in diverse malattie neurodegenerative caratterizzate da un errato ripiegamento proteico come nell’Alzheimer e PD. In particolare, l’interazione degli ioni rame e zinco con peptidi e proteine amiloidogeniche, tra cui Aβ, tau e αSyn, è in grado di modulare i loro profili di aggregazione e tossicità. Infatti, la generazione di complessi metallici con peptidi e proteine neuronali è solitamente implicata in cambiamenti di ripiegamento e stabilità connessi a modifiche post-traduzionali e, nel caso degli ioni rame, nella promozione di un enorme danno ossidativo come prodotto dell’attività redox degli ioni metallici da soli o complessati con molecole biologiche.
In questo studio, abbiamo valutato come la presenza di ioni rame e zinco influenzi la tendenza dei peptidi Aβ di diverse lunghezze (Aβ16 e Aβ28), dei frammenti R1 della proteina tau e di αSyn15 a subire degradazione idrolitica.
I dati mostrano che tutti i peptidi neuronali utilizzati in questo studio, incubati in soluzione a pH fisiologico per due settimane, subiscono reazioni idrolitiche relativamente rapide, che ne determinano la quasi completa frammentazione. Al contrario, la presenza degli ioni metallici studiati rallenta significativamente la degradazione del peptide: l’interazione di ioni rame e zinco con i peptidi è in grado di minimizzare l’idrolisi dei peptidi nativi in frammenti più piccoli per tempi prolungati, preservando l’intera sequenza amminoacidica per oltre 14 giorni.
Inoltre, anche se la scissione idrolitica è una reazione aspecifica solo marginalmente regolata dalla sequenza amminoacidica, la coordinazione con gli ioni metallici sembra dirigere la scissione verso siti più specifici a causa dei cambiamenti strutturali indotti dal legame metallico. Considerando che le principali vie idrolitiche che influenzano i legami peptidici sono reazioni mediate da acidi che coinvolgono riarrangiamenti intramolecolari degli scheletri peptidici da parte dei gruppi carbossilici della catena laterale di Asp/Glu, appare chiaro che gli scaffold più flessibili fungono da substrati più facili per la scissione idrolitica rispetto alle strutture più organizzate.
Infatti, dagli studi condotti sul peptide dell’insulina da Brange e colleghi, è emerso chiaramente che le strutture secondarie e terziarie definite sono in grado di aggiungere stabilità conformazionale contro le reazioni di scissione del peptide, mentre il miglioramento della flessibilità strutturale in specie meno impacchettate facilita la deaminazione e la successiva idrolisi. Nel nostro studio, il coordinamento dei peptidi con gli ioni metallici può influenzare il grado di flessibilità dei peptidi, alterando così l’entità della frammentazione. Analogamente, i cambiamenti strutturali indotti da modifiche post-traduzionali, come la N- acetilazione, sono determinanti per la frammentazione del peptide.
Questo studio getta le basi per una comprensione più approfondita del ruolo degli ioni metallici aberranti (in particolare Cu e Zn) in relazione al metabolismo e alla clearance dei peptidi Aβ, solitamente presenti nei cervelli affetti da malattia di Alzheimer; la tossicità che potrebbe derivare dal probabile aumento dei livelli locali di Aβ e dalla maggiore propensione a generare fibrille necessita di ulteriori studi.
Saranno condotti nuovi studi volti a comprendere in dettaglio i meccanismi fisico-chimici coinvolti nella protezione mediata dai metalli contro le reazioni idrolitiche, in particolare utilizzando specie di Aβ a lunghezza intera.
Autori: Valentina Pirota, Enrico Monzani, Simone Dell’Acqua, Chiara Bacchellam, del Dipartimento di Chimica, Università di Pavia.
Fonte: Molecules