Il ruolo di MeCP2 nello sviluppo del cervello

I tipici difetti nello sviluppo neuronale insieme ad un primo periodo di sviluppo apparentemente normale osservati nella Sindrome di Rett hanno fatto ipotizzare che MeCP2 non sia richiesta per la nascita dei neuroni, né per la loro migrazione o maturazione. Tale ipotesi è stata confermata dall’elevato numero di topi modello che negli ultimi anni sono stati sviluppati per accrescere le nostre conoscenze sulla malattia e cercare di sviluppare degli approcci terapeutici.

A tale fine sono stati prodotti dei topi privi di una delle due copie di MECP2 (anche nel topo questo gene si trova sul cromosoma sessuale X). Le femmine murine, con un solo gene MECP2 funzionante, appaiono normali fino a circa 6 mesi (che nel topo corrisponde ad un’età adulta) quando iniziano a sviluppare dei chiari problemi neurologici che ricordano quelli presentati dalle bambine Rett. Anche i maschi privi della proteina MeCP2 funzionante nascono apparentemente normali ed iniziano a sviluppare i sintomi tra l’ottava e la 10° settimana.
Questi topi perdono molte delle loro capacità locomotore, sviluppano chiari difetti nella respirazione e muoiono intorno alla decima settimana. Per capire se davvero la Sindrome di Rett sia una malattia “esclusivamente neuronale”, con particolari artifici sono stati ottenuti dei modelli in cui la proteina manca solamente nel cervello. I risultati ottenuti hanno chiaramente dimostrato come i sintomi della Sindrome di Rett sono dati da difetti di MeCP2 nelle cellule del sistema nervoso centrale. Anche i topi transgenici che producono una quantità doppia di una proteina MeCP2 del tutto normale hanno mostrato gravi problemi neurologici dalla 10-12 settimana di vita, dimostrando inequivocabilmente che anche un aumento nell’espressione di MeCP2 è tanto dannoso quanto la sua mancanza. Questo ultimo dato evidenzia chiaramente come la terapia genica, al momento attuale incapace di controllare il numero di copie geniche inserite nella cellula trattata, non sia una strada immediatamente perseguibile per la cura della Rett.

Il ruolo di MeCP2 nello sviluppo dei neuroni

Molti studi hanno dimostrato come i livelli di proteina MeCP2 siano molto bassi nei giovani neuroni mentre aumentano drammaticamente man a mano che i neuroni maturano per mantenersi alti per tutta la vita dell’individuo adulto. Nel loro insieme questi risultati suggeriscono che le funzioni di questa proteina sono necessarie dopo la nascita, un dato consistente con il tardivo manifestarsi della malattia. Inoltre, diversi studi di biologia cellulare hanno dimostrato come MeCP2 sia fondamentale per lo sviluppo nei neuroni delle “protrusioni cellulari” (arborizzazioni e spine dendritiche) fondamentali per instaurare quella fitta rete di comunicazioni tra le cellule del cervello che permette un corretto funzionamento. In accordo con ciò l’analisi condotta su tessuti cerebrali di bambine Rett dimostra come le loro cellule siano più piccole e compatte e meno arborizzate di quelle riscontrate in individui di controllo. Nel loro insieme questi studi suggeriscono come MeCP2 sia cruciale per la capacità dei neuroni di rispondere agli stimoli mano a mano che il cervello impara e si sviluppa la memoria e come un suo malfunzionamento porti a difetti nella maturazione neuronale.

MeCP2 come regolatore dell’espressione genica

Come già detto, MeCP2 è stata originariamente scoperta in quanto capace di spegnere l’espressione di geni metilati. Si è poi scoperto che MeCP2 si lega con la sua “testa” (l’MBD) al DNA ed usa la coda (il TRD) per interagire con molte altre proteine che nel loro insieme portano il DNA legato ad assumere una conformazione così chiusa da non potere leggervi il messaggio contenuto. Se MeCP2 è mutata e non sa più legarsi al DNA o non sa più interagire con le proteine che portano a questa particolare condensazione, il gene non sarà più spento.

In uno sviluppo normale, esiste un preciso programma di espressione genica vale a dire che diversi geni vengono accesi o spenti in momenti e in distretti corporali ben precisi, seguendo uno specifico programma, finemente regolato. Questo programma di espressione genica può essere paragonato ad una lunga e complessa sinfonia: non tutti gli strumenti (i geni) suonano contemporaneamente e non suonano neppure le stesse note e con lo stesso vigore. Continuando nella similitudine, possiamo pensare alla proteina MeCP2 come ad una qualcosa che aiuta a coordinare i momenti di “silenzio” che alcuni geni devono tenere in questa “sinfonia dello sviluppo”. Se MeCP2 non funziona propriamente più geni/strumenti suoneranno le proprie note quando non avrebbero dovuto farlo portando a quella che potremmo definire una “cacofonia neuronale”.

Detto tutto questo, molti ricercatori stanno oggi attivamente lavorando nel tentativo di identificare quali e quanti geni siano i target dell’attività di MeCP2 e quindi suonino in maniera scoordinata nella Sindrome di Rett, così come i meccanismi molecolari usati da MeCP2 per spegnerli. Benché queste ricerche siano ancora in corso ed, ancora una volta, si avvantaggino largamente dei topi modello, appare sempre più chiaro che MeCP2 può funzionare come un fine e dinamico modulatore dell’espressione di alcuni geni neuronali. L’esempio più chiaro deriva dallo studio effettuato sul gene Bdnf che codifica per una proteina importante per la sopravvivenza e la capacità di comunicare dei neuroni. Gli studi eseguiti nel laboratorio del Dr. Greenberg (USA) hanno mostrato come in un neurone non stimolato MeCP2 è legato al DNA di Bdnf bloccandone l’espressione. Non appena il neurone viene eccitato da uno stimolo o impulso, attraverso dei meccanismi ancora poco noti e che coinvolgono proteine per ora non identificate, MeCP2 viene modificata chimicamente mediante l’attacco di un gruppo fosfato, si stacca dal gene Bdnf che quindi può essere acceso. Nei topi modello privi di MeCP2, il gene Bdnf “talvolta suona le sue note” anche in assenza di eccitazione neuronale. Attualmente non sappiamo quanto una non programmata espressione di Bdnf contribuisca ai sintomi della malattia, ma la maggior parte degli scienziati ritiene che la Sindrome di Rett sia, per l’appunto, la risultante di un certo numero di geni, il cui numero e la cui identità è ancora da scoprire, che si accendono in momenti non previsti nel programma di sviluppo di un individuo sano. Attualmente la ricerca volta ad identificare i geni target di MeCP2 ha avuto solo limitati successi. Abbiamo capito che I) in assenza di MeCP2 non si ha una globale riaccensione della maggior parte dei geni (non tutti gli strumenti che dovevano stare zitti si mettono a suonare), II) che i geni che si riaccendono non lo fanno con il loro massimo vigore, ma da spenti passano a lievemente più espressi e III) che tra i geni che sembrano essere silenziati dalla proteina non c’è solo BDNF, ma altri geni, quali per esempio alcuni regolati dagli ormoni glucocorticoidei o DLX5 o un gene mitocondriale (i mitocondri sono nelle nostre cellule i siti di produzione di energia). Attualmente non vale comunque la pena di entrare nel dettaglio delle funzioni di questi geni perché ancora dobbiamo capire se l’errata regolazione di essi contribuisca e in quale misura e a quali sintomi tipici della Sindrome di Rett. E’ possibile che la malattia sia dovuta all’errore di espressione di pochi geni e per ciascuno dei geni target ad oggi identificati si può pensare al possibile effetto neurologico; in alternativa, si può immaginare che tanti geni siano deregolati e ciascuno di essi contribuisce anche se in piccola misura al fenotipo della malattia.

Laboratorio di Biologia Molecolare,
Dipartimento di Biologia Strutturale e Funzionale
Università degli Studi dell’Insubria - Busto Arsizio Va